【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)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】12355003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

擬1次元系 / 4探針プローブ / カーボンナノチューブ / 走査電子顕微鏡 / 表面電気伝導 / シリコン / 表面超構造 / 表面電子バンド / 走査トンネル顕微鏡 / 4探針 / 4端子プローブ

【研究成果の概要】

(1)超高真空槽内で、走査電子顕微鏡で観察しながら4探針を独立駆動できる4探針走査トンネル顕微鏡を製作・完成させた。トンネル電流をモニターしながら4探針を同時に自動接近させてトンネル接触状態にすることが可能となった。これにより、表面原子配列を破壊することなく探針を試料表面に接触させて電気伝導を測定することができる。また、単原子高さのステップを明瞭に走査トンネル顕微鏡像中で観察できるようになった。それを用いて、4端子プローブ法による表面電気伝導の測定を行った。
(2)ローブ間隔依存性:4探針プローブの間隔を1mmから1μmまで変化させながら、Si(111)-7×7清浄表面とSi(111)-√3×√3-Ag表面について室温で電気抵抗を測定した。その結果、(a)プローブ間隔を短くすると、表面に対する感度が飛躍的に向上する。(b)7×7表面の場合、電気伝導は結晶内部までが関与する3次元的な性格を持つのに対し、√3×√3-Ag表面では、表面近傍だけの2次元的な性格を持つ。これは表面状態を通る伝導であることが定量的な解析から判明した。
(3)正方4端子プローブ法:4探針を正方形状に配置して試料表面上に接触させて伝導度を測定する「正方4端子法」を考案し、実際にSi(111)-4x1-In表面に適応した。この方法は、従来の「線形4端子法」と異なり、伝導度の異方性を測定することができる。実験の結果、4x1-In表面は、インジウム原子鎖に平行方向の伝導度(σ_<//>)がそれに直角方向の伝導度(σ_⊥)より70倍高いことが明らかとなった。バンド構造から計算される伝導によると、σ_<//>は1次元的な表面電子バンドにより、σ_⊥は下地基板の表面空間電荷層による伝導でほぼ説明できることがわかった。つまり、この表面状態は電気伝導の観点からも極めて1次元性が強い擬1次元電子系といえる。
(4)多層カーボンナノチューブ(MWCNT)1本を2探針で拾い上げて固定することにより、その伝導度を2探針法によって測定可能となった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】42,900千円 (直接経費: 40,200千円、間接経費: 2,700千円)