2012 Fiscal Year Annual Research Report
個々の原子の観察・識別・操作による室温での多元素ナノ構造体組み立てに関する研究
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22221006
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
森田 清三 大阪大学, 産業科学研究所, 特任教授 (50091757)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阿部 真之 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00362666)
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| Project Period (FY) |
2010-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | 走査プローブ顕微鏡 / 多元素ナノ構造体 / 室温物性 / 原子操作・組立 / 多角的物性評価 |
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| Research Abstract |
(1)閉鎖ナノ空間の熱拡散障壁の探針による開閉方法を発見して、その制御条件を解明した。探針で熱拡散障壁を下げて、Si(111)7x7のハーフ・ユニット・セルの二次元ナノ空間に閉じ込められた室温の熱エネルギーで動き回る表面吸着熱原子に隣のナノ空間に移動する扉を開く「閉鎖ナノ空間のAtom Gating（原子開閉）」と呼ぶ新手法を発見。
(2)応用例として、金の吸着熱原子を原子開閉で金単原子（Au1）から十二個の金クラスタ（Au12）まで順番に「原子数を確定」して室温作製した。特筆すべきは、STM像からは原子クラスタを構成する原子数の決定が不可能なことである。特に、Au7からAu11は画像パターンの違いすら殆どなくほぼ同じに見える。
(3)Siテトラマー（Si4）は、STM Empty States像では四つの輝点からなる正方形に見えるがFilled States像では十字に見える原因が長年の謎であった。本研究では、まず、原子開閉の手法でSi4を作製した。次に、AFM/STM同時測定で、遠方ではSTM像で十字が見えていても、AFM像が現れる近距離では、AFM像もSTM像も正方形になることを発見した。AFM探針先端原子の共有結合引力でSi4の原子を引っ張り上げると探針誘起でSTM像も十字から正方形に変化するので、バイアス電圧でも構造変化つまりスイッチングが起こっていると推測し、熱揺らぎの起こり難い低温でSTM像の電圧依存性を測定した。その結果、低温ではSi4がペアに分かれ、上にバックリングしたペアが二つの輝点となることを発見し、室温では熱的に揺らいで熱励起スイッチングで正方形に見えていることを解明した。また、-0.85Vよりも負の電圧で電子を注入すると、明るいペアの位置を低くして他のペアが明るくなる現象を発見して電子注入スイッチングにより十字に変化すると証明して長年の謎を解明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の研究目的は、多元素ナノ構造体の室温組立と評価により「多元素ナノ構造体の室温物性」と言う新学問領域を開拓することである。この実現のため、二種類の研究を推進してきた。一つ目の研究は、AFMとSTMを複合化したAFM/STMを用いてAFM 機能で「力学的物性」をSTM 機能で「電子的物性」を、原子分解能で同時測定する手法を確立して、原子分解能の多角的物性評価を実験的・理論的に行う研究である。この研究に関して、AFM機能の研究としては様々な試料でフォース・カーブやフォース・マッピングの原子分解能測定やケルビン力顕微鏡法による接触電位差の原子分解能測定に成功した。二つ目の研究は、原子操作に関する研究である。この研究に関しては、CeO2表面に吸着した水分子や水酸基化したTiO2表面に吸着したK+イオンのAFM原子操作などを行った。以上のように、当初の目標に向けて順調に研究が進展しており予定通りの研究成果を上げつつある。予定以上の成果としては、「基板の上に載せた原子」の場合、室温では熱エネルギーにより吸着熱原子が動き回るので水平原子操作は困難で、熱的に不安定なナノ構造体作成も無理との既成概念が有ったが、本研究では、その既成概念を打破することに成功した。我々は、揺らぎの大きい室温で、表面の二次元ナノ空間であるSi(111)7x7ハーフ・ユニット・セルに吸着熱原子をバリアで閉じ込めて、バリアをAFM/STMの探針で開閉する新手法を開発した。特筆すべきなのは、Si4のような孤立した少数の原子からなる吸着原子クラスタが室温でも多様なスイッチング現象を示すことが発見されたことである。この発見は、少数の原子からなる多様な機能を持つ室温原子デバイス開発の可能性を実験的に示唆している。このように、当初の目標を超える研究の進展があり、予定以上の成果が見込まれると、研究目標の達成度を自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
予定以上の成果として、「基板の上に載せた吸着熱原子」は室温では動き回るので、吸着熱原子を用いた多元素ナノ構造体の室温組立は無理との既成概念を打破する「閉鎖ナノ空間のAtom Gating（原子開閉）」の新現象発見と新手法開発に成功した。特筆すべきなのは、Siテトラマー（Si4）のような孤立した少数の原子からなる吸着原子クラスタが室温でも多様なスイッチング現象を示すことが発見されたことである。この発見は、少数の原子からなる多様な機能を持つ室温原子デバイス開発の可能性を実験的に示唆している。そこで、後半の２年間は、「閉鎖ナノ空間のAtom Gating（原子開閉）」を利用した多元素ナノ構造体の室温組立と評価による「多元素ナノ構造体の室温物性」と言う新学問領域を開拓することに主力を注ぐことにする。具体的には、(1)室温でSi(111)7x7ハーフユニットセルの二次元ナノ空間に閉じ込めることが可能と本研究で確認したSn原子、Si原子、Pb原子、Ag原子やAu原子などの、二次元ナノ空間を動きまわる吸着熱原子に関して、AFM/STMによる原子開閉の手法で、Au原子やAg原子は10個以上、Pbは5個までは予備実験で原子クラスタ作製に成功したが、閉じ込めの上限とその原因を研究する。(2) Sn原子、Si原子、Pb原子、Ag原子やAu原子に関して、作製した原子クラスタの室温での安定性、つまり、熱揺らぎや熱拡散の影響を明らかにして、吸着した原子クラスタの室温で安定なマジック・ナンバーとその機構を探索する。(3) Siテトラマーのような、室温で、「熱励起による熱的スイッチング揺らぎ」、「AFM共有結合引力による上向きの力学的スイッチング」や「STMトンネル電子注入による下向きの電子的スイッチング」などのスイッチング現象を起こす新規な原子クラスタを探索して、そのスイッチング特性や機構を解明する。
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