【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17540299 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体表面 / 走査トンネル顕微鏡 / 構造操作 / 量子散乱 / 物性理論 / 表面 / トンネル顕微鏡 / 半導体 / コヒーレンス / 操作トンネル顕微鏡 / 構造 / 散乱理論 / コヒーレント / ボゾン / フェルミオン / シリコン / ゲルマニューム / ダイマー / 構造変換 / 走査トンネル電子顕微鏡 / 微分コンダクタンス / モデルポテンシャル / 温度

【研究成果の概要】

走査トンネル顕微鏡(STM)を使った固体表面の構造操作について、機構を理論的に明らかにした。特に、STM探針から離れた表面原子操作について明らかにした。STMを使い半導体表面電子状態に注入された電子のコヒーレンス長について、フェルミオンである電子とボゾンである格子振動との相互作用を量子散乱機構としたコヒーレンス長の一般的表式を求め、ゲルマニューム表面でコヒーレンス長が長大になるバイアス電圧の存在を示した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】3,730千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 330千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】16310070 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / 表面 / 有機分子 / 電子エネルギー損失分光 / 走査型トンネル顕微鏡 / 第一原理計算 / 吸着 / 界面 / X線吸収分光 / X線発光分光 / STM / 光電子分光

【研究成果の概要】

実験と理論両面からSi(100)表面に吸着した有機分子の構造と電子物性について研究を行い,以下の成果を得た.
(1)低温のSi(100)c(4x2)表面に2メチルプロペンやプロピレンを吸着させ,その吸着状態を電子エネルギー損失分光(EELS),走査型トンネル顕微鏡(STM),第一原理計算を用いて詳細に調べた.非対称大マーに対してマルコフニコフ則が成り立つように吸着することが解明された.
(2)低温のSi(100)表面にπ鎖体型で弱く吸着したエチレン分子に対し波長選択した可視・紫外光を照射した際の光脱離と光誘起化学吸着反応について実験的研究を行った.光誘起によりπ鎖体型エチレンは,光脱離と光解離が起こることが分かった.
(3)Si(100)表面に吸着した1,4シクロヘキサジエンは基板温度により3つの異なる吸着状態をとることが観測された.室温での吸着状態(机型と考えられる)をとる単一吸着分子に対してトンネル分光を行い,電流-電圧特性の中に分子に由来すると考えられる特徴あるピークが観測された.
(4)SiO_2/Si(111)および酸窒化膜/Si(111)の界面の電子状態を調べるために,軟X線吸収分光/軟X電発光分光をSPring8にて行った.異なる化学状態にある酸素および窒素のIs内殻準位から非占有状態への軟X線励起を選別することにより異なるサイトごとの価電子帯の電子状態を測定した.第一原理計算の結果とあわせて,界面の局所電子状態についての知見が初めて得られた.
(5)第一原理計算の枠組みで,電場を印可した状態下で,Si(001)表面にdi-σ吸着した炭化水素分子の吸着状態を理論的に研究した.1V/Åくらいまでの電場条件下では吸着構造や震度数に対する顕著な変化は生じないものの,分子由来の軌道のエネルギー準位と基板由来のそれとの間に電場の大きさや分子の吸着高さ・軌道の性質を反映した〜1V程度のシフトが生じることが明らかになった。
(6)シリコン表面に,サブμmオーダーの金属ワイヤなど人工構造を電子ビーム誘起表面反応で作製する装置を開発した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】15,800千円 (直接経費: 15,800千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】12650007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

