2021 Fiscal Year Research-status Report
温度可変型STPによる実空間電位分布観察を通じた量子電気伝導現象の微視的解明
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20K05319
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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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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 走査トンネルポテンショメトリー / 表面状態伝導 / 表面電気伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
表面の電気伝導現象は、原子欠陥・吸着原子といった局所的な乱れから影響を受けるが、低温では、電子のコヒーレンス長の増大のため、電子波の局在・閉じ込め効果などの局所構造間の相関が重要となる非局所現象が顕著となり、室温では見られない特異な電子輸送特性が現れると予想される。そこで、それを可視化するために低温でも動作する温度可変型走査トンネルポテンショメトリ(VT-STP)という顕微鏡の開発を目指す。
現在、技術的に一番の問題となっているのは、STP実験のために、表面上の２か所で電気的接触を取る方法である。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し作成される長周期構造を持つ系に対しては、表面作成過程で１２００℃程度の高温熱処理が必要なので電気的接触をとることは容易ではない。これまで、そのような高温に耐えられてかつ不活性であるTa電極を表面に作成することで電気的接触をとることに成功しているが、Ta電極の作成自体に時間が掛かる。現在それを解決するために、これまでのプラズマガン方式から、高出力の電子ビーム蒸着方式の導入を目指して、準備を進めた。また加熱時の歩留まりを向上させるために、熱処理の温度を下げることがことが有効であると考えられ、そのための手法として、Si基板に対して犠牲酸化膜を作成する方法が効果があることを明らかにしている。さらに、加熱の方法として、レーザー光を試料に照射することによって、局所的に加熱する方法も試すことにも成功した。さらに、キャップされたトポロジカル絶縁体薄膜を、超高真空中で加熱することによって清浄表面を出しSTP測定を試みた結果、ポテンシャルの勾配が確認できた。
また将来を見据えて、STM探針と試料表面の静電容量を測定することによって、絶縁体上の微細な金属薄膜パターンの位置を探る技術開発も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
STP実験を行う上で、最大の技術的な問題となるのが、表面平行方向に電流を流すための基板上の電極作成である。我々の目標とする表面系の一つの、Si清浄表面上に異種原子を吸着し作成される金属的な電子状態を持つ表面を作成するには、１２００℃程度の高温熱処理が必須である。このような高温に耐えられて化学的に不活性であるTa薄膜電極を作成したとしても、この高温処理の温度加減で作成したTa電極が破損してしまうことが少なくない。それを改善するためには、その加熱処理の温度を下げることが必要であると考えられ、その方法として、Si基板表面の自然酸化膜に化学的な処理を施し、犠牲酸化膜を作成することで、熱処理の温度を下げられる結果を得ている。また、これまで使っていたプラズマガン方式の蒸着装置だと、放電トラブルや運用コストの問題から必要な数のTa電極を作成するのが容易ではないので、高出力の電子ビーム蒸着装置の導入へ向けて、そのための蒸着ステージ等の製作を行った。さらに、加熱時の電極破損を防ぐ策として、加熱される範囲を必要最小限にすることが考えられる。そのための熱処理の方法として、チャンバーの外部からビューポートを通してレーザーを試料表面に直接照射することを採用し、そのための光学系のセットアップ等を行った。
また、スピントロニクスの分野でも興味が持たれることの多いトポロジカル絶縁体薄膜のSTP測定行ったところ、ポテンシャルの勾配が存在することが分かった。更に、デバイス応用などを見据えて、STM探針と試料表面の静電容量を測定することによって、絶縁体上の微細な金属薄膜パターンの位置を探る技術の開発を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度では、「清浄表面上の電極作成の方法の改善」に取り組んだ。Si基板表面に化学的な処理を施して、自然酸化膜上に平坦な酸化膜（犠牲酸化膜）を作成することによって、これまでよりも１００℃程度低い温度で清浄表面を作成することに成功した。
次年度では、Ta電極作成自体に時間が掛かっていたため、これまで使ってしたプラズマガン方式方式の蒸着から、高出力の電子ビーム蒸着の方法に変更するための、蒸着ステージ・マスク等を製作した。また、Ta電極への加熱処理時のダメージの軽減には、加熱温度の低減だけではなく、加熱範囲もなるべく狭くした方が良いと考えられるので、レーザー照射による試料加熱ができるように、光学系・温度計測装置の設置を行った。
ところが、前述のTa電極作成だけではなく、開発の母体となっている低温STMに度重なる装置トラブルや緊急の大規模修繕のため電気的な配線の特性等があり進捗に大きな遅延が生じてしまった。最終年度は、Ta電極の作成の効率等が上がっていることが見込まれるので、速やかに温度可変型走査トンネルポテンショメトリ(VT-STP)を復旧させ測定を開始する予定である。先行研究によると、Si(111)-√3×√3-Agの表面にAuなどの異種元素を蒸着すると、それぞれの吸着原子で電子が弾性的に散乱され、お互い逆向きに運動する電子が干渉して局在する弱局在効果が生じ、電気伝導が低下すると推測されていることや、磁場下では、それによる位相差が追加され干渉効果が低下すると考えられるので、様々な温度・磁場下でSTP測定を行い、その電位像の差から弱局在効果（非局所電気伝導特性）の直接的証拠を得ることを最終年度の目標とする。
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| Causes of Carryover |
Ta電極作成のための蒸着方法の変更・試料作成の加熱処理を通電加熱方式からレーザー照射による手法の変更や度重なる低温STM装置のトラブル等によって発生した遅延のため予定していた液体ヘリウム（寒剤）を使った低温での実験を行うことができなかった。最終年度は、低温での実験に必要な液体ヘリウム（寒剤）・試料ホルダー・真空部品の費用に残りの予算を充てる予定である。
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Research Products
(2 results)
