2014 Fiscal Year Annual Research Report
スピン偏極ＳＴＭによる単一分子の磁気伝導特性の解明
| Project Area | Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function |
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| Project/Area Number |
25110011
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
山田 豊和 千葉大学, 融合科学研究科(研究院), 准教授 (10383548)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 走査プローブ顕微鏡 / ナノ材料 / 原子・分子物理 / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「スピン偏極ＳＴＭによる単一分子の磁気伝導特性の解明」を目指して、自作した３００Ｋと４Ｋの計３台の超高真空・スピン偏極ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）を用いて研究を進めてきている。
単一フタロシアニン(Pc)有機分子を絶縁膜、貴金属、磁性金属という異なる電極に吸着し、その電子状態を正確に測定することに成功した。これまで電極による分子の電子状態への影響は小さいと考えられてきたが、単一有機分子を介する伝導は、分子そのものよりも2つの電極／分子界面の効果がより支配的である事が分かった。さらに、磁性金属のFe(001)と単一Pc分子の間の電子結合を利用することで、温度を極低温から室温へ上昇させても熱拡散しない、室温でも安定な単一分子接合を作成できることを実証した。
単一分子を介する磁気伝導は、分子と磁性金属電極界面で発現するスピン偏極度ベクトルが起因である。解析を進めていく中で、この界面スピン偏極度ベクトルの定量的測定手法を求めた。その結果、磁性基板の磁区上の単一有機分子のスピン偏極度は、ひろく使用されている微分伝導dI/dVでは検出できないことが分かってきた。新たにトンネル確率関数で規格化する必要があることを見つけた。この手法を用いて初めて単一分子の定量的スピン検出が可能となる。
さらに、スピン偏極度はベクトルである。x , y, z成分を測定する必要がある。試料にx,y,z方向から磁場を印加する。その際、探針のスピンは外磁場応答してほしくない。そこで外字場応答しない反強磁性探針を開発し、そのスピン偏極度を求めた。現在、超電導コイルを自作しこれを新たな交流したクライオスタットに取り付け、磁場印加実験を開始する。世界初の、単一分子スピン偏極度ベクトルの定量的３次元測定を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
単一分子磁気接合「磁性基板／単一フタロシアニン分子／磁性探針」を、ＳＴＭを用いて実現し、このＳＴＭ接合を介する伝導測定中の磁気抵抗効果を確認し、その原因と考えられる、単一分子／磁性電極界面での新たなスピン偏極度ベクトルの測定を目指してきている。
これと並行して、ＳＴＭ単一分子接合の伝導に、１個の磁性原子が与える効果を厳密に調べる研究を進めてきている。貴金属基板上を低温に冷却する。これにメタルフリーの単一有機分子と単一磁性原子を吸着させる。その後、ＳＴＭ探針を用いて原子をマニピュレーションし、単一有機分子の上の任意の場所に乗せることに成功した。現在、分子の各位置で単一磁性原子の見せる電子状態の姿を計算と比較解析している。分子がスペーサーとなり鉄原子は非常に弱い結合となり、本来の１個の原子のもつｄ電子軌道を表していると考えられる。１個の原子が分子の上にのった場合、また原子が分子の隣においた場合で、ＳＴＭ接合の伝導にどのような効果を与えるのか慎重に探っている。
さらに、磁性基板上に吸着したメタルフリー単一有機分子では、ＳＴＭ測定中にパラメーターを変えることで、分子の水素原子が脱離し、同時に下地の基板より原子が分子内に挿入する現象をとらえた。一度分子内に入り結合した原子は抜けない。測定した分光測定の電子状態密度の結果は、理論計算によるメタル含んだ有機分子の電子状態とまったく同じ電子状態を示したことから、本当に基板の原子が分子内に挿入したのだと確証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、主として以下の２点を重点的に行っていく：（１）ＳＴＭ原子マニピュレーションを用いた新たな磁気接合の作製と伝導の関係解明、（２）自作超電導コイルによる単一分子の３次元スピン偏極度ベクトル測定。
原子マニピュレーションによる測定では、現在まで１個の磁性原子を１個の有機分子へのせる実験を行ってきた。今後、この分子に１個でなく２個３個と載せていく。すると分子上で、磁性原子同志の磁気的なやり取りが生じる。これにより分子を介する磁気伝導への影響を探りたい。
あらゆる磁性物性はフェルミ順位近傍でスピン偏極しており、厳密にはベクトルであるのだからｘ、ｙ、ｚ成分を持つ。３次元的な広がりをもつ。この測定を行いたい。これを実現するため、現在までに反強磁性探針の開発、また新たな取り付ける５個の超電導コイルの自作を行ってきた。本年度。コイルへ電流を流すための励磁電源を購入、実際にコイルへ電流を流し磁場印加のテスト、ＳＴＭ測定を行っていく。
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[Presentation] 300 K single molecular spin filter2014
Author(s)
T.K. Yamada, Y. Yamagishi, Y. Kitaoka, K. Nakamura
Organizer
2014 Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy (SP-STM 2014)
Place of Presentation
Sawmill Creek Resort, Ohio、ＵＳＡ
Year and Date
2014-07-16 – 2014-07-16
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