変位電流 / トンネル電流 / 走査型トンネル顕微鏡 / フラットバンド / シリコン / キャリア濃度 / 空間電荷 / エネルギー準位 / エネルギー凖位

【研究成果の概要】

本研究では、申請者がこれまでに独自に開発してきたトンネル電流と変位電流の同時分離計測手法を有機超薄膜に適用し、有機超薄膜/シリコン構造において空間電荷密度とエネルギー準位密度の同時計測を実現した。具体的には有機超薄膜材料は液晶ディスプレイの配向膜として用いられているポリイミドを用い、スピンコート法で熱酸化シリコン基板上に3nmの厚さの有機超薄膜を作製した。この試料を超高真空中でトンネル電流と変位電流の同時分離計測を行う装置に導入し、同時分離計測を行なった。トンネル電流と変位電流は、プローブ電極と試料の間に直流電圧を印加して、プローブ電極を試料に対して非接触で垂直方向に振動させ、トンネル電流と変位電流の位相が90°異なることを利用して、二位相ロックインアンプを用いて分離計測する。シリコン基板におけるトンネル電流と変位電流の同時分離計測における変位電流の電圧依存性からシリコンの局所的なキャリア濃度を測定する確立し、この手法を有機超薄膜試料に適用し、シリコン基板上に作製した有機超薄膜試料の変位電流の電圧依存性とトンネル電流の電圧依存性を同時測定することに成功した。分離測定したトンネル電流の電圧依存性から、有機超薄膜/シリコン構造におけるエネルギー準位密度を見積もった。また、変位電流の電圧依存性におけるシリコンのフラットバンド状態から、有機薄膜中の空間電荷密度を見積もることが可能であることを、解析結果を実験結果にフィッティングすることによりに示した。以上のように、本研究では、有機超薄膜/シリコン構造におけるエネルギー準位図に相当するエネルギー準位密度と空間電荷密度を同時に計測することに成功しており、研究期間内にほぼ計画通りの成果を達成できたと考えている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】3,800千円 (直接経費: 3,800千円)

【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】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】11450005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / ゲルマニウム / 分子線エピタオシー / 走査トンネル顕微鏡 / ステップ形状 / 表面歪み / ミスフィット / 分子線エピタキシー / Misfit転位 / MBE / STM / Si / Ge

【研究成果の概要】

研究期間中に、我々は特殊高温セルを用いるSi1-XGeX-MBE装置をSTMと接続し、これらを同一の除振台に乗せることで、MBEにおける成長表面を原子分解能で観察できる装置を作成した。MBEにおけるレート制御、組成制御性などの基本性能チェック後、実際にSi結晶基板にSi1-XGeX薄膜をエピ成長させ、その表面モフォロジーの変化の過程を原子分解能で詳細に観察した。観察は、表面ストレスの影響がステップ形状に直接反映されるSi(001)基板を中心に行った。この結果、Si(001)表面上でのSi1-XGex成長では、0.46nm程度の膜厚までは,膜厚と共に表面に点欠陥が導入され、その後これらは線状のdimer vacancy line(DVL)を形成すること、(DVL)間の間隔は膜厚と共に減少し、1.3nm程度でSi表面格子の8倍程度になること、DVLの出現と共にそれまで平坦だった表面は細かいテラスがあちこちで局所的に積み重なったラフ表面に変化すること、またこの時平坦な表面ではwavyであったSBステップが直線的になることを見出した。さらにSi(001)基板上に成長したSi1-XGeX表面上に再びSi薄膜を成長させると、表面のテラスサイズが大きくなり表面は平坦さを回復すること、ただしこの時DVLはかなりの膜厚まで残ることが明らかになった。
またこの研究に関連してSi(111),(001)表面上にAg等の金属薄膜を成長させる場合、基板表面上の原子点欠陥の存在により小さな島が高密度で核形成されることや、Si/Ge界面歪みによるミスフィット転位が、ヘキカイ表面上に特殊なステップ構造を作りその周囲では表面歪みの蓄積/開放により表面超構造が局所的に変化することなどがSTMを用いた研究から明らかになった。さらにこうした表面の局所歪みを伴う欠陥が表面2次元電子状態に与える影響を調べるため、結晶格子の反転対称性の破れに敏感な光第二高調波発生(SHG)における励起光波長依存性を測定する装置を立ち上げ、Si(111)7x7、√<3x>-Ag等の表面超周期構造に特徴的な電子状態間遷移がSHG強度の励起光波長依存性スペクトルにおけるピークとして捕らえられることを実証した。超高真空電子顕微鏡(TEM)を用いて関連する表面構造について構造解析も行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】11450019 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / イオン照射 / 表面改質 / 走査トンネル顕微鏡 / 半導体表面 / 欠陥 / アルゴンイオン / ナノ改質

【研究成果の概要】

1.イオン照射によるSi表面の改質効果解明の推進
高温超高真空STM/低速イオン銃複合装置を作製し、Arイオンを照射したSi表面をリアルタイムで高温STM観察し、1個のArイオンによって形成された表面改質サイトの形状変化を多数調べた。その結果、サイズの大きいイオン照射痕の多くは、熱処理によって表面のダイマー列に沿った辺を持つ正六角形に整形されることなどが明らかになった。イオン照射欠陥回復過程の基板温度依存性、入射イオンエネルギー依存性について調査し、温度が高いほど、低照射エネルギーであるほど、一旦拡大する欠陥がより多くなることが判明した。また、昨年度導入したE×Bセパレータにより、Si表面へ一価の酸素イオン(O^+)のみを抽出して高温STM観察することに成功した。この結果、活性な酸素イオンの照射時においても、Si表面を原子レベルで観察し続けられることを確認した。今後は、ドーパントイオン照射による表面改質過程についても視野に入れ、引き続き研究を続ける。
2.Si表面へのイオン照射過程のシミュレーション技術の構築
STMによって得られたイオン照射欠陥の挙動を定量的に解釈するためには、バルク中の原子や空孔の挙動の理解が不可欠である。このため、Ar, Si, Oの3元素が扱えるポテンシャルを開発し、イオン照射後の欠陥の挙動やSiO_2/Si界面構造形成の動的過程のシミュレーションを行った。また、分子動力学計算では扱いきれない長時間に及ぶ欠陥の挙動をシミュレートするために、モンテカルロ法によるシミュレータの開発も行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】14,400千円 (直接経費: 14,400千円)

