グリーン関数STMの開発とそれによるナノ電子輸送ダイナミクスの研究

• 研究課題/領域番号: 15106001
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 修司 東京大学, 大学院・理学系研究科, 准教授 (00228446)
• 研究分担者: 松田 巌 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00343103)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 104,780千円 (直接経費: 80,600千円、間接経費: 24,180千円); 2006年度: 14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円); 2005年度: 14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円); 2004年度: 20,280千円 (直接経費: 15,600千円、間接経費: 4,680千円); 2003年度: 56,160千円 (直接経費: 43,200千円、間接経費: 12,960千円)
• キーワード: 表面・界面物性 / 走査プローブ顕微鏡 / 物性実験 / 電子顕微鏡 / ナノ材料 / マルチプローブ顕微鏡 / グリーン関数STM / 表面電気伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / 走査電子顕微鏡 / ナノ構造 / 表面構造 / 表面電子状態 / 電気伝導

研究概要

1. 極低温4探針型STM(グルーン関数STM)装置システムの開発・建設
これは次のような性能を持つ:(a)超高真空中で稼動し、走査電子顕微鏡と結合して4探針の配置をナノメータスケールで観察できる。(b)試料および探針を7Kまで冷却でき、その温度を20時間維持できる。(c)それぞれの探針で原子分解能のSTM像観察が可能。(d)統合型コントローラによって1台のPCで4本の探針を有機的に駆動・制御できる。(e)多機能プリアンプによって、3つの測定モード(それぞれの探針による通常のSTM/STS測定モード、4探針法による電気伝導測定モード、および2探針によるトランスコンダクタンス(グリーン関数)測定モード)を切り替えできる。このような装置は世界的にみても類例が無い。
2. カーボンナノチューブ探針の開発
直径10nm程度の多層カーボンナノチューブを金属探針の先端に接続して、それ全体をPtIr被覆した導電性探針を開発することに成功した。これによって、探針間隔を最小で20nm程度まで小さくすることが可能となった。PtIrの代わりにパーマロイ(NiFe)の薄膜で被覆すると、強磁性体探針となることもわかった。
3. 応用計測
建設した装置を用いて、さまざまな計測に応用した。直径40nm程度のCoSi_2ナノワイヤの電気抵抗は、室温において、探針間隔が20nmで測定しても拡散伝導であることがわかった。Si(111)-4×1-In表面超構造の電気抵抗の温度依存性を測定した結果、In原子鎖の沿う方向とそれに垂直方向で伝導のメカニズムが異なることがわかった。

