原子間力顕微鏡による単原子の力学的な元素識別

• Project/Area Number: 14J00689
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: The University of Tokyo (2015-2016); Osaka University (2014)
• Principal Investigator: 小野田 穣 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / 元素識別 / 電気陰性度 / シリコン / ゲルマニウム / 二酸化チタン / 共有結合 / 極性結合 / 酸化シリコン / 国際情報交換

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、原子間力顕微鏡(AFM)によって計測した最大化学結合エネルギーとPaulingの極性共有結合の式を組合わせ、原子スケールでの普遍的な元素識別法を確立することを提案していた。最終年度では、そのような普遍的な元素識別法の確立に成功するだけでなく、同手法によって原子スケールで個々の原子の電気陰性度を決定できることも見出した。

本手法の検証のため、Si表面にGe、Sn、Al、Oの単原子を蒸着し、これらの元素とSi探針との間の結合エネルギーを測定した。系統的に結合エネルギーを調べた結果、元素毎に固有の傾きと切片を持つ一次関係を得ることができた。Paulingの式によると、一次関係の傾きは化学結合の共有性を現しており、その値が元素固有であることから元素識別が可能であることが分かった。一方、切片は化学結合のイオン性と関連しており、電気陰性度を評価できることが示唆される。イオン性を解析した結果、本手法によって元素識別だけでなく、各元素の電気陰性度も決定できることが分かった。更に、より詳細な解析を行った結果、測定対象の原子が同じ元素であっても、その原子の周囲の化学環境が異なる場合、電気陰性度も変化することが判明した。電気陰性度は周期表上では元素毎に固有の値が与えられているが、原子が化学環境の影響を受ける場合は「グループ電気陰性度」と呼ばれており、原子スケールで評価したのは本研究が初である。

以上の結果から、本手法は様々な研究に応用できる。例えば触媒反応への応用として、まず初めに電気陰性度測定によって触媒表面や有機分子の化学活性度を評価する。その後、AFM観察によって化学反応を追跡し、反応によって生じた最終生成物の分子や原子を元素識別法によって明らかにすることも可能である。本研究課題の成果は原子スケールの化学や材料科学を基礎と応用の面から発展させていくと期待できる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ASCR(チェコ)
• [Int'l Joint Research] UCL(United Kingdom)
• [Journal Article] The Local electronic properties of individual Pt atoms adsorbed on TiO2(110) studied by Kelvin probe force microscopy and first-principles simulations (2017)
  • Author(s): A. Yurtsever, D. Fernandez-Torre, J. Onoda, M. Abe, S. Morita, Y. Sugimoto, and R. Perez
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 9 Issue: 18 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1039/c6nr07550a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electronegativity determination of individual surface atoms by atomic force microscopy (2017)
  • Author(s): J. Onoda, M. Ondracek, P. Jelinek, and Y. Sugimoto
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 151551-6
  • DOI: 10.1038/ncomms15155
  • NAID: 130007647589
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of Pb intercalation on the structural and electronic properties of epitaxial graphene on SiC (2016)
  • Author(s): A. Yurtsever, Jo Onoda, T. Iimori, K. Niki, T. Miyamachi, M. Abe, S. Mizuno, S. Tanaka, F. Komori, and Y. Sugimoto
  • Journal Title: Small Volume: 12 Issue: 29 Pages: 3956-3966
  • DOI: 10.1002/smll.201600666
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imaging the TiO2(011)-(2x1) Surface using Noncontact Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy (2016)
  • Author(s): A. Yurtsever, J. Onoda, M. Abe, C.L. Pang, Y. Sugimoto
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 120 Issue: 6 Pages: 3390-3395
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b11703
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 非接触原子間力顕微鏡によるSiとGe原子の識別 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、仁木康平、杉本宜昭
  • Journal Title: 表面科学 Volume: 37
  • NAID: 130005165553
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of Si and Ge atoms by atomic force microscopy (2015)
  • Author(s): J. Onoda, K. Niki, and Y. Sugimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 92 Issue: 15 Pages: 1553091-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.155309
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Pt atoms adsorbed on TiO2(110)-(1x1) studied with noncontact atomic force microscopy and first-principles simulations (2015)
  • Author(s): D. Fernandez-Torre, A. Yurtsever, J. Onoda, M. Abe, S. Morita, Y. Sugimoto, and R. Perez
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 91 Issue: 7 Pages: 0754011-8
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.075401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Initial and secondary oxidation products on the Si(111)-(7x7) surface identified by atomic force microscopy and first principles calculations (2014)
  • Author(s): J. Onoda, M. Ondracek, A. Yurtsever, P. Jelinek, and Y. Sugimoto
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 104 Issue: 13 Pages: 1331071-4
  • DOI: 10.1063/1.4870629
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Subsurface charge repulsion of adsorbed H-adatoms on TiO2(110) (2014)
  • Author(s): J. Onoda, C.L. Pang, A. Yurtsever, and Y. Sugimoto
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 118 Issue: 25 Pages: 13674-13679
  • DOI: 10.1021/jp503402w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] (2nx1) Reconstructions of TiO2(011) Revealed by Noncontact Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy (2014)
