| 研究領域 | 分子アーキテクトニクス：単一分子の組織化と新機能創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
25110011
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
山田 豊和 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 准教授 (10383548)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | マイクロ・ナノデバイス / 走査プローブ顕微鏡 / ナノ材料 / 原子・分子物理 / 表面・界面物性 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では原子分解能を有する走査トンネル顕微鏡(STM)を用いる。STMは、“観る”だけでなく探針を用いて分子を操作できる。動かしたい分子に探針を接近させ、横方向へ針を動かすと１個の分子だけを選択的に移動できる。さらに、電気伝導測定を行いながら探針を分子へ接近させ、探針先端を分子に接触させる事で単分子接合を作成し、単一分子を介する伝導が測定できる。２０１１年に我々はスピン偏極STMを用いて１個の有機分子を介する伝導を調べた所、単一分子を挟む２つの磁性電極の磁化の結合（平行・反平行）で分子を介する伝導を制御できることを発見した。本研究では「スピン偏極ＳＴＭによる単一分子の磁気伝導特性の解明」を行ってきている。
2011年度から2016年度までに、千葉大学において本研究費の補助を受け、4台の超高真空STM装置を自作・開発した。2台は4K, 1台は78K, 1台は300Kで稼働する。さらに2台の4K-STM装置には自作・超伝導コイルを取り付け磁界印可が可能となった。ほか、金成膜装置、真空分子スプレー装置、探針作成装置、等を開発してきた。
これらの装置を駆使して、以下の6つの研究テーマの測定・解明を目指してきている。【1】単一分子磁気伝導への単一磁性原子の影響の定量計測。【2】CO反発相互作用による新たな分子操作技術の開発。【3】グラフェンナノリボン立体構造の作成と電子状態／伝導計測（A01班・A04班との共同）。【4】DNA分子接合の開発と伝導計測（A02班との共同）。【5】室温・単一分子磁気伝導の計測。【6】3次元磁界印可による単一分子磁気伝導の異方性計測。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「スピン偏極STMによる単一分子を介する磁気伝導の解明」では、上記の6つの研究テーマの実現を目指して研究を順次行ってきている。
【1】2016年度までの3台の低温・超高真空STM装置の内、2つに超伝導コイルを搭載できた。層間反強磁性結合のMn膜を基板として使用するためFe(001)基板の清浄化およびMn成膜を実施した。当初、膜にならず粒となってしまった。原因は、坩堝内のMnがMnOに変化したことが原因であった。改善後、正常なMn膜基板の作成に成功した。この表面にフタロシアニン分子を蒸着、極低温で単一磁性原子の吸着を試みた。しかし単一原子でなくクラスター化してしまった。原因は、蒸着器の不具合と判断し改善した。さらに、探針として新たにバルクCr探針を作成しSTMへ導入した。【2】CO分子を介する伝導計測を行ってきた。特にW探針先端にCO分子を吸着させる技術を確立した。探針先端のCO分子1個と基板上のCO分子1個を接近させた際の分子接合の形成と、伝導の変化を計測した。その結果、 CO分子間の強い双極子相互作用により絶対にCO-CO接合は実現しないことを実験と理論計算より確認した。この新たな分子操作メカニズムを統計的に実証するための追加実験を行っている。【3】グラフェンナノリボン溶液をAu基板上に滴下して実験を行ってきた。リボンの立体構造をより人工的に作成するために真空スプレー装置の開発を行った。【4】真空スプレー法によるAu電極基板へのDNA分子架橋を実施した。成功する場合としない場合があり制御方法を探っている。【5】W(110)基板上の3d/4f磁性膜の成膜条件を探ってきている。現在までに原子レベルで平坦な膜の作成には成功していない。【6】2次元ポルフィリン膜の作成に成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
【1】Feウィスカ基板上のMn膜基板にフタロシアニン分子を吸着し極低温で単一磁性原子を蒸着する。バルクCr探針を用いる。磁場を印可するとFeウィスカ基板の保持力は極めて小さいため磁化反転は容易である。1個の分子と1個の原子の磁気ヒステリシス曲線を測定し、磁気結合（異方性）を解明する。【2】Cu(111)上のCO分子を1層吸着すると2次元格子膜となった。この表面でソリトンの時間変動を計測した。ソリトンダイナミクスを実験と理論計算より解明する。【3】グラフェンナノリボン(GNR)を、真空スプレー装置を使って基板に吸着する。人工的にGNRの立体構造を作成する。その電子状態および伝導特性を計測する。 【4】Au電極間にDNA分子を架橋する。DNA分子を介する伝導計測を九工大の装置を用いて行う。【5】W基板上の磁性膜はSTM測定に耐えうるほど平坦にはならない可能性が高い。Kerr磁気計測装置を立ち上げる。室温超高真空STM装置では、Fe(001)ウィスカを基板として使いMn膜を作成。銅コイルを用いて室温でも磁化反転を行う。磁性基板では室温でも単一分子吸着が可能であるため、室温での単一分子磁気伝導計測を行う。【6】2次元ポルフィリン分子膜に極低温で鉄単一原子を吸着する。STM探針操作で任意の位置に原子を移動し、近藤共鳴発現位置の特定を行う。ｘ、ｙ、ｚ方向の磁場を印可し、分子内の各位置でのFe原子のヒステリシス曲線測定を行う。
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