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準結晶 / 正10角形準結晶 / 走査トンネル顕微鏡 / トンネル分光 / フェイゾン歪 / 相変態 / STM / STS / 正10角形相 / フェイゾン / 電子状態

本研究では、STM法およびSTS法を用いて準結晶の原子構造および電子状態を調べることを目的に以下の実験を行った。試料はチョコラルスキー法により作製したAl-Ni-Co系正10角形準結晶の単結晶を用い、超高真空(〜2.3×10^<-8>Pa)中でSTM観察およびトンネル分光測定を行った。STM観察では、i)原子配列の準周期秩序の完全性が高いこと、ii)2種類の準周期面が10_5らせん対称の関孫にあること、iii)10回軸方向の周期性が表面再構成により数種類存在すること、iv)フェイゾン欠陥の密度は極めて低いこと、が示された。特にiv)の結果は、フェイゾンをSTMで観察した世界初の例である。また、トンネル分光測定では、試料-探針間距離をかえて種々の条件でスペクトルを測定したところ、表面準位に対応する幾つかのピークが再現性よく観測された。これ以外に、上記iv)に関連して、準結晶中でのフェイゾン歪の緩和過程を高温高分解能電子顕微鏡その場観察法により調べた。試料は、Al-Co-Co-Si系正10角形準締晶とし、820℃で焼鈍することにより、一様なフェイゾン歪が入った構造を得た。850℃に昇温し、この温度でフェイゾン歪が緩和していく過程を観察した。まず、得られた像から一辺2nmのタイリング構造を抽出し、これを高次元射影法に基づいて解析してフェィゾン変位の位置依存性を表す関数を導出した。この関数の時間変化を解析することにより、緩和が、i)一様なフェイゾン歪が入った領域と歪をもたない領域の境界が移動することにより進行すること、ii)その際、フェイゾン歪の入った領域におけるフェイゾン変位は変化しないこと、iii)境界において常にタイリングがコヒーレントに接続すること、が明らかとなった。

準結晶 / 正10角形相 / 電子状態 / 走査トンネル顕微鏡 / 電子の局在 / 走査トンネル分光

1. Al-Pd-Fe およびAl-Co系の2種類の合金系について、溶融状態から徐冷することによって、格子定数が数ナノメートルの正10角形相の高次の近似結晶を作成した。その電気抵抗の異方性を測定したところ、c軸方向の電気抵抗が金属的にふるまうのみ対し、疑準結晶面内の電気抵抗は約一桁大きく温度依存性は極端に小さく、従来測定してきた何種類かの正10角形相準結晶の異方性と基本的に同じ結果が得られた。この結果は、藤原らによる近似結晶に関する理論的な研究結果とよく一致しており、フェルミレベル近くの電子が、(疑)10回対称面内ではc軸方向にのびたクラスターコラムに局在し分散の小さいバンドを形成して有効質量が非常に大きくなることがこの面内の電気伝導に反映していると結論される。
2. 溶融状態から徐冷することによって作成したAl-Co-Ni正10角形準結晶の単結晶を用いて、10回対称軸に垂直な面について走査トンネル顕微鏡(STM)観察を行なった。STM真空槽内に設置したアルゴンイオンスパッター装置により試料表面をスパッターしさらにアニールしたのち、バイアス電圧-0.1V、セット電流1nAでSTM像を得た。その結果、しばしば数nmの間隔の不規則なまだら模様の像が得られた。そのパターンは、藤原らが理論的に求めたフェルミレベル近くの電子の波動関数の振幅に関する空間分布と極めて類似しており、10回対称面内の電子の局在状態が直接観察されたものと考えられる。
以上のように、正10角形相準結晶に関するわれわれの実験結果は藤原らの理論研究の結果をよく再現しており、2次元準結晶における特異な電子状態が明らかにされた。

【研究分担者】
鈴木邦夫	東京大学	物性研究所	助手	(Kakenデータベース)
枝川圭一	東京大学	生産技術研究所	講師	(Kakenデータベース)
前田康二	東京大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)