【研究分野】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】11874045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン / ゲルマニウム / C60分子 / 走査トンネル顕微鏡 / ステップ形状 / Misfit単位 / MBE / STM / Si / Ge

【研究成果の概要】

Si基板上のSi_1-xGex薄膜のエピタキシャル成長では、SiとGe間のMisfitにより転位が規則正しく配列する。本研究は、こうしたMisfit転位網に沿ってC60分子を表面に直線ネットワーク状に配列させることを目的としたものであった。
我々は特殊高温セルを用いるSi_1-xGex-MBE装置をSTMと接続し、実際にSi結晶基板にSi_1-xGex薄膜をエピ成長させ、その表面モフォロジーの変化の過程を原子分解能で詳細に観察した。当初の研究計画では数10nmを超えたSi_1-xGex膜厚において現れるMisfit転位網をC60分子配列のテンプレートとして使用する予定であったが、研究の過程において、数nmの膜厚において成長表面に現れるdimer vacancy line(DVL)の方がテンプレートとしてより適しているとの判断にいたった。DVLはSi(001)表面における表面dimerの幅に量子化された欠陥であり、適当な成長膜厚、およびSi/Ge組成比では表面に直線性良く現れる。このため研究期間中には成長条件を細かく振ることにより、DVL形成過程を詳細に観察した。この後STM-MBE内でSi,Geソースや表面を汚染することなくC60分子を表面に蒸着できる小型セルを作成し、これを用いてDVLが現れる表面へのC60分子蒸着を行い、C60のDVLへの選択的な配列は基板温度に敏感であることを観察した。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)

【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】機能・物性・材料

【研究領域課題番号】05554019 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光励起選択エピタキシ- / 電子刺激脱離 / 反射型赤外吸収分光 / 走査トンネル顕微鏡 / 固体表面 / 表面反応 / シリコン / 有機金属化合物 / 光励起選択エピタキシー / 角度分解刺激脱離イオン分光法 / 反射型赤外吸収分光法 / 飛行時間フーリエ変換型イオン分光器 / 表面吸着線

【研究成果の概要】

本申請者らは飛行時間フーリエ変換型イオン分光器という超高効率検出器を開発し、新しい表面吸着種解析法である角度分解刺激脱離イオン分光法(AR-SDIS)を開拓した。本研究は、このAR-SDISを、表面吸着種の振動スペクトルを超高感度・高分解能に測定しうる反射型赤外吸収分光法(RAIRS)と複合化することにより、表面吸着種の配向、エネルギー状態・吸着サイト・吸着構造などにかんする包括的な情報をうるための測定手法を開発することを目的とした。
市販のフーリエ変換赤外分光器を改造して反射型赤外吸収分光器を製作し、超高真空から常圧までの広い圧力範囲にわたって反応ガスを取り扱うことができる反応セルを反射型赤外吸収分光器に接続した。これにより、実際の工業プロセスに近い条件で光励起選択エピタキシ-を進行させ、光化学反応中の表面状態をin-situの条件で観察できる環境を実現した。
連続電子ビームによる角度分解観察モードの他にパルス電子を用いた観察と脱離イオンの飛行時間測定が可能な飛行時間フーリエ変換型イオン分光器を製作した。励起電子線をパルス化することにより、試料を高温に保ちつつ試料表面で起きる化学反応を20msの時間分解能で観察することができる。これにより、従来困難であった化学反応が進行する際の吸着分子の配向変化、反応中間体の検出などが可能になると期待できる。
さらに、光励起選択エピタキシ-に関する基礎研究として、Si(111)-(7×7)表面に吸着したトリメチルガリウム(TMG)・トリエチルガリウム(TEG)分子の光分解過程を、超高真空走査トンネル顕微鏡(UHV-STM)をもちいて観察した。熱あるいは紫外光の照射によりTMG・TEG分子が分解していく過程を分子レベルの分解能で初めてとらえることができた。また、STMによる吸着有機分子のナノ加工にも成功した。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】9,500千円 (直接経費: 9,500千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】04650596 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査型トンネル顕微鏡 / 走査型トンネル分光法 / Si(シリコン) / Ge(ゲルマニウム) / ダイマー / エピタキシャル成長 / シリコン / ゲルマニウム / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

