2013 Fiscal Year Annual Research Report
走査型プローブ顕微鏡技術を利用したナノ接合界面の形成と解析
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24246014
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
富取 正彦 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (10188790)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高村 禅 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (20290877)
笹原 亮 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 助教 (40321905)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 走査プローブ顕微鏡 / ナノコンタクト / 物性実験 |
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| Research Abstract |
本研究では、走査型プローブ顕微鏡（SPM）を基礎にした手法（ペンシル型SPM、電圧印加非接触原子間力顕微鏡／分光法（Bias nc-AFM/S））を発展させ、探針―試料間隔を制御し、両者間の状態を「トンネル障壁介在状態、化学結合が形成され始める疑似接触、ナノ接触、加圧接触、引上げ伸展、破断」へと推移させる。探針と試料間には、間隔に応じてpNの極微引力から圧力換算で1GPaの高圧が発生し、独特なナノ接合界面や組成分布を持つ構造ができる。これらの形成過程、表面・界面の結合・界面準位などの電子状態の変化を“その場”でSPM技術を利用して解析する。探針と試料の素材を半導体･金属･酸化物･分子と換え、接触の加圧方法、温度を変化させる。この成果を、オーミック接触、ショットキー接触、pn接合、MOS接合など、微小機械電気素子の構築に重要なナノ接合界面（電極・接合部）の形成・制御技術に繋げる。
本年度は、極低温クライオスタット付超高真空チャンバー（昨年度導入）に、探針先端を調製･評価するための電界イオン顕微鏡（FIM）／電界放射顕微鏡（FEM）を装着した。イメージングガスをHe、Neとして、多結晶[110]方位の針、単結晶[111]、さらには、Pdを巻き付けたW針を試料として、電界印加加熱での尖鋭化の条件、異種原子の拡散で起こる表面のファセット化の条件を調べた。また、SEM―SPMを利用して、W針に対向・接近して配置されたWO3片を加熱して、W針上にWOxの針状突起を作製した。WO3片とW針の間に電圧を印加し、成長状態が変化することを見いだした。さらに、Si上π共役分子DAT、酸化物（TiO2）上の吸着状態を原子レベルで調べ、界面特性の基礎情報を得た。nc-AFMに装着したチャージアンプの出力からSi(111)7×7の原子分解像を捉え、その画像化機能の解析を進めた。
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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
本研究が目指している重点項目の一つは、原子スケールで鋭利な探針の先端と試料表面との間隔を精密に制御し、両者間の状態を「トンネル障壁介在状態、化学結合が形成され始める疑似接触、ナノ接触、加圧接触、引上げ伸展、破断」へと推移させることである。そのための装置開発、および、試料と探針の調製法の確立が、実験を巧く進め、また意味ある解析を実施する上で必要となる。本年度、探針先端の原子配列を、開発してきた液体He冷却型FIM／FEM装置で観察できるようになった。その結果、探針の調製法・評価法が大きく進展した。また、このFIM／FEM装置にSPM機構を組み込むための設計・試作が進み、複合化装置の開発に目途を立てることができた。また、SEM―SPM複合装置を利用して、W針に対向・接近して配置されたWO3片を加熱して、W針上にWOxの針状突起を作製することができた。劣化した探針の再生、成長条件による変化が見出された点も重要である。表面科学の歴史においても、また技術的な応用からもWとその酸化物が示す複雑なナノスケール反応現象は興味深い。さらに、Si上π共役分子DAT、酸化物（TiO2）上のSiO2膜の吸着状態を原子レベルで調べ、界面特性の基礎情報を得ることができ、対象とする試料の調製法の確立が進んだ。nc-AFMに装着したチャージアンプの出力からSi(111)7×7の原子分解像を捉え、その画像化機能の解析を進めることによって、探針と試料の空隙によって発生する静電容量の評価、接触電位差の評価に利用できる目途を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
稼働を始めたFIM／FEM装置で探針の処理条件を評価しつつ、この装置を土台としてSPMとの複合化を進める。現在、探針ホルダー、および、試料ホルダーの試作、SPMスキャナーの試作、XYZ方向の3次元粗動ステージの試作が進んでおり、それらを組み合わせて、大気中・室温で動作させる。このテストを終了後、真空での稼働テスト、ベーキングによる超高真空での稼働テスト、液体窒素・液体ヘリウムでの冷却テストを行う。真空中でのテストでは、W探針に負の高電圧を印加して針先から電界電子放射を起こし、試料を金属メッシュとし、金属メッシュの拡大像をFIM／FEMスクリーンを使って観察する。探針を試料に接近させると、メッシュ像が拡大投映されるとともに、探針と試料間が狭まった分、探針に印加される電界は高くなる。その電界が探針形状にもたらす変化を調べる。さらに、印加電圧を数V以下にし、探針と試料間にトンネル電流、または接触電流が流れるまで接近させる。その後、探針を試料から引き離し、探針先端の形状変化を調べ、接触程度との相関を見る。メッシュを試料とした場合、メッシュはそのとき受ける相互作用力から撓むことが予想される。ATカットの板状水晶振動子を土台として、それにメッシュを取り付け、水晶振動子の周波数変化から探針と試料間に働く力を測ること試みる。
SEM―SPM複合器による実験では、SPM機構部の操作性の更なる向上を目指す。WO3源をさらにW針先端に接近させ、単独ナノワイヤーの成長の様子をその場観察で捉える。nc-AFMを土台にしたチャージアンプによるSPM同時測定も進め、試料表面と探針間の電荷移動・接触電位差の精密測定を進める。チャージアンプの広帯域を利用した高速画像取得も試みる。
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