2014 Fiscal Year Research-status Report
走査型プローブ顕微鏡を応用した固体表面上１分子の電荷状態変化の測定
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26630330
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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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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 走査プローブ顕微鏡 / 表面・界面物性 / 電荷移動 / エネルギー散逸 / 分子計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
走査型プローブ顕微鏡（SPM）を利用して独自に開発してきた技術（SPM探針と試料間の距離および印加電圧に対する両者間の相互作用力・電流・エネルギー散逸の高感度計測技術、探針の先鋭化・清浄化技術）を基に、SPM探針先端と試料表面の間に挟持されている１分子の電気伝導インピーダンス特性、とくに電気容量の変化と電荷移動に伴う過渡電流をナノ力学的に高感度（aF (10-18ファラッド) 以下のオーダ）・高速で計測する手法を開拓することが、本研究の目的である。本手法によって、力学的変化に対する１分子の電荷応答を解析し、個々の分子の力学的・電子的特性を活用したデバイスの創製、1分子を介した2物体間の接合・界面形成の科学に貢献する。本年度は、室温動作の超高真空（1×10-11 Torr）非接触原子間力顕微鏡（nc-AFM）(SPMの一種、原子分解能を持つ)を利用して実験を進めた。本nc-AFMは、走査型トンネル顕微鏡（STM）動作も実施できる。そのとき利用する「入力電位を制御できる高速電流アンプ」を力センサーに装着した金属探針に接続する一方、高速チャージアンプを試料に接続した。高速チャージアンプは、250 Hz- 15 MHzの帯域で入力端から出入りする電荷量を出力する。探針と試料を接近させ、nc-AFMでの高さ一定モードで、ステップバンチしたSi(111)7×7表面を観察した。チャージアンプの出力を基に走査像を構築すると、Siの原子像が観察された。探針と試料間に印加した電圧や探針と試料の距離に対する依存性を調べた。その結果、チャージアンプの出力は、探針と試料の距離に明確に依存した。nc-AFM動作時は探針は力センサーの共振振動数で励振している。接触電位や試料探針間の静電容量を考慮したモデルと想定し、探針と試料の間の平均距離を変化させることで、静電容量変化を捉えられると考察した。
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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
原子分解能を達成している自作の超高真空nc-AFMを基盤に、チャージアンプを装着する改良を行った。試料位置からの探針の高さを一定に保ちながら探針を走査し、チャージアンプの出力を探針の面内走査に対応させて画像化することで、Si(111)7×7分解能像を捉えることに成功した。チャージアンプのこのような利用は初めてのものである。探針と試料間の電荷移動、変位電流に伴う変化、あるいは、電流アンプ以外でトンネル電流を検出できた可能性がある。原子分解能を示すSPMの主流はSTMとnc-AFMだけであるが、ほぼ同等の機構で原子分解能を発揮する計測量を見いだし、別次元の原子像観察の端緒を開くことができた。この信号は、簡単な古典的静電的モデル解析から、探針－試料間の接触電位差、静電容量などに強く依存していると推察できる。すると、接触電位差や容量の精密測定に応用でき、また、探針と試料が極接近することで、古典的な静電的相互作用から量子現象が発現するような現象を捉えることができる可能性がある。STMが登場して以来、探針と試料間の静電容量を捉える実験は幾つか行われてきた。ただ、探針と試料間の浮遊容量が大きく、それに比べ、小さな探針先端と試料間の静電容量は極小さいと考えられてきた。チャージアンプを利用することで、その微小な探針先端と試料表面間の静電容量を捉えたことが明確になれば、波及効果は大きい。今後は、nc-AFMで計測できる振動エネルギー損失と同時計測し、両者の原理的に共通な、変位電流に依存した効果を明確にし、それを基にモデルを検討して捉えた対象の実体を検討することで、新規計測法としての確度を高められると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
チャージアンプを利用した手法の可能性を確認するために、表面に種々の異原子や特徴ある構造のドメインを持つ試料を調製し、チャージアンプの出力でどこまで有意義な計測ができるかを調べる。また、上述したように、チャージアンプを利用した手法と対をなすところの本研究での計測量は、nc-AFMでの「振動エネルギー散逸」である。このエネルギー散逸が、探針－試料間の印加電圧に依存して変化する主原因は、カンチレバー振動による「探針－試料間の容量の時間変化」によって流れる変位電流のジュール発熱である。この「機械エネルギー」→「電気エネルギー」→「熱エネルギー」の変化を利用して、電気容量変化として aFの高感度測定の可能性を調べる。カンチレバー振動の１サイクル（例えば10 μs程度）毎の変化を高速で捉え、カンチレバーの正弦波的振動に伴って、振動の１サイクル毎に探針は試料に接近するときの変化を調べる。探針と試料の距離が十分に離れているときは正弦波的変位電流が検出される。探針が試料に近づくにつれ、指数関数的に増大するトンネル電流がカンチレバー振動の１サイクル毎の変化として正弦波的変位電流信号に加算されて検出される。さらに接近して化学結合を形成していく過程で探針と試料間で電荷が移動すると、１電子分の電荷（1.6×10-19 C）が瞬時に移動し、チャージアンプの出力にパルス応答（~μV）として現れる可能性がある。１サイクルのなかで探針が試料から離れるときには逆向きの電荷移動が起きる。この正負の変化を伴う過渡的な交流電流を、他の交流電流成分を除去するフィルター回路を駆使して捉える。カンチレバーの振動とエネルギー散逸の変化とともに記録し、解析する。
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