【研究領域課題番号】19H02560 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノグラフェン / ミセル型カプセル / 電極界面 / 金属フタロシアニン / 走査型トンネル顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 分子コンテナ / ポルフィリン / 組織化 / 薄膜化 / ナノリアクター / EC-STM / 酸素還元反応 / 分子集積化 / ２次元組織化 / 分子コンテナ法 / ナノ構造形成

【研究成果の概要】

水に不溶なナノグラフェン類を水溶性のミセル型カプセルに内包し，内包されたナノグラフェン類を金やグラファイト表面へ輸送する方法論を確立した。具体的には，トライアングル状のC96H30, 三ツ葉状のC150H42をはじめ，ヘキサゴンのC222H42の分子像の解像，さらにオバレン単分子膜の電気化学界面での構造変化とその空隙へのチオール分子の一分子孤立化について，ナノスケール可視化に成功した。疎水性分子の吸着と組織化に関する成果に加え金属錯体分子にも展開し，特に鉄フタロシアニン内包カプセル分子が酸素還元反応を促進する「ナノリアクター」としての機能が発現することを見出した。

【研究の社会的意義】

これまで機能性を有するパイ電子化合物（特に疎水性が高い多環系化合物）の多くは水溶液中はおろか有機溶媒への極めて低い溶解性から溶液中における分子自体の電気化学特性はじめ種々の基礎物性についてはほぼ未解明であったが，本研究で確立した手法によって未解明な化合物の物性を理解できるようになった点は大変意義深く，また水溶化できたことで自然環境に必ずしも良い影響を及ぼさない有機溶媒の使用を削減するとともに，実験者の健康上の安全性（負荷低減）にも繋がった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】22760028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

原子間力顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡

【研究成果の概要】

・原子間力顕微鏡,(AFM)で原子分解能を得るには、カンチレバーを共振周波数で振動させる周波数変調法が使われる。本研究では、カンチレバーを小さい振幅で振動させるほど、空間分解能と相互作用力測定のS/N比が向上することを理論計算で明らかにした。AFMを小振幅で動作させるためには、バネ定数が大きいカンチレバーを使う必要があるが、水晶カンチレバーをピエゾ電気で検出する従来の方式では、感度があまり上がらないことが知られている。そこで、水晶カンチレバーと光干渉方式変位検出型を組み合わせたAFMを開発し、実際に小振幅動作が可能であることを確かめた。これにより、原子分解能の像の取得に加えて、フォーススペクトロスコピーが高感度に行えることを実証した。
・Pb/si(111)-(7x7)表面上のSi原子と置換原子であるPb原子の上でトンネル電流と相互作用力の同時測定を行った。実験には、金属コートされたSiカンチレバーを使用し、室温での熱ドリフトを補償して精密な実験を行った。その結果、Si,Pb両方の原子共に、トンネル電流と相互作用力が探針-試料間距離に対して指数関数的に増大することが明らかになった。また、トンネル電流と相互作用力の距離依存性の関係であるが、距離範囲によって依存性が変化し、過去の理論で予想されるよりも複雑なものとなった。一方、理論計算では、トンネル電流と相互作用力はほぼ、同じ減衰距離を持つ指数関数で書けることが分かった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】19310065 (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 / 表面・界面 / 静電ポテンシャル分布 / 走査プローブ顕微鏡 / 表面・界面物性 / 原子間力顕微鏡 / 一次元電子系 / 水晶振動子

【研究成果の概要】

走査プローブ顕微鏡におけるポテンシャル測定技術を精密化することによって、二次元電子系の存在する表面での遮蔽されたポテンシャルやフリーデル振動を観察することに成功した。また、ナノサイズ超伝導体における渦糸の実空間観察やその振る舞いのサイズ依存性について測定し、渦糸侵入の臨界磁場を数十ナノメートルの個々の超伝導体に対して測定することに成功し、さらに渦糸侵入に対する最少のサイズが存在することも見出している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】17101003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

原子間力顕微鏡 / 原子識別 / フォース・スペクトロスコピー / フォース・マッピング / 交換型水平原子操作 / 交換型垂直原子操作 / 原子埋め込み文字 / 走査型トンネル顕微鏡 / ハーフ・ユニット間原子移送 / Pb-Pbダイマー分子 / ペア(K)原子操作 / Si_4テトラマー / 局所的接触電位差(LCPD) / 国際研究者交流 / スペイン:チェコ:ドイツ / 水平原子操作 / スペイン:チェコ / 交換型原子操作 / スペイン:ドイツ / フォーススペクトロスコピー / スペイン / 走査プローブ顕微鏡 / ナノデバイス

