2020 Fiscal Year Research-status Report

Development of Hydrogen-terminated Si surfaces and the growth of metal nanoclusters under diffusion limited condition

Research Project

Project/Area Number	19K03681
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	須藤彰三東北大学, 理学研究科, 名誉教授 (40171277)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	川勝年洋東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596) 江口豊明東北大学, 理学研究科, 学術研究員 (70308196) [Withdrawn]
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	金属ナノクラスター / 結晶成長 / 水素終端シリコン表面 / エッチング過程 / 走査トンネル顕微鏡 / 原子間力顕微鏡
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、拡散律速下において、半導体表面に吸着した個々の原子の運動からナノクラスター成長過程までの機構を解明することである。初めに、高品位水素終端シリコン表面（H:Si）の開発を行い、次に温度可変型および高速走査型トンネル顕微鏡を用い、H:Si表面上に金属原子を吸着し、拡散・衝突・臨界核形成・ナノクラスター成長を追跡する。また、反応性の高いSi清浄表面での対照実験も行うこととした。初年度は、水素終端Si(111)-(1×1)表面を用いた研究を中心に遂行した。我々の研究グループで開発した水素終端Si(111)-(1×1)表面作製法も、実験を繰り返すうちに欠陥の密度が下がり、STMで観察しても広い範囲（100×100 nm）で欠陥のない表面が得られるようになってきた。この表面を用いて、走査トンネル顕微鏡（STM）による銀(Ag)ナノクラスターと鉄（Fe）ナノクラスターの成長過程を明らかにすることができた。 2年目の本年度は、Si(111)-(7×7)表面での対照実験と水素終端Si(110)-(1×1)表面の開発を行った。新型コロナウイルス感染症拡大下、大学では実験ができない状況が続いたが、水素終端Si(110)-(1×1)表面の走査トンネル顕微鏡及び原子間力顕微鏡の観察を行うことができた。加えて、赤外吸収スペクトルによる水素終端Si(110)-(1×1)表面の光学応答、高分解能電子エネルギー損失分光による重水素終端Si(110)-(1×1)表面の表面フォノンのエネルギー分散の研究を遂行した。前者は、水素終端Si(110)-(1×1)表面の平坦性の評価、後者は同位体効果による吸着原子の拡散エネルギーの変化を解明することに役立つと期待している。本年度の成果は、1編の論文、1編の学会発表として報告されている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究実績の概要に記述したように、2年目の本年度は、（1）Si(111)-(7×7)表面での対照実験と（2）水素終端Si(110)-(1×1)表面の開発を行った。水素終端Si(110)-(1×1)表面の走査トンネル顕微鏡及び原子間力顕微鏡の観察を行った。加えて、赤外吸収スペクトルによる水素終端Si(110)-(1×1)表面の光学応答、高分解能電子エネルギー損失分光による重水素終端Si(110)-(1×1)表面の表面フォノンのエネルギー分散の研究を遂行した。（１）走査トンネル顕微鏡（STM）及び走査トンネル分光法（STS）によりSi(111)-(7×7)表面上におけるAgナノクラスターの成長過程と電子状態の観察を行った。Ag原子は濡れ層を形成し、その上に島状成長が起こることは既に良く知られた結果となっている。観察の結果、Ag濡れ層の電子状態は半導体的であるが、Agアイランドを形成すると金属的な状態へと変化する。Agアイランドの電子状態は一様ではなく、界面の構造を反映した場所依存性を示す。Agアイランドの形成は濡れ層の上で始まり、成長が進むにつれてAgアイランドとSi(111)-(7×7)表面の界面にあるある濡れ層も結晶化しAgアイランドの一部になることが明らかになった。（２）赤外吸収スペクトルによる水素終端Si(110)-(1×1)表面の光学応答では、Si-H伸縮振動が対称伸縮振動と非対称伸縮振動とに分裂し、入射角依存性から異方的な表面構造を維持した高品位表面であることが明らかになった。また、重水素終端Si(110)-(1×1)表面の表面フォノンのエネルギー分散では、Si-H伸縮振動が同位体効果のためにバルクフォノンの中に埋没し、バルクフォノンと結合した特異な状態を作ることを解明した。ナノクラスター成長における表面フォノンの効果の解明に期待が持てる。
Strategy for Future Research Activity	来年度は、最終年度に当たるために、異方性表面水素終端Si(110)面及びSi(100)面での金属ナノクラスターの成長過程と本研究の総括を行う予定である。 ①水素終端Si(110)面及びSi(100)面の開発（担当：須藤、川勝）：表面構造の異方性の効果を検証するために、H:Si(110)-(1×1)及びH:Si(100)-(1×1)表面の開発を行う。Si(111)表面で用いた化学溶液処理法を適用し、試薬の選択および反応時間や温度の条件を探りながら、開発を進める。現在作成可能なH:Si(110)-(1×1)表面は、光電子分光法によるバンド構造や表面フォノンの観測には成功しているが、表面は筋状の凹凸構造で覆われている。更なる平坦化を目指すために、理論的にエッチングプロセスを解析し条件を探る。 ②異方性基板上のナノクラスター成長過程の観察と機構の解明（担当：須藤、川勝）：上記、H:Si(110)-(1×1)及びH:Si(100)-(1×1)表面上に成長するAgクラスターの成長過程をSTMで観察する。弱いながら存在する表面原子、吸着原子間の相互作用の影響を調べる。拡散・衝突・臨界核形成・ナノクラスター成長を追跡し、この異方性が直線状の1次元や2次元結晶成長に利用できる基板になるかどうかの指針を得る。 ③ナノクラスター成長過程の統一的理解（担当：須藤）：最後に、以上の実験結果を統括し、本研究で解明できたこと、今後の課題を整理する。