【研究領域課題番号】20H02717 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査型プローブ顕微鏡 / フォトクロミック分子 / 単分子反応 / 光反応 / プラズモン効果 / 走査型トンネル顕微鏡 / 光異性化反応

【研究成果の概要】

金属基板にフォトクロミック分子の一種であるジアリールエテンを規則正しく配列させ、個々の分子の光異性化反応を制御できるか検証するのが本研究の目的である。ジアリールエテンは２つの異性体の熱安定性が高く、一部の金属基板上では均一単分子膜の形成が可能であることが示されている。本研究では、走査型プローブ顕微鏡のプローブ探針と金属基板が作り出すナノギャップに分子を位置させることでプラズモン効果により反応効率を高めオン－オフ制御を実現し、プローブ顕微鏡の種々の分光により２つの異性体の状態判別法を確立することを目指している。
初年度は、銅基板上で形成される均一単分子膜に光を照射し、どのような変化が現れるかの検証を中心に研究を進めた。この分子膜では閉環体という異性化状態にある分子とナトリウムイオンが交互に並ぶことで列を形成する。分子のみを吸着した場合には列構造は現れない。分子双極子と陽イオンの相互作用が鍵である。まず、可視光を照射した場合について調査した。溶液中や結晶のジアリールエテンは閉環体に可視光を照射すると開環体へ反応するため、反応が起こることを予測した。しかし、十数時間照射しても、何も変化が起こらなかった。一方で、紫外光を照射すると走査型トンネル顕微鏡(STM)像において、単分子膜内の分子が一部変化した様子が見られた。この変化がもし光異性化反応、つまり開環体への反応である場合、分子－基板間相互作用によりポテンシャルランドスケープが大きく変化したことを示唆するものである。または、この変化は単に分子の吸着構造の変化や分解反応が起きた可能性も排除できない。
並行して、銀基板上にジアリールエテン分子を蒸着させた場合の観察を実施するため、銀表面の清浄化と分子蒸着セルの作製および蒸着条件の最適化を実施した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16K04956 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査トンネルポテンショメトリ / 表面状態伝導 / 表面電気伝導 / 表面電位測定 / 走査プローブ顕微鏡 / STP / STM / SPM / 走査トンネルポテンショメトリー / 表面電位分布 / 低温STM

【研究成果の概要】

現有の低温動作型のSTM（走査トンネル顕微鏡）に我々がこれまでに確立したSTP(走査トンネルポテンショメトリ)手法を導入し、その低温測定を行う上で必要となる技術・装置の開発を行った。その性能評価として、絶縁体基板である酸化膜被覆シリコン基板上に金薄膜を作成し、それを10Kで低温STP測定を試みたところ、表面平行方法に流した電流方向に対応した電位像を取得することができた。これは、我々が立ち上げた低温STPが正しく動作していることを示している。更に、その金薄膜を用いて、20～80K程度の温度範囲でSTP測定を行うことにも成功した。

【研究の社会的意義】

表面の電気伝導は、物理的にもデバイス応用の観点からも重要であるが、技術的な難しさのために測定の優先順位が下がりがちである。本研究では、表面電気伝導をナノスケールの空間分解能・マイクロボルトレベルという非常に高い電位分解能で可視化できることが知られている走査トンネルポテンショメトリ(STP)という顕微鏡を開発し、その動作環境を低温下まで拡張し、さらに、T=20-80K程度の温度範囲でも測定することに成功した。
この手法は、低温下で、表面電気伝導の温度依存性を実空間でマッピングできるので、原子欠陥・表面ステップといった局所的な電気伝導特性のメカニズムを探る手段として大いに期待できる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16H02109 (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 / スピン偏極走査トンネル顕微鏡 / ポテンショメトリ / 強磁性共鳴 / スピン波 / スピン偏極 / スピン流 / スピン偏極トンネル顕微鏡 / 走査プローブ顕微鏡

【研究成果の概要】

スピン偏極走査トンネル顕微鏡および探針磁化制御技術を確立し、原子レベルの空間分解能でのスピン分析が可能にし、さらに超高真空かつ低温下で動作する走査トンネルポテンショメトリの開発および動作確認を行い、表面構造に起因する欠陥構造に対する電気抵抗を実測することができた。また、超高真空低温STM装置内にマイクロ波を導入し、照射の有無によって磁気コントラストが変化する様子を捉えることにも成功し、強磁性共鳴を局所検出の可能性を示唆する結果を得ることができた。

【研究の社会的意義】

原子一つ一つのスピン・磁化情報や、表面での単一の欠陥構造に起因する電気抵抗を微視的に検出することはこれまでに無い技術であり、その観測は学術的意義が高いと言える。また本研究でその可能性が示唆されたナノサイズ磁性アイランド構造における強磁性共鳴の検出も、その磁気的なダイナミクスを明らかにする上で重要であり、これまでのスピン偏極走査トンネル顕微鏡による静的なスピン・磁化情報と合わせて、強力な磁気分析ツールとなりうる可能性を秘めている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)

