2015 Fiscal Year Annual Research Report
単原子層半導体新物質「シリゲルマネン」の創生とその機能制御
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26286048
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平山 博之 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (60271582)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 晋 東京工業大学, 大学院理工学研究科, 教授 (00262254)
中辻 寛 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 准教授 (80311629)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ゲルマネン / シリセン / 走査トンネル顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度の研究により、Siliceneの成長基板としてこれまで使用されてきたAg(111)表面は、Si原子との相互作用が強く、成長中にAg-Si原子の交換反応が起こるため、bilayerの成長によりその第１層目で基板との相互作用を食い止め、第二層目に相互作用の影響がない、Silicene本来のDirac電子系を構築することができないことが明らかになった。
本年度はこれを受けて、Siとの相互作用によりその上に成長したSilicene本来の電子状態を破壊することのないことが理論計算で報告されている単原子層h-BN薄膜を、Si(111)√3x√3-B表面に直接形成し、silicene, germanen成長基板として用いるための実験を遂行した。
具体的に今年度は、silicene成長機構を装備した既存の超高真空STM装置に、化学的に安全で、超高真空装置内でのその場h-BN成長も可能なアンモニアボランを用いてh-BN単原子層薄膜の分子線エピタキシャル成長を行うための真空チャンバーを設計・試作し、これを用いてSi(111)√3x√3-B表面上への単原子h-BN膜の形成条件の探索を行った。本年度は実際にこの基本性能評価を行った後に、これを用いてSi(111)√3x√3-B表面上にアンモニアボラン蒸着を行い、特定の成長条件で√3x√3-B表面上にh-BNに対して期待される格子定数に相当する新たな回折スポットが現われることを、低速電子線回折により確認した。またSilicene成長時に同時にSiと同等の蒸着レートでGeを供給し、シリゲルイマネン成長を行うため、早い蒸着レートを実現できるGe蒸着源をあたらに設計・試作し、その性能をSi(111)基板上のGe薄膜成長レートにより評価、確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度の研究により、我々は本研究課題の提案当初には予想されていなかった、silicene成長の最適基板と認識されていたAg(111)表面では、Ag-Si原子交換が起こり、成長に対して不安定かつ、基板のsilicebe電子状態への影響をキャンセルするための表面第１層silicene上への第2層silicene成長が不可能であることを見出した。これは世界で初めての発見であるが、このため当初予定していたAg(111)表面を基板としてこの上にSi原子とGe原子を同時吸着させてシリゲルマネンを成長させるという計画を見直す必要が発生した。
このため、今年度は理論計算により、その上にsiliceneが安定に存在でき、かつsilicene本ｒ対の電子状態を破壊しないことが報告されている単原子層h-BN膜をシリゲルマネン成長のための基板として用いるべく、既存の装置に化学的に安定で、超高真空下でその場でh-BN膜を形成できる可能性の高いアンモニアボランを用いた分子線成長装置を設計・試作し、これを既存のsilicene成長・評価装置に超高真空で連結する形で併設し、Si(111)√3x√3-B表面上へのh-BN膜形成条件の探索を行った。本年度はこうしたh-BN成長装置の開発と立ち上げに時間を費やさなければならなかったため、当初予定していたシリゲルマネンの成長や、その物性評価にまでまだ実験が進んでいない。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点で、アンモニアボランを用いた分子線エピタキシャル成長法により、Si基板上にh-BNを直接形成するための準備、およびSiとＧｅ原子の同時供給によるシリゲルマネン形成において、Siと銅レベルの蒸着レートを実現できるGe原子源の設計・製作は完了している。以上の準備を受け、今後は先ず初めにSi基板上にh-BN薄膜を直接形成できることを、これまでの低速電子線回折に加えて走査トンネル顕微鏡による原子像の観察により懸賞する。またこの上にSi,Ge原子を同時に供給し、シリゲルマネンを形成するための基板温度、蒸着レートの条件を探索、確定し、これにより得られたシリゲルマネンの構造と物性の詳細を、走査トンネル顕微鏡、走査トンネル分光法、角度分解光電子分光法により調べる。また実験で得られた物性発現の理由を、第一原理計算と比較検討し、明らかにする。
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| Causes of Carryover |
前年度の研究により、我々は本研究課題の提案当初には予想されていなかった、silicene成長の最適基板と認識されていたAg(111)表面では、Ag-Si原子交換が起こり、成長に対して不安定かつ、基板のsilicebe電子状態への影響をキャンセルするための表面第１層silicene上への第2層silicene成長が不可能であることを見出した。このため、本年度は、当初計画していたAg(111)表面を基板としてこの上へのシリゲルマネン成長を行うという計画を見直し、理論計算でSiliceneがその上に安定に存在し、かつ相互作用が少なくてsilicene本来の電子状態を損なうことがないことが報告されているh-BNをSi基板上に直接形成するための装置設計・制作および立ち上げを行わなければならず、これにほとんどの時間を費やし、物性評価用の低温媒質を用いた実験は行えなかったため、繰越す必要が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
繰り越した次年度使用額は、今年度予算と合わせて、Ｓｉ基板上へのh-BN形成の原子分解能での検証、その上へのシリゲルマネン成長条件の確率、さらにその物性評価と成果発表に充当する予定である。
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