超低温走査プローブ法による2次元電子系の磁場中局所状態密度観測

• 研究課題/領域番号: 17684011
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 神原 浩 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助教 (00313198)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円); 2007年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2006年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2005年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
• キーワード: 走査プローブ顕微鏡 / 低温物性 / 半導体物性 / 表面・界面物性 / 量子ドット / 量子ホール効果

研究概要

グラファイトおよび半導体という異なる2つの2次元電子系において、その高磁場中における特異な電子状態-量子ホール状態と端状態-を、超低温走査トンネル顕微/分光装置(ULT-STM/STS)を用いて実空間観測による研究を行ってきた。
昨年度までに高配向性熱分解グラファイト(HOPG)試料表面上の原子数個程度の大きさの格子欠陥周辺において、磁場中ではランダウ準位間のエネルギーに局在状態が形成されていることを実空間観測し、それが、クーロン引力型のポテンシャルによって捕獲された電子系として、状態密度分布の理論計算結果と半定量的に一致することなどを明らかにしてきた。このグラファイト表面上の量子ホール効果的なふるまいをさらに追求し、より理想的な2次元電子系上での電子状態の観測を行うため、昨年度より、バルクのグラファイトから単層のグラファイトシート(グラフェン)を作製・抽出する作業に取り組んできた。マンチェスター大学のグループが行ったミクロ劈開の方法を追試した結果、今年度初めてシリコン基板上にグラフェンを作製することに成功した。これが数層ではなく、"単層"のグラフェンシートであることを、AFMによる厚さ測定、並びに高磁場中の2端子伝導度測定により行い、グラフェンに特有の半整数量子ホール効果を確認できた。作製したグラフェン試料(最大でも数十μm程度)の低温・高磁場中でのSTM/STS観測を目指し、STM探針をアプローチさせるための粗動機構の改良と、金蒸着膜のガイドラインを試料周辺に作製する微細加工技術の開発を行ってきた。低温・磁場中でのグラフェンSTM/STS観測が現在進行中である。

研究成果

• [雑誌論文] Temperature Dependence of the Impurity-induced Resonant State in Zn-doped Bi_2Sr_2CaCu_2O_<8+δ> by Scanning Tunneling Spectroscopy (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kambara, Y. Niimi, M. Ishikado, S. Uchida, and H. Fukuyama
  • 雑誌名: Physical Review B 76 ページ: 52506-52506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Construction of a Versatile Ultralow Temperature Scanning Tunneling Microscope (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kambara, T. Matsui, Y. Niimi, and H. Fukuyama
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 78 ページ: 73703-73703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Construction of a Dilution Refrigerator Based Ultra-Low Temperature Scanning Tunneling Microscope (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kambara, T.Matsui, Y.Niimi, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 45・3B ページ: 1909-1909
• [雑誌論文] Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy of the Electronic Local Density of States of Graphite Surfaces Near Monoatomic Step edges (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Niimi, T.Matsui, H.Kambara, K.Tagami, M.Tsukada, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Physical Review B 73 ページ: 85421-85421
• [雑誌論文] Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy of Sr_2RuO_4 (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kambara, Y.Niimi, K.Takizawa, H.Yaguchi, Y.Maeno, H.Fukuyama
  • 雑誌名: AIP Conference Proceeding 850 ページ: 539-539
• [雑誌論文] NMR Measurements on New Quantum Phases in 2D ^3He (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Murakawa, H.Akisato, Y.Matsumoto, D.Tsuji, K.Mukai, H.Kambara, H.Fukuyama
  • 雑誌名: AIP Conference Proceeding 850 ページ: 311-311
• [雑誌論文] Real-Space Imaging of Alternate Localization and Extension of Quasi-Two-Dimensional Electronic States at Graphite Surfaces in Magnetic Fields (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Niimi, H.Kambara, T.Matsui, D.Yoshioka, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 97 ページ: 236804-236804
• [雑誌論文] STM/STS Measurements of Two-Dimensional Electrons Trapped around Surface Defects in Magnetic Fields (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Niimi, T.Matsui, H.Kambara, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Physica E 34 ページ: 100-100
• [雑誌論文] Construction of a Dilution Refrigerator Based Ultra-Low Temperature Scanning Tunneling Microscope (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Kambara, T.Matsui, Y.Niimi, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 45・3B(印刷中)
• [雑誌論文] 超低温走査トンネル顕微鏡の製作 (2006)
  • 著者名/発表者名: 神原 浩, 松井朋裕, 福山 寛
  • 雑誌名: 固体物理 41・2 ページ: 99-99
• [雑誌論文] Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of the electronic local density of states of graphite surfaces near monoatomic step edges (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Niimi, T.Matsui, H.Kambara, K.Tabami, M.Tsukada, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Physical Review B 73(印刷中)
• [雑誌論文] STM/STS Measurements of Two-Dimensional Electrons Trapped around Surface Defects in Magnetic Fields (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Niimi, T.Matsui, H.Kambara, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Physica B (印刷中)
• [雑誌論文] Development of an ultra-low temperature scanning tunneling microscope and applications for low temperature physics (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Kambara, T.Matsui, Y.Niimi, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Journal of Physics and Chemistry of Solids 66 ページ: 1552-1552
• [雑誌論文] STS observations of landau levels at graphite surfaces (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Matsui, H.Kambara, Y.Niimi, K.Tagami, M.Tsukada, H.Fukuyama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 94 ページ: 226403-226403
• [学会発表] 磁場中2次元電子系のSTS観測 (2007)
  • 著者名/発表者名: 松井朋裕、神原 浩
  • 学会等名: 日本物理学会(第62回年次大会)
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2007-09-23