2018 Fiscal Year Research-status Report
ミクロの原子/分子スイッチとマクロの電気伝導を繋ぐ原子スケールエレクトロニクス
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17K19052
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山崎 詩郎 東京工業大学, 理学院, 助教 (70456200)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 走査トンネル電位計 / 原子スイッチ / 電気伝導 / 分子 / 表面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
走査トンネル顕微鏡は、原子分解能像を得るのみならず、原子を一つ一つ動かす原子操作や原子スイッチが可能である。一方で、原子間力顕微鏡（AFM）により、単一分子の分子骨格が画像化されるなど進展が著しい。研究代表者は、4つのSi原子が傾いて結合したSi4原子スイッチを作製し、世界で初めてSTMのトンネル電流とAFMの化学結合力の両方で同時に原子スイッチさせることに成功した [論文Nano Letters]。他方で、走査トンネルポテンシオメトリー（STP）は試料にマクロな電流を流しながらナノスケールで電気伝導をマッピングできる手法である。本研究計画ではその方向性を組みなおし、Si4原子スイッチ同士や分子と連動させて、それらの電子状態をSTMで結合状態をAFMで、さらに電気伝導状態をSTPで可視化することを目指した。
装置の立ち上げに関して、共同研究によりOmicron社製低温4探針STMの再立ち上げに必要な数千点の物品と数百本の配線の確認を数か月かけて完了した。装置を清浄な状態にし、搬出に必要な分解と組み立てを行った。実験室の整備を入念に行い、搬入を済ませた。
研究内容に関して、研究の基盤となるSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究、および双子Si4-Si4原子スイッチの研究を国際招待講演（上海）、国際学会（ヘルシンキ）、国内招待講演2回（日本表面真空学会、OIST）で発表した。また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上に関する研究が広がった。Ag(111)超薄膜上での量子井戸状態と鏡像準位状態との相互作用を観測した[発表物理学会、表面真空学会]。また、r3-B/Si(111)表面超構造とAg(111)超薄膜の界面構造の解明[論文JJAP、解説表面と真空、発表物理学会]、試料の候補であるBi超薄膜においても複数の学会発表があった。
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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
【装置改造3：4探針STMの立ち上げと4探針STP化】奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMの立ち上げを進めている。現地調査により、大気中でのプローバーとしての動作、超高真空中でのSTMとしての動作、超高真空中での高分解走査型電子顕微鏡の動作の3段階で再起動を進める計画を立て、問題なく立ち上げられるめどが立ったことを業者と確認した。数か月間のかけて装置の約1000点の物品と数百のケーブルの確認と洗浄を行った。必要に応じて装置の一部を分解し、搬出が可能な状態にした。受け入れ実験室の整備を徹底的に行い、装置の搬入を済ませた。この装置は本研究計画の主要な装置の一つであり、その前準備が整ったことから大きな進展があったと判断した。
また、東大との共同研究により、昨年5月に現所属に搬入したUNISOKU社製低温4端子に関して、主要な物品の整理を行い、不足している真空備品の選定を進めている。
【計画1-1：連動する双子Si4-Si4原子スイッチをAFMの力で原子スイッチする】研究の基盤となるSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究、および双子Si4-Si4原子スイッチの研究を国際招待講演（上海）、国際学会（ヘルシンキ）、国内招待講演2回（日本表面真空学会、OIST）で発表した。
【装置改造2：電気伝導測定のためのSTP多探針化の試験で用いるAg(111)超薄膜の研究】また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上に関する研究が広がった。Ag(111)超薄膜上での量子井戸状態と鏡像準位状態との相互作用を観測した[発表物理学会、表面真空学会]。また、r3-B/Si(111)表面超構造とAg(111)超薄膜の界面構造の解明[論文JJAP、解説表面と真空、発表物理学会]、試料の候補であるBi超薄膜においても複数の学会発表があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
【装置改造1：力と分子骨格計測のためのAFM化】若手研究（A）によりUNISOKU社製低温STMの導入を進めた。本研究課題の力スイッチと分子骨格計測を行うためにはAFMセンサーの加振とその検出のために2つの電極を追加し、探針と試料を上下逆にするのがポイントである。この改造を行ったユニソク社製改造AFMユニットを導入する。
【装置改造2：電気伝導測定のためのSTP多探針化】本研究課題の電気伝導測定をSTPで行うためには、電流導入のための電極2つとそれを表面一原子層に届けるためのプローブが必要である。その改造を行ったユニソク社製改造AFM/STPユニットを導入する。
【装置改造3：4探針STMの立ち上げと4探針STP化】基盤研究（B）の補助、および奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMの搬入準備を進めている。4探針STMヘッドやSEMのメンテナンスや交換を行い、まずは4探針STMとして再稼働させる。続いて、4探針AFMおよび4探針STPへ改造し、原子構造と電気伝導の原子スケール可視化が可能となる。
【計画1-1：連動する双子Si4-Si4原子スイッチをAFMの力で原子スイッチする】Si(111)-7x7表面に0.2ML程度のSi原子を室温で蒸着して、相互作用するSi4原子スイッチを作成する。Si4原子スイッチの4つの原子のうち、OnまたはOff状態にあるSi原子上に探針を移動し、力の距離依存性（フォースカーブ）を測定する。その急峻な変化点から力スイッチに必要な力がそれぞれ何nNの引力なのかを求める。それを単体のSi4原子スイッチの場合の約1.5nNと比較し、相互作用が力スイッチに与えた影響を知る。次年度からは、PTCDA分子を蒸着し、Si4原子スイッチとの連動や、分子単独でのスイッチを狙う。
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| Causes of Carryover |
当初は、若手研究(A)および東北大学との共同研究で立ち上げていた、UNISOKU社製低温STMにAFMとSTPの機能を組みこみ、原子/分子スイッチ上でSTMによる電子状態とAFMによる原子構造とSTPによる電気伝導を観測する計画であった。しかしながら、想定外にも、基盤研究（B）および奈良先端大学との共同研究により、より本研究計画の遂行に適しているOmicron社製の低温4探針STMを獲得することが決まった。そこで、本研究計画で重要な役割を果たすSTPの機能を、その能力をより発揮することのできる後者に組み込む計画にアップグレードした。しかしながら、まずは基盤研究（B）により装置の基幹部分の立ち上げなければ、本研究計画によるSTPの導入の詳細な計画を立てることはできない。そのため、本研究計画の経費は少し遅らせてから慎重に使用したほうが良いと判断した。
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Research Products
(18 results)
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[Presentation] AFM vs STM on Si atom switch2018
Author(s)
S. Yamazaki, K. Maeda, Y. Sugimoto, M. Abe, P. Pou, L. Rodrigo, R. Perez, P. Mutombo, P. Jelinek, S. Morita
Organizer
21th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy
Int'l Joint Research
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