【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】22246006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / マイクロ4端子プローブ / モノレイヤー / 表面状態超伝導 / 表面超構造 / 反弱局在 / ラシュバ効果 / ビスマス / 超薄膜 / 電子電子相互作用 / 量子干渉効果 / 表面状態伝導 / 表面電気伝導

【研究成果の概要】

今まで我々は10年以上にわたって,マイクロ4端子プローブ法という新しい実験手法を開発し,それらを用いて表面・モノレイヤー(単原子層)の伝導物性の研究を展開してきた。本研究では,さらにその装置性能を向上させ、ミリケルビンの超低温(0.4K)および7Tまでの強磁場中でのマイクロ4端子プローブ測定を可能とし、モノレーヤー(単原子層)超伝導の探索やモノレーヤー磁気輸送の研究に発展させる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】49,660千円 (直接経費: 38,200千円、間接経費: 11,460千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】13305004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

4端子プローブ / 金属絶縁体転移 / パイエルス転移 / 表面電気伝導 / シリコン / 表面超構造 / 弱局在 / 擬1次元金属 / 2次元吸着原子ガス / 4探針 / 超高真空 / 光学顕微鏡 / RHEED

【研究成果の概要】

「マイクロ4端子プローブ測定装置」を設計・製作し、完成させた。この装置では、超高真空中で試料温度を室温から10Kまでの範囲で変化させて電気伝導度を測定できる。また、デンマーク工科大学で製作されたマイクロ4端子プローブ(プローブ間隔が4〜40μm)を光学顕微鏡で観察しながら、ピエゾスライドで試料表面に向けて接近・接触させて、ミクロな領域の電気伝導を測定する。また、RHEED(反射高速電子回折)によって試料表面の表面超構造をその場で確認・制御できる。この装置による測定で以下の発見があった。
(1)擬1次元金属系のSi(111)-4×1-In表面を冷却していくと、120K(付近で8×"2"構造の相転移するが、そのとき、電気抵抗が急激に上昇し、金属絶縁体転移を起こすことを見出した。これは、電荷密度波をともなうパイエルス転移説に矛盾しない結果となった。
(2)2次元金属系のSi(111)-√<3>×√<3-Ag>表面を冷却していくと、230K付近で急激に電気抵抗が上昇し、金属絶縁体転移を起こすことを見出した。光電子分光法によるバンド構造の研究も合わせ、低温相はバンド絶縁体ではないことを明らかにし、弱局在に起因する可能性がある。
(3)擬1次元金属系として知られていたSi(557)-Au表面の電気伝導度の温度依存性は、室温以下で熱活性型の半導体的な振る舞いを示した。これは、欠陥によって金属鎖が分断され、ホッピング伝導をしていることに起因すると考えられる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】39,130千円 (直接経費: 30,100千円、間接経費: 9,030千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】12355003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

擬1次元系 / 4探針プローブ / カーボンナノチューブ / 走査電子顕微鏡 / 表面電気伝導 / シリコン / 表面超構造 / 表面電子バンド / 走査トンネル顕微鏡 / 4探針 / 4端子プローブ

【研究成果の概要】

(1)超高真空槽内で、走査電子顕微鏡で観察しながら4探針を独立駆動できる4探針走査トンネル顕微鏡を製作・完成させた。トンネル電流をモニターしながら4探針を同時に自動接近させてトンネル接触状態にすることが可能となった。これにより、表面原子配列を破壊することなく探針を試料表面に接触させて電気伝導を測定することができる。また、単原子高さのステップを明瞭に走査トンネル顕微鏡像中で観察できるようになった。それを用いて、4端子プローブ法による表面電気伝導の測定を行った。
(2)ローブ間隔依存性:4探針プローブの間隔を1mmから1μmまで変化させながら、Si(111)-7×7清浄表面とSi(111)-√3×√3-Ag表面について室温で電気抵抗を測定した。その結果、(a)プローブ間隔を短くすると、表面に対する感度が飛躍的に向上する。(b)7×7表面の場合、電気伝導は結晶内部までが関与する3次元的な性格を持つのに対し、√3×√3-Ag表面では、表面近傍だけの2次元的な性格を持つ。これは表面状態を通る伝導であることが定量的な解析から判明した。
(3)正方4端子プローブ法:4探針を正方形状に配置して試料表面上に接触させて伝導度を測定する「正方4端子法」を考案し、実際にSi(111)-4x1-In表面に適応した。この方法は、従来の「線形4端子法」と異なり、伝導度の異方性を測定することができる。実験の結果、4x1-In表面は、インジウム原子鎖に平行方向の伝導度(σ_<//>)がそれに直角方向の伝導度(σ_⊥)より70倍高いことが明らかとなった。バンド構造から計算される伝導によると、σ_<//>は1次元的な表面電子バンドにより、σ_⊥は下地基板の表面空間電荷層による伝導でほぼ説明できることがわかった。つまり、この表面状態は電気伝導の観点からも極めて1次元性が強い擬1次元電子系といえる。
(4)多層カーボンナノチューブ(MWCNT)1本を2探針で拾い上げて固定することにより、その伝導度を2探針法によって測定可能となった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】42,900千円 (直接経費: 40,200千円、間接経費: 2,700千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】10650025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面電気伝導 / 表面電子バンド / 表面超構造 / 半導体 / 2次元電子系 / 反射高速電子回折 / エピタキシー / 磁気抵抗

