2017 Fiscal Year Research-status Report
低温走査トンネルポテンショメトリー法による非局所電気伝導の実空間観察
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16K04956
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
浜田 雅之 東京大学, 物性研究所, 技術専門職員 (00396920)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長谷川 幸雄 東京大学, 物性研究所, 准教授 (80252493)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 走査トンネルポテンショメトリー / 走査プローブ顕微鏡 / 表面電気伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
表面の電気伝導は、原子欠陥・表面ステップといった局所構造から影響を受けるが、低温では電子のコヒーレンス長が長くなるために、電子波の局在・閉じ込め効果など、局所構造間の相関が重要となる非局所現象が顕著となることが予想される。我々は、これまで、走査トンネルポテンショメトリー（ＳＴＰ）を開発し、ナノスケールの空間分解能での電位実空間測定を通じて個々の局所構造における電気伝導特性を明らかにしてきたが、同手法により低温下での非局所な電気伝導特性を直接的に測定した例は皆無である。
今年度は低温ＳＴＭに我々がこれまでに確立したＳＴＰ手法を導入し、その低温測定を行う上で必要となる技術・ノウハウの確立・装置の製作を行った。その評価として、絶縁体基板（酸化膜被覆シリコン基板）上に金薄膜を作成し、それを１０Kで低温STP測定を試みたところ、表面に流した電流方向に対応した電位像を取得することができた【低温STP測定に成功】。これは、我々が立ち上げたSTPのシステムが正しく動作していることを示している。さらに、電気的なノイズの低減を進め十分な精度の電位測定が可能となるように調整を行うつもりである。
今後は、目指している表面系の１つであるSi清浄表面上に異種原子を吸着することで作成される長周期構造を持つ表面系に、電流をロバストに流すためのマスク蒸着装置を製作する。そして、局所構造起因の電位分布のみならず、ナノスケールでの観察が期待される特異な量子的非局所電気伝導特性の視覚化およびその微視的スケールでの解明を目指す予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
我々がこれまでに確立した室温STP手法を現有の低温STMに導入し、その低温測定を行う上で必要となる技術・ノウハウの確立・装置の製作等を行った。その評価として、絶縁体基板（酸化膜被覆シリコン基板）上に金薄膜を作成し、それを10Kで低温STP測定を試みたところ、表面に流した電流方向に対応した電位像を取得することができた【低温STP測定に成功】。
しかし、表面に流した電流による発熱が予想以上に大きく、STM装置の冷却能力が不足しているせいか、10Kまで温度が上がってしまい、予定した液体ヘリウム温度T=4.2Kでの測定はできなかった。今後、クライオスタットの部分に何らかの工夫を施して、冷却能力を向上する必要があると考えている。
研究計画では、Si清浄表面上に異種原子を吸着することで作成される長周期構造を持つ表面系のSTP測定を試みる予定であったが、次の理由で遅延が発生している。それは、初年度に、現有の試料ホルダーは構造上、STP用の基板の取り付けが容易ではなく、かつ、基板固定用のボルトが温度サイクルで緩んだり、破損しやすいという欠陥があることが判明し、その設計を変更した。そのため、それに付随するマスク蒸着装置の設計変更・再製作が必要となったからである。そのマスク蒸着装置は、蒸着チャンバーの導入口の直径でサイズが制限されるので設計が簡単ではなく、当初考えていた機構では実現が難しいことが分かった。
現在、トランスファーロッドでネジを回すことによって、マスク蒸着装置の位置を調節できる機構を考案・設計しているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度中に完了できなかった超高真空中でのマスク蒸着装置の設計・製作を速やかに行う。そのマスクは以下に述べるようなコンセプトに基づいている。ＳＴＰ測定の信号強度を稼ぐには、電極間の距離を狭くして電位勾配を稼ぐ必要がある。そこで、目的の表面構造が得られた後に、Ta 電極の上から、Ag をマスク蒸着することによって、それぞれの電極を中央付近に伸ばして狭い間隔を持つ電極を作成し、電位勾配を増加する。このためには、超高真空中のマスクが基板に脱着が可能でなければならない。
そして、マスク蒸着装置が完成したらSi（１１１）７ｘ７表面の測定を行う。低温にすると基板・空間電荷層の伝導が抑えられるので、表面層だけの伝導が評価できるとされるので、曖昧さのない測定を行えると期待される。
次に、Si（１１１）７ｘ７表面上に異種元素を吸着させて得られる２次元電子系(Si(111)-√3x√3-Ag)の測定を試みる。一般的に表面には多数のステップが存在するが、その密度（間隔）は一様ではないため、全体としての電気伝導への寄与は、単純に個々の和とはならない。もし、その間隔がコヒーレンス長程度の場合は、ステップ間に電子が閉じ込められ、エネルギー準位はステップ間隔に依存した離散的な振舞を見せる。その離散エネルギー準位がフェルミエネルギーに一致するかどうかで表面電気伝導が変化し、共鳴トンネルダイオードのような振舞いを示すことが期待される。またそれだけではなく、個々の局所構造（例えば、原子欠陥・ステップといったその本来の構造や原子吸着や原子マニピュレーションの方法を用いて作成したポテンシャル障壁・散乱体）での局所電気伝導特性だけではなく、電子のコヒーレンスが高まることによって生じると期待される量子的な非局所電気伝導特性を実空間観察により解明することを目指す方針で研究を遂行していく。
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| Causes of Carryover |
今年度中に設計・製作する予定だったマスク蒸着装置の仕様に大きな変更が生じたので、設計を最初からやり直した。そのため、年度中に間に合わなかったので次年度にその加工のための予算を執行せざるを得ない状況になった。
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