研究成果

• [雑誌論文] Four-Point Probe Resistance Measurements Using PtIr-Coated Carbon Nanotube Tips (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshimoto, Y. Murata, K. Kubo, K. Tomita, K. Motoyoshi, T. Kimura, H. Okino, R. Hobara, I. Matsuda, S. Honda, M. Katayama, and S. Hasegawa
  • 雑誌名: Nano Letters 7 ページ: 956-960
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • 査読あり
• [雑誌論文] Variable-Temperature Independently-Driven Four-Tip Scanning Tunneling Microscope (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Hobara, N. Nagamura, S. Hasegawa, I. Matsuda, Y. Yamamoto, K. Ishikawa, and T. Nagamura
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 78
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron-phonon interaction and localization of surface-state carriers in a metallic monolayer (2007)
  • 著者名/発表者名: I. Matsuda, C. Liu, T. Hirahara, M. Ueno, T. Tanikawa, T. Kanagawa, R. Hobara, S. Yamazaki, S. Hasegawa, and K. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 99
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • 査読あり
• [雑誌論文] Four-Point Probe Resistance Measurements Using PtIr-Coated Carbon Nanotube Tips (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshimoto, Y. Murata, K. Kubo, K. Tomita, K. Motoyoshi, T. Kimura, H. Okino, R. Hobara, I. Matsuda, S. Honda, M. Katayama, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Nano Letters Vol.7 ページ: 956-960
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Variable-Temperature Independently-Driven Four-Tip Scanning Tunneling Microscope (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Hobara, N. Nagamura, S. Hasegawa, I. Matsuda, Y. Yamamoto, K. Ishikawa, T. Nagamura
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments Vol.78
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Electron-phonon interaction and localization of surface state carriers in a metallic monolayer (2007)
  • 著者名/発表者名: I. Matsuda, C. Liu, T. Hirahara, M. Ueno, T. Tanikawa, T. Kanagawa, R. Hobara, S. Yamazaki, S. Hasegawa, K. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters Vol.99
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quasi-quantum-wire states in an epitaxial Ag film on a one-dimensional surface superstructure (2006)
  • 著者名/発表者名: N.Nagamura, I.Matsuda, N.Miyata, T.Hirahara, S.Hasegawa, T.Uchihashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 96 ページ: 256801-256801
• [雑誌論文] Role of Spin-Orbit Coupling and Hybridization Effects in the Electronic Structure of Ultrathin Bi Films (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Hirahara, T.Nagao, I.Matsuda, G.Bihlmayer, E.V.Chulkov, Yu.M.Koroteev, P.M.Echenique, M.Saito, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 97 ページ: 146803-146803
• [雑誌論文] Quantum regulation of Ge nanodot state by controlling barrier of the interface layer (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Nakayama, I.Matsuda, S.Hasegawa, M.Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 88 ページ: 253102-253102
• [雑誌論文] Direct measurement of the Hall effect in a free-electron-like surface state (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Hirahara, I.Matsuda, R.Hobara, S.Yoshimoto, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 73 ページ: 235332-235332
• [雑誌論文] Self-Assembly of Two-Dimensional Nanoclusters : From Surface Molecules to Surface Superstructure (2006)
  • 著者名/発表者名: C.Liu, I.Matsuda, M.D'angelo, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 74 ページ: 235420-235420
• [雑誌論文] Synthesis of Metal-Alloy Nanowires toward Functional Scanning Probe Microscope (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Konishi, S.Honda, M.Kishida, Y.Murata, T.Yasuda, D.Maeda, K.Tomita, K.Motoyoshi, S.Yoshimoto, R.Hobara, I.Matsuda, J.-G.Lee, H.Mori, K.Oura, S.Hasegawa, M.Katayama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 45 ページ: 3690-3690
• [雑誌論文] Interaction between the adatoms-induced localized state and the quasi-two-dimensional electron gas (2006)
  • 著者名/発表者名: C.Liu, I.Matsuda, R.Hobara, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 96
  • NAID: 10020125183
• [雑誌論文] In situ resistance measurements of epitaxial cobalt suicide nanowires on Si(110) (2005)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Okino,.Iwao Matsuda, Rei Hobara, Yoshikazu Hosomura, Shuji Hasegawa, P.A.Bennett
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 86
• [雑誌論文] Electrical Characterization of Metal-Coated Carbon-Nanotube Tips (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Yoshimoto, Y.Murata, R.Hobara, I.Matsuda, M.Kishida, H.Konishi, T.Ikuno, D.Maeda, T.Yasuda, S.Honda, H.Okado, K.Oura, M.Katayama, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 44
  • NAID: 10016920705
• [雑誌論文] Evolution of Fermi surface by electron doping into a free-electron-like surface state (2005)
  • 著者名/発表者名: I.Matsuda,.T.Hirahara, M.Konishi, C.Liu, H.Morikawa, M.D'angelo, S.Hasegawa, T.Okuda, T.Kinoshita