【研究成果の概要】

昨年度制作した極低温用電気伝導測定兼用RHEED試料ホルダーを、超伝導マグネットが装備された超高真空RHEED装置内に取り付け、様々な測定を行い、以下のような成果を得た。
(1) Si(111)の表面電気伝導度の温度依存性の測定:Si(111)-7×7清浄表面とSi(111)-√<3>×√<3>-Ag、√<21>×√<21>-Ag表面の温度依存性を40K〜300Kの範囲で測定することに成功した。その結果、100K〜300Kの範囲では、√<21>×√<21>>√<3>×√<3>>7×7の順に伝導度が高いこと、また、√<21>×√<21>と√<3>×√<3>表面の伝導度は、温度下降とともに上昇するよという金属的な性質を示すこと、100K以下では、7×7表面が最も高い伝導度を示すことが分かった。これらの現象のメカニズムについて検討した。
(2) 磁気抵抗効果の測定:Si(111)-7×7清浄表面とその上に蒸着したBi薄膜の磁気抵抗を6Tまでの磁場を印加しながら測定し、数%の電気抵抗の変化を検出することに成功した。そのメカニズムについて検討した。
(3) Si(111)-表面上に0.33原子層程度の錫原子を吸着させて√<3>×√<3>表面超構造を作り、それを100K程度に冷却すると、3×3超構造に相転移することを見い出した。これは、錫吸着Ge(111)表面での相転移と同じであり、電荷密度波転移であると推論した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】07455018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / 表面超構造 / 表面電気伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / 蒸着 / 金属・半導体界面 / 2次元ガス相 / ドメイン / 金属-半導体界面

【研究成果の概要】

1.室温に保ったSi(111)-√3×√3-Ag表面上にさらにAg原子を蒸着すると、2次元ガス相を形成して表面電気伝導度を著しく高めることを昨年度見いだした。今年度は、その機構を解明することができた。つまり、2次元ガス相のAg原子が電子を基板表面に供出し、√3×√3-Ag表面超構造の表面電子準位バンドにその電子が入り、その結果、その表面電子準位バンドを介した伝導度が向上するのである。表面空間電荷層でのキャリア密度は、逆に減少していた。このように、表面上の吸着原子によって表面電子状態にキャリアがド-ピングされ、電気伝導度が向上するという現象の発見は世界的にも始めてである。
2.Si(111)-√3×√3-Ag表面にAuを蒸着した時に形成される√21×√21表面は非常に高い表面電気伝導度を示すが、STM観察、光電子分光の結果と考え合わせ、構造と電気伝導特性を考察した。その結果、新しく分散の大きい表面電子準位バンドが形成され、その中のキャリアによって伝導度が増大していることがわかった。表面電子準位バンドによる電気伝導の存在を確認したのでは、世界的にも始めてである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】7,400千円 (直接経費: 7,400千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】07044133 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン表面 / 相転移 / 吸着構造 / 高指数面 / SPA-LEED / REM / 表面電気伝導 / ファセット面 / 表面超構造 / 高指数表面 / サーファクタント / 電子線回折 / 表面電子顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡

【研究成果の概要】

この研究プログラムで今年度次のような成果が得られた。
1)Au吸着誘起Si表面の構造相転移を観察し、表面構造中のSi原子密度を測定すると同時にSi(111)微斜面においてファセット形成を見出した。
2)上記の発展として、[110]晶帯でのAu吸着誘起ファセット形成とその相転移、吸着量、熱処理温度依存性等を見出した。
3)Si(001)面でのAu吸着誘起ファセット形成過程を日独で共同してSPA-LEED、UHV-REMその構造と形成過程の詳細を明らかにした。
4)表面エレクトロマイグレーションによるステップバンチングの過程におけるAu吸着の効果を調べ、Au吸着がSiアドアトムの有効電荷を反転させることを明らかにした。
5)Si(111)√3x√3-Ag表面上に貴金属(Au、Ag、Cu)、アルカリ金属などを微量吸着させると共通して√21x√21が形成されることを見出した。
6)Si(111)√3x√3-Ag表面を5KでSTM観察すると定在波が半導体表面であるにも関わらず明瞭に観察された。
7)Si(111)表面にPbを吸着させて形成される不整合吸着構造は200Kで7x√3整合構造に相転移することを見出した。
8)Si(111)急冷表面のアドアトムは230℃でc2x8と“1x1"にGeと同様な相転移があることを見出した。
9)金属吸着Si表面にC60フラーレンヲ吸着させると超格子構造に依存してエピタクシー変化することが分かった。
10)SPA-LEEDの解析により種々の吸着系で多様な成長欠陥が形成されることを明瞭にかつ系統的に調べCaF2のエピタクシーの詳細もSTM、LEEDで明らかにした。
11)Si(111)Ag系で4Kでの伝導測定から2原子層以下の吸着量で金属-絶縁体相転移を見出した。