  • Author(s): C.L. Pang, A. Yurtsever, J. Onoda, Y. Sugimoto, and G. Thornton
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 118 Issue: 40 Pages: 23168-23174
  • DOI: 10.1021/jp507422s
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 原子間力顕微鏡による単原子の元素識別 (2017)
  • Author(s): 小野田穣、Martin Ondracek、Pavel Jelinek、杉本宜昭
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Al蒸着Si(111)-(7×7)上のフォーススぺクトロスコピー (2017)
  • Author(s): 宮嵜洋記、小野田穣、杉本宜昭
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Electronegativity of Individual Surface Atoms Determined by AFM (2016)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondracek, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical Identification of Individual Surface Atoms by AFM (2016)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondracek, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of TiO2(011)-(2×1) Surface by AFM and STM (2016)
  • Author(s): Jo Onoda, Ayhan Yurtsever, Masayuki Abe, Chi Lun Pang, and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: Hawaii (USA)
  • Year and Date: 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子間力顕微鏡による単一原子の電気陰性度の決定 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、Martin Ondracek、Pavel Jelinek、杉本宜昭
  • Organizer: 2016年真空・表面科学合同講演会（第36回表面科学学術講演会、第57回真空に関する連合講演会）
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] AFM/STMによるTiO2(011)表面の解析 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、Ayhan Yurtsever,、阿部真之、Chi Lun Pang、杉本宜昭
  • Organizer: 2016年真空・表面科学合同講演会（第36回表面科学学術講演会、第57回真空に関する連合講演会）
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] 非接触原子間力顕微鏡によるAlナノクラスターの研究 (2016)
  • Author(s): 宮嵜洋記、小野田穣、杉本宜昭
  • Organizer: 2016年真空・表面科学合同講演会（第36回表面科学学術講演会、第57回真空に関する連合講演会）
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-11-29
• [Presentation] 原子間力顕微鏡による単一原子の電気陰性度測定 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、Martin Ondracek、Pavel Jelinek、杉本宜昭
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] TiO2(011)-(2×1)表面のAFM/STMによる研究 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、Ayhan Yurtsever,、阿部真之、Chi Lun Pang、杉本宜昭
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 非接触原子間力顕微鏡によるAlナノクラスターの研究 (2016)
  • Author(s): 宮嵜洋記、小野田穣、杉本宜昭
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Electronegativity of Single Atoms Determined by Atomic Force Microscopy (2016)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondracek, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 20th International Vacuum Congress
  • Place of Presentation: Busan (South Korea)
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronegativity of Individual Surface Atoms Determined by AFM (2016)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondracek, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 19th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Nottingham (UK)
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TiO2(011)-(2×1) Surface Characterized by Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy (2016)
  • Author(s): Jo Onoda, Ayhan Yurtsever, Masayuki Abe, Chi Lun Pang, and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 19th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Nottingham (UK)
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非接触原子間力顕微鏡を用いたSiとGe原子の識別 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、仁木康平、杉本宜昭
  • Organizer: 春季 第63回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] TiO2(110)表面上の帯電領域のNC-AFM/KPFM観察 (2016)
  • Author(s): 小野田穣、Chi Lun Pang、Ayhan Yurtsever,、杉本宜昭
  • Organizer: 春季 第63回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Chemical Identification of Individual Surface Atoms by AFM (2016)
  • Author(s): 小野田穣、Martin Ondracek、Pavel Jelinek、杉本宜昭
  • Organizer: 分子研研究会 表面科学の最先端技術と分子科学（第7回真空・表面科学若手研究会）
  • Place of Presentation: 自然科学研究機構分子科学研究所明大寺キャンパス（愛知県名古屋市）
• [Presentation] SiGe混晶表面での非接触原子間力顕微鏡による元素識別 (2015)
  • Author(s): 小野田穣、仁木康平、杉本宜昭
  • Organizer: 2015年真空・表面科学合同公演会 第35回表面科学学術講演会 第56回真空に関する連合講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] NC-AFM/KPFMを用いたTiO2(110)表面上の帯電領域の観察 (2015)
  • Author(s): 小野田穣、Chi Lun Pang、Ayhan Yurtsever,、杉本宜昭
  • Organizer: 2015年真空・表面科学合同公演会 第35回表面科学学術講演会 第56回真空に関する連合
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] AFMによる原子レベル元素識別と分子構造イメージング (2015)
  • Author(s): 小野田穣
  • Organizer: 日本顕微鏡学会 様々な極微イメージング技術若手研究部会 第３回研究会「表面の様々な極微イメージング」
  • Place of Presentation: 志んぐ荘（兵庫県たつの市）