【研究成果の概要】

原子間力顕微鏡(AFM)による交換型「水平」原子操作は、様々な混在半導体で起こることを明らかにした。また、室温水平原子操作は、探針先端原子と表面との相互作用で局所的に障壁高さが低くなり、方向性熱拡散が誘起されて確率的に起こる事を実験的・理論的に明らかにした。さらに、交換型単原子ペンのように探針先端原子を表面原子と交換して埋め込む交換型「垂直」原子操作現象を発見して、室温で原子埋め込み文字の高速構築に成功した。また、AFMを用いた力学的元素識別を行うには、個々の原子の共有結合力を比較すれば良い事を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2005 - 2009

【配分額】109,850千円 (直接経費: 84,500千円、間接経費: 25,350千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】13555088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属半導体界面 / 走査トンネル顕微鏡 / シリコン表面 / 界面準位 / 原子間力顕微鏡 / フェルミ準位ピニング / バリスティック電子放射顕微鏡

【研究成果の概要】

本年度実施計画の下記の3項目について以下の成果が得られている。
現有の超高真空STMシステムにBEEM機能を取り付け、その性能評価を進めている。BEEMに必要となる電極・電流導入端子・簡易マニピュレーターからなるユニットを作成し超高真空システムに取り付け、その動作を確認した。さらに制御系の開発・調整を進め、BEEM電流電圧特性やBEEM電流像を測定できるよう測定回路や制御用コンピュータの設定を行った。
本研究の目的のためには、界面準位密度の少ない金属半導体界面を作成することが必要である。空気中の酸素・水分量の極めて少ない環境を実現するグローブボックス内で、シリコンの化学処理を行うことにより、ピニングが無いとされる理想的な界面生成の条件をかなり絞ることができた。予定していたSiCについては、化学処理の条件を十分に絞ることができず、今後の課題である。
界面ピニング観察手法として界面トラップ準位によるポテンシャル検出を目指して、原子間力顕微鏡の力検出分解能を改善することを試み、ノイズの削減や探針形状制御などの工夫によりシリコン表面における単一原子間力検出の検出、及びそれによる高分解能AFM像観察に成功している。ポテンシャル分布測定も同時に試みており、十分に高い検出感度・位置分解能でポテンシャルプロファイルが観察できることを確認した。
金属半導体界面の基板として用いるシリコン基板表面構造の基底状態に関して、低温における走査トンネル顕微鏡による観察を行い、従来の測定で問題とされた試料温度に関して正確に測定することにより、その安定構造を決定することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】13,400千円 (直接経費: 13,400千円)

【研究分野】計測・制御工学

【研究領域課題番号】05452215 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

AFM / STM / 固体物理 / 原子間力顕微鏡 / 走査型力顕微鏡 / 表面物性 / ナノテクノロジー / 制御 / 顕微鏡

【研究成果の概要】

現在の走査型力顕微鏡は長さ200ミクロン程度のカンチレバ-の先端に走査用の探針を固定し,その探針を用いて試料表面の走査を行っている.探針に作用する力はカンチレバ-の変位として検出される.従来の走査型力顕微鏡では,カンチレバ-の変位を1軸の光てこやレーザー干渉針を用いて検出している.この方法では,カンチレバ-の変形を一意に検出することが出来ず,結果的に探針先端に作用する力をベクトルとして検出することや,探針先端の軌跡を知ることはできない.
本年度は,このような問題点を解決すべく,光てこ検出系を2軸有する走査型力顕微鏡を作成し、走査実験を行った.前年度の観察に加え.更に装置の改良を行った.その結果,原子オーダで探針先端の挙動を明らかにすことが可能となった。以下に得られた知見を列挙する。
(1)雲母を走査した場合,探針先端が離散的な吸着端の間をジグザグ状に移動することが原子レベルで直接観察された.ここで直接とは,多軸光てこ系でカンチレバ-の変位が求められるため、探針先端の座標が一意にリアルタイムで求められるということである.
(2)雲母をその表面の法線方向を軸として回転させた上で探針を走査した場合、探針は同じく離散的な吸着点の上をなぞる.但し,走査軸と結晶方位がなす角度によって得られる像は異なる.作製した装置によって,原子間力顕微鏡の結像原理が明らかにされた.
(3)光てこに用いるレーザ光のスポットをカンチレバ-の異なるところに照射し,それによる検出感度や,検出される信号の極性が変わることを示した.この実験結果は,今後カンチレバ-の運動を動的に捉える場合のレーザスポットのセッチングの重要性を明らかにした.
上記の研究生かは,日本応用物理学会誌,アメリカ物理学会誌にそれぞれ掲載されている.

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1995

【配分額】7,300千円 (直接経費: 7,300千円)