2016 Fiscal Year Research-status Report
菊池パターンによる表面層の歪および単原子層構造のその場測定
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16K04964
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
重田 諭吉 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 教授 (70106293)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
戸坂 亜希 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 助教 (20436166)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | RHEED / Surface Fine Structure / Kikuchi Pattern |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、表面歪のその場測定として菊池パターンを用いる新たな測定手法の確立を目的として実施された。平成28年度は、複数の菊池線および菊池エンベロープにより形成される図形の対称性・歪みから表面の異方性歪みの測定が出来ることを立証するために、GaN(0001)を例に実験を行い、その成果を国際会議で発表した。また、菊池パターンの動力学的計算による再現をSi(111)面に対して行い、精度の良いシミュレーションが出来ることを見出した。
結晶表面では、片側が真空に接しているため表面に掛る応力は、表面垂直方向と表面平行方向で異なる。したがって、格子の歪みも表面垂直方向と表面平行方向で異なり、等方性歪み出はなく異方性歪みと成ることが予想される。そこで、パワーデバイスの基盤として有望視されているGaN(0001)を例に、基盤形成時に問題となっている結晶面切り出し時における歪みの影響を測定した。これまでは、菊池線を利用していたが、より輝度の高い菊池エンベロープを対象に測定を行った。その結果、GaN表面をダイヤモンドによる機械研磨後にアルカリ液を用いた化学機械研磨で600μm研磨したものを2000μm研磨し歪みを取り除いたと考えられるものと比較すると、1%程度の表面並行方向に歪み導入されていることが分った
ただし、この菊池エンベロープを利用した場合には、回折における動力学的効果が現れるため、その効果を考慮する必要がある。そこで、表面構造の微細構造まで解明されているSi(111)7x7表面に対して、動力学的回折理論を取り入れた計算を行い、実験で得られる菊池パターンと比較した。その結果、実測と非常に良い一致を確認することが出来た。
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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
菊池パターンを再現する計算法として、動力学的回折理論により計算されたロッキングカーブを用いた。菊池パターンは、入射電子線が非弾性散乱により、様々な方向に散乱された電子線が、入射波として結晶の回折条件を満たす方向に回折されることで、連続的な線状（菊池線）や放物線状（菊池エンベロープ）に強い回折線として現れる現象である。一方、ロッキングカーブは、入射方位を決め、或る視射角で電子線が入射したときの鏡面反射波または或る特定の回折波の強度の視射角依存性を示すものである。一般的に、鏡面反射波が一番強いので、鏡面反射強度の視射角依存性のロッキングカーブを計算し、その方位角を少しずつ変えて計算すると菊池パターンの一部分を反映したパターンが得られる。菊池線や菊池エンベロープは、強い強度を示す指数のモノが観測対象となるため、鏡面反射点のロッキングカーブを用いた計算はかなり実際の観測パターンに近いものと成る。
実際に、Si(111)7x7表面に対する計算結果と測定結果を比較すると、菊池パターンの位置および菊池線が交差する位置の分散の様子など実験結果を非常に良く再現する計算結果が得られることが分った。また、菊池パターンの強度分布も概ね再現することが分った。一方、興味深い特徴として、表面の平均内部電位に大きく影響されること、そして、運動学的に計算される菊池線や菊池エンベロープの位置との関係を調べると、微妙にその位置がずれていることが分った。
後者はバンド論と同様に、回折条件を満たすエネルギーがバンドギャップの中央のエネルギー位置であるのに対して、動力学的回折理論ではバンドギャップの幅を持ち、中央と一致しない場合に対応することで説明がつきます。一方、表面の平均ポテンシャルの影響は物理的に非常に面白く、特に、付加原子による表面長周期構造が形成される場合に、面白い現象が予想され、実験と計算を並行して進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
菊池エンベロープは、表面2次元格子の逆格子ロッドにエバルト球が接することで、表面に平行な回折波（表面波）が励起され、その回折波が結晶の外に出られないために、その分の強度が鏡面反射波に乗り移り、鏡面反射波が強くなる現象である。種々の方向の入射波を考えると、強調される表面反射の軌跡は放物線を描く（菊池エンベロープ）。この時、エバルト球の半径は結晶の平均内部電位（Uo）を考慮した電子線の波数であり、このUの値により菊池エンベロープの位置が上下する。
ここで、異種原子の吸着により表面超周期構造が形成されて表面を考える。この超周期機構の逆格子ロッドに対する表面波を考えた場合、励起される場所が表面層であるため、その波数は表面層の異原子による局所的な表面の平均内部電位（Us：局所表面ポテンシャル）に依存する。この影響を詳しく調べることで、この局所表面ポテンシャルの値および表面波が影響を受ける範囲など、高速電子線の結晶表における挙動が実験的に明らかに出来るものと考えられる。
来年度は、Si(111)表面に√3x√3構造を形成する元素として、Ag、B、Au等の元素があり、その原子ポテンシャルは大きく異なっていることから、菊池エンベロープの位置がそれぞれの√3x√3構造により異なることが予想される。この系を実験的およびシミュレーションとの比較により局所表面ポテンシャルの影響を解明する。また、表面超周期構造に対する菊池エンベロープは、将に、表面の第1層の構造に対する逆格子ロッドの情報を反映しているので、表面の微細構造の情報を得るために有効な手段と成ると言える。
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| Causes of Carryover |
当初計画していた支出項目の人件費・謝金およびその他の項目の支出が抑えられたため、10万円強の残高が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
残額の10万円強は、平成29年度の物品費として有効に使用したいと考えている。
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