Si(001)面に蒸着した少量のSi、またはGe原子の配列と電子状態をSTM/STSで捉えた。蒸着Si、Ge原子は(001)面上でダイマー列に沿った方向に優先的に2次元成長する。ダイマー列終端部の原子配列に注目し、Si、Geの成長機構を検討した。基板温度300℃で成長させると、ダイマー列終端部の列の延長線上で、1ダイマー分だけ離れた下地ダイマー列上にダイマーが配置され、また、もう1ダイマー分だけ離れた下地ダイマー列上に1原子が配置される場合があることをSTM観察から見い出した。ダイマー列終端部は、基板ダイマー列方向に沿って拡散してきた原子を捕獲するが、必ずしもダイマーが連続的に配置されず、拡散原子は、ダイマー列延長線上の下地ダイマー列上で安定構造を取り得る。この配置のダイマーは、連続的に配置したダイマーと異なり、占有状態のSTM像で2原子が分離して観察される。この領域のスペクトルは、エネルギーギャップの増加と空状態密度の増加を示した。占有状態のダイマー結合軌道から変化して、列終端部での原子位置変化がsp^3混成度を減少させたことが示唆される。
Si-Ge混晶系で注目されている自然規則合金相の形成機構を解明するために、同一表面上のSiとGe原子をSTM/STSで識別できるかどうか検討した。STM/STSは、SiとGeのように電子構造が類似していると、種より配列に強く影響を受ける。そこで、深い準位のスペクトルに注目し、約-5Vまでの占有状態スペクトルを測定し、SiとGeの各々のスペクトルとの対応を調べた。Si(001)とGe(001)面のUPS測定では、SiとGe各々のダイマー結合よるE_F-3.0eVと-2.4eVのピークが現れる。Si(001)面上のGeダイマー上でこれらのピークに対応するトンネルスペクトルの減少と増加が観察された。この結果を基に、微傾斜Si(001)面上にGeをステップフロー成長させ、テラス上ステップ端周辺(Ge堆積領域)にGeに対応するトンネルスペクトルの変化を確認し、原子識別の可能性を示した。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】固体物性

【研究領域課題番号】62540251 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トンネル分光法 / フェルミ面 / 異方性 / 1TーTaS_2 / CDWギャップ / トンネリングスペクトロスコピ- / フェルミ面の異方性 / 1T-TaS_2 / シリコン / トンネリングスペクトロスコピー / STM / グラファイト / 1T-TaS^2 / トンネル分光 / 3階微分特性 / 酸化物高温超伝導体 / 層状構造物質

【研究成果の概要】

本研究は、結晶のフェルミ面の異方性を観測する手段として、角度分解型トンネル分光法を提案した。そして、この方法を用いて。層状構造物質1TーTaS_2のフェルミ面にできた電荷密度波(CDW)によるエネルギ-ギャップの異方性を観測することに成功した。
二つの結晶の平坦な劈開面を、一定の間隔dで平行に配置し、両者間にバイアス電圧を印加するときに流れるトンネル電流は、結晶の格子定数aがdに比べてa<dの場合は、両結晶のブロッホ状態間のトンネリングとなる。この場合、始状態と終状態はkベクトルで指定され、直接トンネリングにおいて、kベクトルの横成分は保存される。2次元性の強い物質では、フェルミ面は2次元面に垂直な向きのチュ-ブ状の形状をもつので、2次元面を用いたトンネル接合の低バイアス・トンネリングは、両物質の平行なチュ-ブ状フェルミ面の交線で生じる。それゆえ、2つの結晶をトンネル接合面内で回転させると、両物質のフェルミ面が相対的に回転し、交線の位置が移動するので、トンネル電流にフェルミ面の異方性が反映されることになる。以上の諸性質を、層状構造物質2HーTaS_2に対する計算機シミュレ-ションによって明らかにした。
実験的には、1TーTaS_2のフェルミ面にできるNearlyーCommensurate CDWギャップの異方性を室温で観測することに成功した。このことより、フェルミ面がk空間の狭い領域に限られている既知の物質を、プロ-ブ物質として接合面の一方の物質に用いれば、もう一方の物質のフェルミ面の異方性に関する情報を得ることができることが示された。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1987 - 1989

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)