【研究分野】分析化学

【研究領域課題番号】16K14018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子探針 / 走査型トンネル顕微鏡 / 単分子接合 / グルコース / 超分子化学 / 分子認識 / 走査トンネル顕微鏡 / 走査プローブ顕微鏡 / バイオ関連機器

【研究成果の概要】

本研究では，分子探針を用いた走査型トンネル顕微鏡（STM）に立脚し，グルコースの単分子検出法を開発した．極めて簡便な単分子接合の電気伝導度の計測のみにより検出を行う．これにより，迅速な電気計測に基づく超高感度なグルコースセンシング技術の開発を目指した．本技術は単分子の高感度を有するため，血液よりもグルコース濃度の著しく低い唾液等の漿液を試料とした血糖測定が可能となり，採血不要な非侵襲血糖測定が実現できる．また検出は簡便な電気計測に基づいており，測定装置の小型化，低コスト化が容易である．以上により，糖尿病患者の身体的，および経済的負担が大幅に軽減されQOLの向上につながる．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】15H05423 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エバネッセント波 / テラヘルツ波 / 極低温 / 量子井戸 / 熱雑音 / ショット雑音 / 近接場顕微鏡 / パッシブ計測 / 非平衡現象 / 走査プローブ顕微鏡 / テラヘルツ/赤外材料・素子 / 近接場光 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面物性

【研究成果の概要】

本研究の目的は，表面電子系が本質的な役割を果たす物質現象をより深く探るため， THz-SNOMの能力を飛躍的に発展させることにあった．そのため，単色のみ検出可能であったTHz検出器CSIPの多色化を進め，3色CSIPを実現した．また観察対象を極低温(4.2 K)まで拡張する極低温SNOM/STMを低温チャンバ内に設計・構築し，遠隔場画像の取得および低温AFM駆動を達成した．加えて，応用展開を見据えて常温試料からのナノサーモメトリー技術を確立した．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】24,180千円 (直接経費: 18,600千円、間接経費: 5,580千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】26246022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物表面 / 界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / ペロブスカイト / 二次元電子状態 / 超伝導 / 金属酸化物 / 表面 / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜 / 酸化物薄膜 / 表面科学 / 表面・界面物性 / 強相関エレクトロニクス / 強相関電子系 / 超薄膜 / 電気伝導 / 二次元電子 / 酸化物 / 表面・界面

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は、通常の半導体には見られない多彩な機能を示すことから、次世代エレクトロニクス材料として活発な研究が展開されている。近年、酸化物作製技術が急速に発展したことにより、原子レベルで急峻な界面を有する薄膜やヘテロ構造の作製が可能になり、新しい物性・機能が見出されている。このような酸化物薄膜やヘテロ構造が示す機能の探求・解明のためには、酸化物薄膜について、電子状態評価を原子レベル空間分解能で行うことが重要である。
そこで、我々は独自の走査トンネル顕微鏡-成膜装置複合システムを構築し、遷移金属酸化物薄膜表面・界面の原子構造と電子状態に関する研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】23686002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 酸化物 / 透明導電膜 / 走査トンネル顕微鏡 / エピタキシャル薄膜 / 超伝導 / 超薄膜 / 走査プローブ顕微鏡 / 太陽電池 / 環境材料 / 物性実験

【研究成果の概要】

d電子系透明導電体・材料設計指針の再構築
透明導電膜のメカニズムを原子スケールで理解するための土台作りと、新規透明導電体の探索を行った。前者に関しては、走査型トンネル顕微鏡を用いてSrTiO_3基板、および、酸化物薄膜の電子状態の評価を行った。そして、後者に関しては、我々が見いだしたLiTi2O4透明超伝導体について、そのメカニズムの検討を行った。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円)

【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】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】19340096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 量子渦糸 / 走査トンネル顕微鏡 / 渦糸クリープ / 超伝導量子渦糸 / 超薄膜 / 低温物性 / 渦糸ガラス / 渦糸物質 / 走査プローブ顕微鏡 / 超精密測定

【研究成果の概要】

極低温(0.16K)・高磁場(15T)ではたらく走査トンネル顕微鏡を開発、これを用いて、磁場4Tまで、温度0.4K、4.2Kにおいて第2種超伝導体YNi2B2Cの超伝導渦糸の磁場勾配を駆動力とする渦糸集団運動を可視化し、動画を作ることに成功した。渦糸格子の刃状転位が、渦糸束の大きさを決め、渦糸集団運動に重要な働きをしていることを、走査トンネル顕微鏡による実空間・実時間測定により初めて明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)

【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】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)