【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17K05493 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面電子状態 / ビスマス超薄膜 / 光電子分光 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面・界面物性

【研究成果の概要】

黒リン(BP-like)構造をもつBi(110)超薄膜は、2次元トポロジカル絶縁体の電子物性が予測される興味深い系である。本研究ではシリコン基板上に作製したBi(110)超薄膜の構造と電子状態を角度分解光電子分光と走査トンネル顕微鏡を用いて系統的に調べ、8原子層程度以下の薄膜内部の構造がBP-likeであること、基板からの電荷移動によりホールドープされていること、Biを100 K程度で蒸着後に室温まで加熱する2段階成長によって高さの揃った超薄膜を広範囲に作製可能であることを明らかにした。

【研究の社会的意義】

黒リン構造のBi(110)超薄膜は、基板との相互作用や電荷移動によるトポロジカル絶縁体転移が予想されており、その電子状態が大変興味深いにもかかわらず、研究例は少ない状態であった。本研究により、デバイス整合性のよい半導体基板を用いて将来的に半導体技術で電荷量を制御する可能性を担保したうえで、Bi(110超薄膜の成長過程と電子状態についての系統的な知見を得ることができたことは、学術的にも社会的にも大変意義深いことと考えている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】22710095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面物性 / ナノ構造物性 / 低次元系 / 表面電子状態 / 角度分解光電子分光 / 走査トンネル顕微鏡 / ゲルマニウム / 金 / 表面・界面物性

【研究成果の概要】

本研究では、半導体基板上に形成されるナノ構造として、ゲルマニウム(001)および(111)表面に金を1原子層程度蒸着することで形成されるナノワイヤ(1次元)構造および2次元構造について、その原子構造と電子状態を明らかにした。ナノワイヤ構造においては、構造から予測される1次元電子系ではなく、ワイヤ垂直方向に小さい有効質量をもつ金属的な表面状態があることを明らかにした。また2次元構造においては、大きなスピン軌道相互作用にともなうラシュバ型のスピン分裂した電子状態をもつことを明らかにした。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】15106001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面・界面物性 / 走査プローブ顕微鏡 / 物性実験 / 電子顕微鏡 / ナノ材料 / マルチプローブ顕微鏡 / グリーン関数STM / 表面電気伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / 走査電子顕微鏡 / ナノ構造 / 表面構造 / 表面電子状態 / 電気伝導

【研究成果の概要】

1. 極低温4探針型STM(グルーン関数STM)装置システムの開発・建設
これは次のような性能を持つ:(a)超高真空中で稼動し、走査電子顕微鏡と結合して4探針の配置をナノメータスケールで観察できる。(b)試料および探針を7Kまで冷却でき、その温度を20時間維持できる。(c)それぞれの探針で原子分解能のSTM像観察が可能。(d)統合型コントローラによって1台のPCで4本の探針を有機的に駆動・制御できる。(e)多機能プリアンプによって、3つの測定モード(それぞれの探針による通常のSTM/STS測定モード、4探針法による電気伝導測定モード、および2探針によるトランスコンダクタンス(グリーン関数)測定モード)を切り替えできる。このような装置は世界的にみても類例が無い。
2. カーボンナノチューブ探針の開発
直径10nm程度の多層カーボンナノチューブを金属探針の先端に接続して、それ全体をPtIr被覆した導電性探針を開発することに成功した。これによって、探針間隔を最小で20nm程度まで小さくすることが可能となった。PtIrの代わりにパーマロイ(NiFe)の薄膜で被覆すると、強磁性体探針となることもわかった。
3. 応用計測
建設した装置を用いて、さまざまな計測に応用した。直径40nm程度のCoSi_2ナノワイヤの電気抵抗は、室温において、探針間隔が20nmで測定しても拡散伝導であることがわかった。Si(111)-4×1-In表面超構造の電気抵抗の温度依存性を測定した結果、In原子鎖の沿う方向とそれに垂直方向で伝導のメカニズムが異なることがわかった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2003 - 2006

【配分額】104,780千円 (直接経費: 80,600千円、間接経費: 24,180千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】15510088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性量子ドット / 一次元 ナノ強磁性体配列 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面電子状態 / 磁気異方性 / 光電子分光 / 格子歪 / 一次元ナノ強磁性体配列 / XPS / 銅表面 / 磁気カー効果 / X線光吸収分光 / 磁気円2色性