  • 雑誌名: Physical Review B 71
• [雑誌論文] Exploiting Metal Coating of Carbon Nanotubes for Scanning Tunneling Microscopy Probes (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuya Murata, Shinya Yoshimoto, Masaru Kishida, Daisuke Maeda, Tatsuro Yasuda, Takashi Ikuno, Shin-ichi Honda, Hideaki OkadO, Rei Hobara, Iwao Matsuda, Shuji Hasegawa, Kenjiro Oura, Mitsuhiro Katayama
  • 雑誌名: Japanese Jourmal of Applied Physics 44 ページ: 5336-5338
  • NAID: 10016676608
• [雑誌論文] Electrical Conduction on Various Au/Si(111) Surface Superstructures (2005)
  • 著者名/発表者名: Shiro Yamazaki, Iwao Matsuda, Hiroyuki Okino, Harumo Morikawa, Shuji Hasegawa
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 8 ページ: 497-502
  • NAID: 130004438976
• [雑誌論文] Electrical Resistance of a Monatomic Step on a Crystal Surface (2004)
  • 著者名/発表者名: I.Matsuda, M.Ueno, T.Hirahara, R.Hobara, H.Morikawa, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 93 ページ: 236801-236801
• [雑誌論文] Surface-state electrical conductivity at a metal-insulator transition on silicon (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Tanikawa, I.Matsuda, T.Kanagawa, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 93 ページ: 16801-16801
• [雑誌論文] Non-metallic transport of a quasi-one-dimensional metallic Si(557)-Au surface (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Okino, R.Hobara, I.Matsuda, T.Kanagawa, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 70 ページ: 113404-113404
• [雑誌論文] Electronic Transport in Multiwalled Carbon Nanotubes Contacted with Patterned Electrodes (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Hobara, S.Yoshimoto, I.Ikuno, M.Katayama, N.Yamauchi, W.Wongwiriyapan, S.Honda, I.Matsuda, S.Hasegawa, K.Oura
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 43
  • NAID: 10013469149
• [雑誌論文] Photoemission Structure Factor Effect for Fermi Rings of the Si(111)√<3>×√<3>-Ag Surface (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Hirahara, I.Matsuda, S.Hasegawa
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 2 ページ: 141-145
  • NAID: 130004438912
• [雑誌論文] The effective mass of a free-electron-like surface state of Si(111)√<3>×√<3>-Ag investigated by photoemission scanning tunneling spectroscopies (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Hirahara, I.Matsuda, M.Ueno, S.Hasegawa
  • 雑誌名: Surface Science 563 ページ: 191-198
• [学会発表] Four-Tip Scanning Tunneling Microscope for Measuring Transport in Nanostructures (2007)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 修司
  • 学会等名: アメリカ真空学会第54回シンポジウム
  • 発表場所: シアトル(米国)
  • 年月日: 2007-10-16
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [学会発表] Four-Tip Scanning Tunneling Microscope for Measuring Transport in Nanostructures (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 54th International AVS Symposium
  • 発表場所: Seattle, USA
  • 年月日: 2007-10-16
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] 表面物性工学ハンドブック(第2版) (2007)
  • 著者名/発表者名: 小間篤, 青野正和, 石橋幸治, 塚田捷, 常行真司, 長谷川修司, 八木克道, 吉信淳(編)
  • 総ページ数: 1064
  • 出版者: 丸善
• [図書] SPMロードマップ2005 (2005)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司(分担執筆), 森田清三 編集
  • 総ページ数: 290
  • 出版者: 丸善
• [図書] ナノテクノロジーのための走査電子顕微鏡(日本表面科学会編) (2004)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司, 他(分担執筆)
  • 総ページ数: 296
  • 出版者: 丸善
• [備考] 「研究成果報告書概要(和文)」より
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
• [産業財産権] プローブ位置決め装置 (2007)
  • 発明者名: 保原麗, 長谷川修司, 長村俊彦
  • 権利者名: 東京大学および(株)ユニソク
  • 産業財産権番号: 2007-039718
  • 出願年月日: 2007-02-20
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] プローブ位置決め装置 (2007)
  • 発明者名: 保原麗, 長谷川修司, 長村俊彦
  • 権利者名: 東京大学,(株)ユニソク
  • 出願年月日: 2007-02-20
• [文献書誌] S.Hasegawa, I.Shiraki, 他9名: "Electrical conduction through surface superstructures measured by microscopic four-point probes"Surface Review and Letters. 10. 963-980 (2003)
• [文献書誌] H.Okino, I.Matsuda, T.Tanikawa, S.Hasegawa: "Formation of Facet Structures by Au Adsorption on Vicinal Si(111) Surface"e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. 1. 84-90 (2003)
• [文献書誌] T.Tanikawa, K.Yoo, I.Matsuda, S.Hasegawa: "Non-Metallic Transport Property of the Si(111) 7x7 Surface"Physical Review B. 68. 113303-1-113303-4 (2003)
• [文献書誌] T.M.Hansen, K.Stokbro, 他4名: "Resolution enhancement of scanning four-point probe measurement on 2D systems"Review of Scientific Instruments. 74. 3701-3708 (2003)
• [文献書誌] T.Kanagawa, R.Hobara, I.Matsuda, T.Tanikawa, 他2名: "Anisotropy in conductance of a quasi-one-dimensional metallic surface state measured by square micro-four-point probe method"Physical Review Letters. 91. 036805-1-036805-4 (2003)
• [文献書誌] U.Tanikawa, I.Matsuda, R.Hobara, S.Hasegawa: "Variable-temperature micro-four-point probe method for surface electrical conductivity measurements in ultrahigh vacuum"e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. 1. 50-56 (2003)
• [文献書誌] 日本表面科学会編(長谷川修司, 他10名, 分担執筆): "表面分析技術選書「ナノテクノロジーのための走査電子顕微鏡」"丸善. 196 (2004)