2016 Fiscal Year Annual Research Report
遷移金属ダイカルコゲナイド原子層のナノスケール伝導解析と新奇機能探索
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16J05238
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
茂木 裕幸 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 遷移金属ダイカルコゲナイド / 多探針STM / 光物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)系材料のデバイス化へ向けた基礎研究である。本年度の計画は構造制御のための成長過程の解明、そして薄膜試料測定へ向けた多探針STMシステムの最適化であった。
まず、成長過程考察について述べる。Mo1-xWxS2合金の単層材料において三角形状の結晶中心から角にわたって幅5nm程の一次元的な純粋なMoS2領域が形成されることを発見し、密度汎関数計算による相対エネルギー値の比較により形成過程の考察を行った。この結果はTMDC系材料で量子構造を作りこむための第一歩となることが期待される。成果は、日本応用物理学会誌へ投稿し掲載が決定している。現在英文校閲を行っている。
次に、多探針走査トンネル顕微鏡(STM)システムの最適化について述べる。まず、現状の問題点を把握するために多探針STMとポンプ・プローブ光学系を組み合わせ、単層～複数層のMoS2に対して時間分解測定を行った。測定シグナルを得ることができたが以下の問題が見つかった。1)探針接触による試料破壊, 2)走査電子顕微鏡(SEM)観察による試料への表面汚染・ダメージ 3)入射位置が試料から遠いことによるレーザー収束点の広がりである。
対策として、1)については探針を導電性AFMのカンチレバーへ変更し対応した。2)についてはナノスケールの表面を観察する上で優先すべき対策課題であったため、指導教官の援助の下、SEMを光学顕微鏡へ置き換えることを検討し、そのための超高真空チャンバーの設計を(株)北野精機と共同で行い、問題なく機能することを確認した。光学顕微鏡を探針近くに配置できたことにより、レーザーを顕微鏡レンズを通して入射できるため、収束径を1μm程度まで到達させることができ、3)の対策も兼ねることができた。
以上により、多探針STMと光学系を組み合わせる基盤が完成しつつある。
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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
本年度の計画であった「構造制御のための成長過程の解明」については、Mo1-xWxS2結晶中のMoS2からなる一次元構造に関し、成長に関する議論を交えて論文執筆を行い、受理まで至ることができたため順調な進展であるといえる。
また、「多探針STMシステムの最適化」については、SEMを光学顕微鏡へ置き換えるという大きな変更を本年度で行うことができた。現在、試運転も兼ねて測定を行っているが、大きな問題は発生しておらず順調に成果を出すであろうことが期待される。しかし、多探針STMの特徴である局所的な電気伝導測定を行うためには、電子回路等の測定システムの改善が必要であり、現在行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
多探針STM により非破壊で局所的な電気伝導を測定する上で、トンネル接合を介してSTM 探針直下の電位を測定する走査トンネルポテンショメトリ(STP)法の完成は不可欠である。これまでに、金属的な特性を示す材料でのSTP 法は完成しているが、MoS2 のように半導体的な特性を示す試料へは未だ応用できていない。このためにバンド端の応答を高精度に測定することが必要となるが、その実現のためにはプリアンプの広帯域化・高精度化、そしてデジタル回路の設計が必要となる。以上のシステム設計へ向けて研究を行ってゆく。このシステムが完成すれば局所領域における電気伝導の時間分解測定等が可能となり、世界へ大きなインパクトを与えることができると予想される。
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