Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

単原子層 / 量子液体・固体 / 超低温物理 / STM / LEED / グラファイト / 量子流体・固体 / 低温物性 / 表面構造解析 / 走査トンネル分光 / 単原子膜 / グラフェン

グラファイト表面に吸着したヘリウム3（3He）とヘリウム4（4He）の1原子層目と2原子層目の量子状態相図を比熱測定から研究し、従来の理論予想を覆し、2次元3He が超低密度の液体に自己凝集すること、3He と4Heの2層目に１層目に対して整合な固体相が存在することを発見した。後者は、恐らく零点格子欠陥を含む新奇な量子固体と考えられる。
グラファイト表面に吸着したクリプトンの1層目整合固相の初めてのSTM観測に成功し、吸着サイトが炭素ハニカム格子の中心であることを特定した。また、希釈冷凍機温度で作動するLEED装置開発のための詳細設計を行った。

非晶質半導体 / アモルファスシリコン / AFM / STM / グラファイト / 核生成 / 水素プラズマ / プラズマCVD

本研究では、薄膜トランジスターや太陽電池デバイスに用いられている水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)薄膜の初期成長過程を、原子レベルでの評価が可能なX線光電子分光法(XPS)、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて解析し、表面反応の理解および制御を行った。
a-Si:H薄膜の作製において、シランガスを水素ガスで希釈し、グラファイト基板上の初期成長観察を行い、水素希釈率により初期成長モードが劇的に変化することを明らかにした。水素ラジカルにによるグラファイト基板表面でのピニングサイト(核形成サイト)の形成とa-Si:Hの核形成の競争反応というモデルにより初期成長を説明した。さらに、プラズマ発光分析によりピニングサイトの形成には水素ラジカルが関与することを示した。a-Si:H堆積前にグラファイト基板表面を水素プラズマで処理すれば、均一な被覆のa-Si:H薄膜を得ることが可能であることを予想し、その考えが正しいことを確認した。
以上の結果をもとに、プリカーサー(薄膜前駆体)のマイグレーションとピニングサイトの概念を組み合わせた表面反応モデルを構築した。さらにピニングサイトの存在を明らかにするため、水素プラズマ処理したグラファイト基板表面を超高真空STMを用いて観察し、3から7nmの電子状態の異なる領域が存在すること、処理時間の増加にともないその密度が増加することを確認した。
グラファイト基板上の成長は堆積初期より島状成長を行い、少なくとも50nm堆積した後も初期成長の影響が残るが、水素プラズマ処理した表面では、堆積初期より均一な被覆のa-Si:H薄膜が形成されている。これらの結果から、実際のデバイスにおいて電子活性な領域の成長モードを制御するためには、初期成長から制御する必要が有ることを指摘した。

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

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。

走査トンネル顕微鏡 / STM / 超高真空電子顕微鏡 / グラファイト / 表面構造 / STM型超高真空電子顕微鏡 / 表面再配列構造 / 表面局在構造解析

走査トンネル顕微鏡を透過型電子顕微鏡に組み合わせて表面構造の解析を行なう新しい手法の開発を試みた. われわれは, 超高真空・高分解能電子顕微鏡を開発し, 表面構造を原子レベルで明らかにしたり, 吸着の初期段階の動的過程の観察を行なってきた. この手法では, 表面の広い領域にわたって秩序構造や乱れた構造を見ることが可能である. 一方, 走査トンネル顕微鏡(STM)では, 表面の原子配列だけでなく, 電子状態までも見ることが可能であるのだが, 観察視野が狭い範囲に限られてしまう. そこで, 双方を組み合わせて互いに相捕的に用いることにより, 表面構造の解析が格段に進むことが期待される. 本研究では, 電子顕微鏡装置に組み込める形のSTM駆動機構を作って, その動作状態を調べ, 安定に動作するSTMの試作を行なった. 具体的には, 1)STMの探針をドライブするビエゾ素子を選択し, 2)ビエゾ素子ドライブを小型化するために, ずれ歪を利用した方式を採用し, 3)表面相転移の観察のため, 試料の加熱が出来る機構を組み込んだ. また, 4)探針の先端形状を電子顕微鏡観察して, STM観察に適当な探針の材料, 加工方法について, 検討を行なった.
その結果, 現在のところ, 黒鉛(グラファイト), モリブデナイト, PbSのへき開表面についてSTM観察を行い, 表面原子による凹凸像が得られる段階にまでなった. ビエゾ素子のドライブ範囲は最大 250Aである. 相転移など表面の動的過程の研究には, 速い走査速度のドライブが必要であるが, 現在のところ, 一画面を得るのに10秒以上かかる. この速さは, 国内の他のものと比べると決して遅くはないが, より速い速度が, 将来, 必要となろう.

【研究分担者】
松井朋裕	東京大学	大学院理学系研究科	助教	(Kakenデータベース)
戸田亮	東京大学	低温センター	技術職員	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
榎本博行	早稲田大学	理工学部	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
近藤行人	日本電子株式会社	EMG	研究員
原田嘉晏	日本電子株式会社	EMG	部長
谷城康真	東京工業大学	理学部	助手	(Kakenデータベース)