【研究成果の概要】

<100>方向に1°微傾斜した銅(001)面上に平均0.3原子層の窒素を吸着させ、アニールすると一辺5nm程度の正方形の窒素吸着パッチが、清浄表面を介して<010>方向に延びたステップエッジに平行に1次元的に配列する。この表面上にコバルトを蒸着した系の構造をSTMで観測し、その強磁性を超高真空中で磁気カー効果によって調べた。この系では、平均膜厚が1.5-2.0原子層程度のとき、2,3原子層高さのコバルト微粒子が一次元的に配列する。その磁気ヒステリシス曲線を観察すると、平坦な表面上に2次元的に配列したコバルトドット配列と比べて磁気異方性が強く、磁化容易軸がステップに平行となることが明らかとなった。
コバルトドット配列の微視的構造と磁性を調べるために、軟X線吸収分光と軟X線磁気2色性分光測定を行った。界面ではコバルトと窒素の結合があること、および、コバルトドットの軌道磁気モーメントはドットが小さくなると大きくなることがわかった
窒素吸着面でのコバルト微粒子成長には、窒素パッチ生成によってできた銅清浄表面格子歪みが大きな影響を与えていると考えられる。そこで、格子歪による表面電子状態変化を光電子分光によって測定し、第一原理計算と比較した。精密測定が可能であるM点のタム状態では、格子歪みによる電子状態変化が観測され、計算結果と定量的に一致した。さらに、この表面上に蒸着されたコバルト微粒子の成長について、STMとXPSを用いて調べた。その結果、窒素吸着面上の微粒子の大きさが4nm2以上となると、コバルト微粒子表面に窒素が析出することがわかつた。
また、大阪大学工学研究科笠井研究室と共同で、銅表面上の強磁性鉄ナノ構造の電気伝導よび電子状態について理論的解析を行い、今後の実験研究を推進する上での指針や、デバイスへ応用の可能性を議論した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,900千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】12450020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査トンネル顕微鏡 / 電子定在波 / 表面準位 / 二次元電子系 / 表面電子状態 / 2次元電子系

【研究成果の概要】

低温磁場中で作動する超高真空走査トンネル顕微鏡(STM)の立ち上げを行い、現在4K・11Tでの動作することを確認した。この装置を用いて、Au(111)・Cu(111)表面上で定在波が数100オングストロームにわたって拡がっている像を撮ることができた。
表面に局在した電子状態での電子密度を制御することを目的として、Pd/Au(111)・Pd/Cu(111)表面での定在波観察を行い、一層からなるPd薄膜上では観察された定在波の周期がAu・Cu基板の定在波に比べ長くなっていることがわかった。これはPd薄膜を介することによってAu(111)・Cu(111)基板の表面準位のエネルギーレベルが高くなったことを示しており、これにより同表面状態内に含まれる電子密度が低くなっていることを意味している。このことは、表面準位が存在する条件を評価することにより説明され、Au(111)・Cu(111)表面準位のエネルギーレベルが、Pdのギャップ端よりもやや低いレベルに位置していることに起因している。2次元電子系に対する磁場の影響を観測するためには、電子密度を低くする必要があるが、上記の結果は、我々がターゲットとする「表面準位を2次元電子系とみなしてその振る舞いをSTMにより高分解能で観察する」ことへの実現に向けて第一歩を進めたものと言える。
また磁場中での観察から、金表面上での吸着物で磁場強度によりコントラストを変化させているものが観察された。理論計算との比較によりその評価を進めている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【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】05855007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査トンネル顕微鏡 / 走査トンネル分光 / 表面電子状態 / 電子散乱 / 定在波 / 金(111)表面 / 銀(111)表面 / 銅(111)表面

【研究成果の概要】

購入したロックイン増幅器を用いさらに走査トンネル顕微鏡のフィードバック回路に改良を加えることによって走査トンネル分光法(STS)の機能を改善させた上で、これを用いて金属表面における電子波の散乱によって生成された定在波の実空間観察を行った。そしてその観察結果から、表面電子状態のエネルギー分散関係や表面ステップによる電子波散乱の強度や位相のずれを、電子波のエネルギーやステップの方位の関数として、決定することができた。また、表面上のナノサイズの島状構造上での定在波の観察にも成功しており、表面電子波がステップで囲まれた島状構造表面内に閉じ込められている振舞いを見てとることができた。散乱による定在波が観察される表面は表面に局在した電子準位を持つものに限られることから、そのような表面としてAu(111)、Ag(111)、Cu(111)を考えていたがが、予想通りこの3つの表面ではいずれも定在波が観察された。しかし、3つの表面で定在波の強度など見え方がかなり異なっており、今後その原因を探っていきたいと考えている。さらに今後はAu(110)表面など表面に電子準位が局在しておりかつ異方性のある表面上での測定を行っていく予定である。
また定在波・散乱現象の解釈についても、有限の測定温度によるエネルギーの広がりによる影響や、電子波が表面上で2次元的に広がっていることによる影響、またSTS測定時の探針の動きによる影響まどの点が明らかとなり、これらの点を考慮した上で解釈を行い、表面電子状態や散乱現象に関するより詳細な議論を行うことができた。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1993

【配分額】1,200千円 (直接経費: 1,200千円)