  • Year and Date: 2015-11-23
  • Invited
• [Presentation] Identification of Individual Si and Ge Atoms by AFM (2015)
  • Author(s): Jo Onoda, Kohei Niki and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 10th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices ‘15
  • Place of Presentation: くにびきメッセ（島根県松江市）
  • Year and Date: 2015-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いたGe/Si混在表面での元素識別 (2015)
  • Author(s): 小野田穣、仁木康平、杉本宜昭
  • Organizer: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] Chemical identification on the Si-Ge intermixed surfaces by AFM (2015)
  • Author(s): Jo Onoda, Kohei Niki and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 18th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Cassis (France)
  • Year and Date: 2015-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exclusion of H atoms at the subsurface charged regions of TiO2(110) (2015)
  • Author(s): Jo Onoda, Chi Lun Pang, Ayhan Yurtsever, and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 18th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Cassis (France)
  • Year and Date: 2015-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] (2n×1) Reconstructions of TiO2(011) Elucidated by AFM and STM (2015)
  • Author(s): Jo Onoda, Chi Lun Pang, Ayhan Yurtsever, Yoshiaki Sugimoto and Geoff Thornton
  • Organizer: NIMS Conference 2015
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-07-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical identification of Si and Ge atoms by AFM force spectroscopy (2015)
  • Author(s): Kohei Niki, Jo Onoda, and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: NIMS Conference 2015
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-07-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atomic Force Microscopy Study of Initial and Secondary Oxidation Stages of the Si(111)-(7×7) surface (2014)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondracek, Ayhan Yurtsever, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 22nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ （静岡県伊豆熱川）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-13
• [Presentation] Reconstructions of TiO2(011) Revealed by Noncontact Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy (2014)
  • Author(s): Jo Onoda, Chi Lun Pang, Ayhan Yurtsever, Yoshiaki Sugimoto and Geoff Thornton
  • Organizer: 22nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ （静岡県伊豆熱川）
  • Year and Date: 2014-12-11 – 2014-12-13
• [Presentation] 原子間力顕微鏡による酸素吸着Si(111)-(7×7)表面の研究 (2014)
  • Author(s): 小野田穣、Ondracek Martin、Yurtsever Ayhan、Jelinek Pavel、杉本宜昭
  • Organizer: 日本化学会 分子アーキテクトニクス研究会 第5回研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス シグマホール（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-26
• [Presentation] Non-contact atomic force microscopy study of initial and secondary oxidation products on the Si(111)-(7×7) surface (2014)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondaracek, Ayhan Yurtsever, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: The 7th International Symposium on Surface Science
  • Place of Presentation: くにびきメッセ（島根県松江市）
  • Year and Date: 2014-11-02 – 2014-11-06
• [Presentation] AFM study of initial and secondary oxidation products on the Si(111)-(7×7) surface (2014)
  • Author(s): Jo Onoda, Martin Ondarcek, Ayhan Yurtsever, Pavel Jelinek and Yoshiaki Sugimoto
  • Organizer: 17th International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [Remarks] 東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻物性・光科学講座単原子分子科学 杉本研究室ホームページ
  • URL: http://www.afm.k.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科電気電子情報工学専攻原子分子操作組立領域
  • URL: http://www.afm.eei.eng.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks] 原子一個が見える世界！！小野田穣
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=qbvfcyWjbAg
• [Remarks] 東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻物性・光科学講座単原子分子科学 杉本研究室ホームページ
  • URL: http://www.afm.k.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [Remarks] 原子一個が見える世界！！ 小野田穣
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=qbvfcyWjbAg
• [Remarks] 大阪大学大学院 工学研究科 電気電子情報工学専攻 原子分子操作組立領域
  • URL: http://www.afm.eei.eng.osaka-u.ac.jp/jp/index.html
• [Remarks] 東京大学大学院 新領域新創成科学研究科 物質系専攻 物性・光科学講座 単原子分子科学
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/materials/j/lab_txt2/01/sugimoto.html
• [Remarks] 原子一個が見える世界！！ 小野田 穣
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=qbvfcyWjbAg