【研究領域課題番号】19H04398 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ボロフェン / 陽電子回折 / 光電子分光 / 構造解析 / TRHEPD / STM

【研究成果の概要】

本研究は，2次元ディラック電子系を示す単元素単原子層ボロフェンについて，全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を用いた構造決定を行った。Ag単結晶上のχ3-ボロフェンの構造解析では、バックリングがない平坦なシート構造かつボロフェン特有の三角格子を持つ構造であると決定し、Ag基板とボロフェンシートの相互作用が弱いということを見出した。また、Al基板上のハニカムボロフェンの構造解析から先行研究で提案されている２種類の構造モデルの妥当性について検討した。基板との相互作用の弱い自立的な構造に近しいと結論した。また、ホウ化物およびその水素化ボロフェンにおけるボロフェン層の電子構造の研究を行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【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】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】21244048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / ゲルマニウム表面 / 電子状態 / 走査トンネル顕微鏡 / 光電子分光 / スピン分裂 / 電子励起

【研究成果の概要】

固体表面に局在した低次元電子状態を対象に、表面原子および電子状態の知識を基礎として、電子と原子の動き方を調べる研究を行った。新たに創製した1次元的なナノ構造をもつ表面系では、それらの電子状態分布と電子運動量の緩和時間に一軸性の異方性があることをみいだした。表面電子系が局所的にエネルギーを受け取り、そのエネルギーが表面原子系に移り、その振動を引き起こし、最終的に表面原子移動に至ることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)

【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】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】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】13440111 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高温超伝導 / オキシクロライド / 単結晶 / 高圧合成 / 放射光X線回折 / 光電子分光 / STM / μSR / アンダードープ

【研究成果の概要】

Ca_<2-x>Na_xCuO_2Cl_2は、劈開性に富み清浄なCuO_2面が得られる、絶縁体からアンダードープ組成の試料が得られる、斜方晶歪みやモジュレーションがない、という特徴を全て兼ね備える唯一の高温超伝導体で、角度分解光電子分光(ARPES)やSTMの対象として最適の物質である。高圧下のフラックス法でこの超伝導体の単結晶試料を育成し、ARPESとSTMの測定を行った。
x=0.1(T_C=13K)の試料のARPESデータには、シャドウバンドや大きな擬ギャップという絶縁体の名残が明確に残っていた。このことから、この系の金属化がLa_<2-x>Sr_xCuO_4の様なギャップ内状態の成長による物ではなく、ケミカルポテンシャルシフトによる物であることが示唆された。また、x=0.08と0.12の試料を用いたSTM測定では、約20Åの相関長を持つパッチ状、又は川状の模様が観察された。像のコントラストの濃淡に応じて状態密度も変化しており、金属相と絶縁体相への相分離が起こっていると考えられる。
合成時の圧力をこれまでの6GPaから最高10GPaにあげることで、オーバードープ組成の試料作成に成功した。また、磁場中で配行した粉末試料を用いてμSR測定を行った。母物質であるCa_2CuO_2Cl_2はT_N=250Kの反強磁性絶縁体であるが、ドーピングに伴ってT_Nは急激に減少し、x=0.01で消失した。これはLa_<2-x>Sr_xCuO_4のx=0.02の半分の濃度である。
さらに、金属絶縁体転移を起こすペロブスカイトPrNiO_3、強磁性強誘電体BiMnO_3等の結晶育成と物性研究を進めた。前者については放射光を用いた単結晶、粉末X線回折によって、金属絶縁体転移温度でNiの電荷不均化を伴う構造転移が起きていることを明らかにした。また、BiMnO_3に関連して、BiCoC_3、BiCrO_3、BiNiO_3の粉末試料作成と構造解析を行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】13,600千円 (直接経費: 13,600千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】12450021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコン表面 / 光電子分光 / 走査型トンネル顕微鏡 / プラチナ表面 / 表面拡散 / 吸着 / HREELS / ダイマー / Pt / ステップ表面 / 1,4シクロヘキサジエン / シクロヘキセン / 分子間相互作用 / コンフォメーション

【研究成果の概要】

1.Si(100)表面と有機分子との相互作用
1,4-シクロヘキサジエン,シクロヘキセン,トリフルオロイソプロパノールなど分子吸着状態を高分解能電子エネルギー損失分光(HREELS),高分解能内殻光電子分光,走査型トンネル顕微鏡STMを用いて詳細に調べた
2.Si(100)表面の非対称ダイマーの反応性について
(1)高分解能内殻光電子分光を用いてSi(100)表面のSi2Pレベルを測定し,30Kにいたるまでダイマーは非対称であることを分光学的に実証した.
(2)c型欠陥のモデルの提案:Si(100)(2×1)表面のSTM像で長年論争となっていたc型欠陥について決定的な次のようなモデルを提出した.
(3)ルイス酸・ルイス塩基分子の吸着:BF_3分子とSi(100)表面との相互作用を高分解能Si2p光電子分光,価電子帯光電子分光,STMを用いて調べた.BF_3分子はSi(100)表面でSi-BF_2とSi-Fに解離吸着するが,どちらの吸着種も上部ダイマー原子に優先的に吸着していることがわかった.ルイス塩基的なCOやトリメチルアミン分子は,下部ダイマー原子に選択的に吸着することが低温STMや高分解能内殻光電子分光で明らかになった.
3.遷移金属ステップ表面における分子の吸着状態
金属表面のステップはテラスサイトと比較して一般的に反応性が高く,分子で選択的に修飾することが可能である.これにより,1次元的な分子列を形成することが可能となる.本研究では,Pt(997)表面にCOやNO分子を吸着させテラスおよびステップサイトへの吸着状態,特に温度依存性(11K〜300K)について詳細に調べ,吸着時における過渡的拡散を初めて定量的に見積もることに成功した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】15,100千円 (直接経費: 15,100千円)

【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】11740169 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 表面 / 走査トンネル顕微鏡 / 光電子分光 / Ag / Ge

【研究成果の概要】

本研究は、極低温において超伝導を示すといわれるAg/Ge(100)表面について光電子分光及び極低温STM/STS測定を行い、表面にのみ存在する超伝導の表面構造と電子状態との相関を明らかにしようとするものである。平成12年度には以下のことを行った。まず、Ag島の電子状態を知るために、高エネルギー加速器研究機構・放射光研究施設の共同利用実験(PAC No.99G153)として、Ge3dおよびAg4dの表面内殻準位シフトと価電子帯の角度分解光電子分光測定を、蒸着温度と蒸着量で決まるいくつかの表面構造の試料について行った。この結果、Ag島、特に2次元的な島は下地Geと強く相互作用してGe清浄表面の表面準位をなくし、代りに新たないくつかの状態を作っている様子や、3次元的な島では既にAgがバルク的な振る舞いを見せることが分かった。これらはこれまでのSTM観察と矛盾しない結果である。またAg島の成長のメカニズムを知るため、室温STM観察を高空間分解能で行い、Agの初期吸着サイトの候補をいくつかに絞ることができた。第一原理計算による安定構造・STM像のシミュレーションにも協力し、実験結果と比較することでいくつかの知見が得られた。さらに、極低温でのSTM/STS観察を高分解能で行うため、新たに導入された極低温STM装置の立ち上げを行い、光電子分光実験で用いたものと同様の試料について、すでに測定にとりかかっている。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)