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表面ナノ元素分布計測のための放射光X線-原子間力顕微鏡の開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K05266
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
研究機関名古屋大学

研究代表者

鈴木 秀士  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (30322853)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2020年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワード非接触原子間力顕微鏡 / 放射光X線 / 元素分析 / ナノスケール / 表面・界面 / 半導体 / ゲルマニウム / 空間分解能
研究開始時の研究の概要

ムーアの法則を”超える”技術として近年、原子や分子を素子とした論理回路の実証実験が始まっている。これに合わせ、構造・組成・機能を原子~ナノスケールで統合的に理解するための環境整備が急務である。本研究では、表面ナノ構造や物性を分析できる非接触原子間力顕微鏡(NC-AFM)と化学分析が可能な放射光X線(SR X-ray)を組み合わせ、ナノスケールの構造・組成・機能を総合的に分析する「X線支援非接触原子間力顕微鏡(XANAM:ザナム)」の開発を行う。本申請期間では元素別データの拡充と現象・原理の理解を進めるとともに、空間分解能の向上を図り、「元素検知テスター」としてのポテンシャルを証明する。

研究実績の概要

今後の表面/界面の物性研究では、ナノ構造を構成する原子の元素情報や化学状態の理解がますます重要になる。そこで我々は、非接触原子間力顕微鏡(NC-AFM)の空間分解能で表面化学分析を実現することを目指し、NC-AFMと放射光X線を組み合わせた「X線支援原子間力顕微鏡(XANAM)」を開発してきた。NC-AFMの研究では、探針-試料間に働く原子間力には、van der Waals力と静電気力の他、共有結合力も含まれる事が既に知られている。我々は、共有結合力の電子密度を変化できればNC-AFMの力信号の変化が観測でき、これを試料元素固有のX線吸収端エネルギーのX線励起で行えば、試料表面の元素マッピングできると考えた。しかしこれまでは、「X線でNC-AFMの原子間力が変化し試料表面の元素マッピングが可能」とは示せたが、空間分解能の到達限界の検証には至れなかった。そこで本研究では、Ge半導体表面でXANAMの空間分解能の到達限界を検討した。
実験は放射光施設KEK-PF(茨城県つくば市)で行った。試料はSi基板上に作成したGe量子ドット(Ge-QD)(名古屋大学大学院工学研究科 宮崎研究室より提供)を用いた。前年度の結果から、Ge表面でもGe-K吸収端の11103 eV付近で力信号の応答があるとわかっている。そこでフォースカーブの連続測定による力の3次元データΔf(x, y, z)をX線エネルギー(E)掃引しながら行い、Ge-QDに関する力信号の4次元データΔf(x, y, z, E)を取得した。これより、少なくとも数ナノメートル程度の空間分解能でX線誘起の力信号応答が計測可能とわかった。同測定では、Ge-QDをSiで被覆すると応答が得られないことも確認できており、元素マッピングに共有結合力が介在していることが強く支持される。より精密な測定ならば原子分解能も十分到達可能と期待された。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] XANAM measurements on Ge surfaces for surface chemical imaging2019

    • 著者名/発表者名
      S. Suzuki, S. Mukai, W.J. Chun, M. Nomura, S. Fujimori, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki, K. Asakura
    • 雑誌名

      Proceedings of 12th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '19 (ALC'19)

      巻: - ページ: 87-89

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Application of surface chemical imaging by XANAM to Ge surfaces2019

    • 著者名/発表者名
      S. Suzuki, S. Mukai, W.J. Chun, M. Nomura, S. Fujimori, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki, K. Asakura
    • 雑誌名

      Proceedings of 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VIII)

      巻: - ページ: 111-112

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Analysis of Incident X-ray Energy Influence on the Tip-Surface Force on the Ge Surface by XANAM2019

    • 著者名/発表者名
      S. Suzuki, S. Mukai, W.-J. Chun, M. Nomura, and K. Asakura
    • 雑誌名

      Photon Factory Activity Report 2018

      巻: 36B ページ: 248-248

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] X線支援原子間力顕微鏡XANAMによるX線誘起の力変化を利用したSi基板上のGe量子ドットのX線元素分析2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤森 俊太郎, 池田 弥央, 牧原 克典, 宮﨑 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      日本化学会 第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] XANAMによるSi-Ge量子ドットにおけるX線誘起力変化の調査2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤森 俊太郎, 池田 弥央, 牧原 克典, 宮﨑 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      第68回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] XANAMにより測定したGe量子ドット像のX線エネルギー依存性2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤森 俊太郎, 池田 弥央, 牧原 克典, 宮﨑 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      第68回 応用物理学会 春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Evaluation of Spatial Resolution of XANAM using Ge Quantum Dots on a Si Substrate2020

    • 著者名/発表者名
      S. Suzuki, S. Mukai, W.-J. Chun, M. Nomura, S. Fujimori, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki, K. Asakura
    • 学会等名
      28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM28)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] X線支援非接触原子間力顕微鏡(XANAM)による半導体表面のナノスケール元素分析2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤森 俊太郎, 池田 弥央, 牧原 克典, 宮﨑 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] XANAMによるGe量子ドット像の1次元 元素マッピング2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤森 俊太郎, 池田 弥央, 牧原 克典, 宮﨑 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] NC-AFMとの融合によるGe表面の局所X線元素分析2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤. 俊太郎, 池. 弥央, 牧. 克典, 宮. 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Ge 量子ドット像のXANAM によるX 線エネルギー依存性測定2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤. 俊太郎, 池. 弥央, 牧. 克典, 宮. 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] XANAM measurements on Ge surfaces for surface chemical imaging2019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki, S., S. Mukai, W.-J. Chun, M. Nomura, S. Fujimori, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki and K. Asakura
    • 学会等名
      12th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '19 in conjunction with the 22nd International Conference on Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS XXII)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of surface chemical imaging by XANAM to Ge surfaces2019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki, S., S. Mukai, W.-J. Chun, M. Nomura, S. Fujimori, M. Ikeda, K. Makihara, S. Miyazaki and K. Asakura
    • 学会等名
      8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VIII)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ge試料表面構造のXANAM像の取得2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤. 俊太郎, 池. 弥央, 牧. 克典, 宮. 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] X線支援非接触原子間力顕微鏡(XANAM)によるGe表面の力イメージング2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木秀士, 向井慎吾, 田旺帝, 野村昌治, 藤. 俊太郎, 池. 弥央, 牧. 克典, 宮. 誠一, 朝倉清高
    • 学会等名
      2019年日本表面真空学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2022-12-28  

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