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】14,300千円 (直接経費: 14,300千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】05452101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体・金属界面 / 表面電気伝導 / 表面超構造 / ホール効果 / 電界効果 / シリコン(111)表面 / RHEED / 空間電荷層 / 半導体・金属・界面 / 表面構造

【研究成果の概要】

昨年度に新しく設計・製作した小型MBE・RHEED装置に、新しい試料ホルダーと電気的測定用超高真空室を結合させた。これによって、(1)構造・組成の解析、(2)表面電気伝導、(3)ホール効果、(4)電界効果の測定に加えて、(5)光伝導もin-situに測定可能なシステムとなった。これを用いて、表面の微視的な原子配列構造・電子状態とその巨視的な電気特性を曖昧さ無く直接的に関連づける研究を昨年度に引続き行った。
まず、表面電界効果の実験から、Si(111)-7×7清浄表面が金属的な表面であり、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面が半導体的な表面であることが明らかになった。また、7×7清浄表面に酵素を暴露すると、表面の酸化によって金属的な表面がしだいに半導体的な表面に変化しいく過程を電界効果の変化として捉えることができた。また、単色光を照射したときの光伝導度の変化も表面超構造に依存して全く異なる振舞を示した。さらに、Si(111)-√<3>×√<3>-Ag表面を150K程度の低温に維持して1原子層程度のAgを蒸着すると、√<21>×√<21>や6×6構造という表面超構造が形成されることを初めて発見し、しかも、それらの構造の形成・消滅に応じて表面電気伝導度が特徴的に変化することも見いだした。
これらの実験によって、表面空間電荷層が表面構造に依存して変化し、その結果、キャリアー濃度が増減し、表面電気伝導に影響を与える、という解釈の正当性を証明することができた。この様に、原子レベルでの構造と電気特性とを関連付ける研究は、新しいデバイス開発への基礎研究になると期待できる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)

【研究分野】固体物性

【研究領域課題番号】04640328 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体表面 / 表面電気伝導 / 反射高速電子回折 / 表面電子状態 / 空間電荷層 / バンド構造 / 表面超構造 / ホール効果

【研究成果の概要】

本研究は、半導体表面構造及びその上のエピタクシャル金属超薄膜の構造と、その電気的特性(表面電気伝導やホール効果など)の関連を明かにすることを目的とする。表面・薄膜の構造やエピタクシャル成長を原子レベルで解析・制御しながら、その電気的特性の測定をその場(in‐situ)で同時に行うことに本研究の特徴がある。これにより、表面・界面の単原子層程度の構造に敏感に依存した物性の発現を捉えることができ、新しい機能デバイスの基礎を築く可能性がでてくるものと期待している。本研究期間中の研究成果の概要は以下の通りである。
1.新しい超高真空RHEED(反射高速電子回折)用試料ホルダーを設計・製作した。それは、室温から1500Kまでの範囲で試料温度を変えられ、さらに試料に磁場を印加でき、RHEED観察とともに試料の電気抵抗とホール係数を同時に測定できるように工夫されている。
2.室温に保たれたSi(111)表面上に金属(Ag、Au、In、Pbなど)を連続的に蒸着する過程でのSiウエハ全体の電気抵抗が、基板表面の構造に敏感に依存して変化することを見いだした。表面のわずか1、2原子層の構造の差異がバルクSiの電気伝導に著しい影響を及ぼしているのである。これは、原子尺度での構造の差異がSi表面の電子状態を変え、さらには表面空間電荷層のキャリアー密度を増減させ、巨視的な電気的特性を変化させていることによると思われる。この発見は、学問的な重要性は勿論のこと、デバイスへの応用という観点からも重要な発見であると考えている。
3.金属蒸着中におけるRHEED観察、表面電気伝導の測定と同時にホール係数の測定も同時に行い、抵抗の増減にみあったキャリアーの増減が観測された。これにより、表面におけるバンドの曲がりの変化とそれによる表面空間電荷層内のキャリアー濃度の変化を捉えたことになる。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)