走査プ-ブ顕微鏡を用いてナノ加工した半導体表面での光電極反応

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07228204
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 魚崎 浩平 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20133697)
• 研究分担者: 叶 深 北海道大学, 大学院・理学研究科, 助手 (40250419) ; 近藤 敏啓 北海道大学, 大学院・理学研究科, 助手 (70240629) ; 中林 誠一郎 埼玉大学, 理学部, 助教授 (70180346)
• キーワード: 走査型トンネル顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / GaAs / 表面原子像 / アノード溶解 / 光電気化学

研究概要

本研究は面構造が規定された半導体単結晶表面を基板とし、その表面を走査型プローブ顕微鏡システムを用いてnmスケールで加工する技術を開発するとともに表面構造による反応性の違いを観察し半導体の光電極反応を制御することを目的に行っている。本年度はAFM探針による半導体表面ナノ加工法について詳細に検討した。
10mM H_2SO_4溶液中で、AFM探針を強い力(10nN)で走査を繰り返すことによってCaA表面を加工できることがわかった。表面加工は、50nmから数μmの範囲で行うことができた。電極電位が同じならば形成される構造の深さは、探針の走査速度には影響を受けず、探針の走査回数に依存し。p-GaAsについては開回路電位よりも電位が正の場合には、表面溶解反応で生じるアノード電流の増加に伴い、加工された構造の深さは深くなった。一方、開回路電位よりも電極電位がなり負であると探針走査を繰り返しても表面加工はほとんど起こらなかった。これは、表面がAFM探針走査によって単に機械的に削られるのではなく、AFM探針を繰り返した部分が反応の活性点になり、表面溶解反応が選択的に起こっていることを示している。また、開回路電位付近で表面加工が起こったのは、カンチレバ-のたわみを検出するレーザー光によって生じたカソード電流を補償するためにアノード電流が流れたためであろう。酸化膜で覆われている部分は、不働態化され、溶解反応が起こりにくくなっているが、探針走査によって表面の酸化膜が除去されると、基板のGaAs表面が出現するために、探針走査を繰り返した部分で選択的溶解が起こると考えられる。
n-GaAs電極では表面溶解に関与するアノード電流は光電流であるため、AFM探針による表面加工が光照射に影響を受けた。外部からハロゲンランプによって、n-GaAs電極表面に光を照射するとAFM探針走査による表面加工がより負の電位で起こるようになった。表面加工が起こり始める電位は光電流が流れ始める電位とほぼ一致していた。また同電位では、電極表面に光を照射した時の方が形成される構造の深さは深くなった。これは、光照射によって生成された正孔によって、表面溶解反応が促進した結果であると考えられる。n型電極の場合もp型電極の場合と同様に、かなり負の電位領域では表面は加工されなかった。

研究成果

• [文献書誌] Y.Sato: "Electrochemical and Electrogenerated Chemiluminescence Properties of Tris(2, 2'-bipyridine)ruthenium(II)tridecanethiol Derivative on ITO and Gold Electrodes" J. Elederoanal. Chem.384. 57-66 (1995)
• [文献書誌] K. Uosaki: "Time Dependent Electroluminescence Spectra at n-type Porous Silicon/Electlyte Solution Interface Induced by Hole Injection" Chem. Lett.667-668 (1995)
• [文献書誌] S. Nakabayashi: "Long-Life Excited States of Cds Photocatalytic Particles" Bull. Chem. Soc. Jpn.68. 3049-3053 (1995)
• [文献書誌] S. Nakabayashi: "Electrostatic Kerr Effect at a Potentiostatically Controlled Liquid/Liquid Interface" J. Electroanal. Chem.396. 397-399 (1995)
• [文献書誌] K. Uosaki: "Study of the Electronic Structure of GaAs(100)Single Crystal Electrode/Electrolyte Interfaces by Electrochemical Tunneling Spectroscopy" Bull. Chem. Jpn.69. 275-288 (1996)
• [文献書誌] I. Yagi: "In situ Optical Second Harmonic Generation Studies of Electrochemical Deposition of Tellurium on Polycrystalline Gold Electrodes" J. Electroanal. Chem.(in press). (1996)
• [文献書誌] M. Koinuma: "AFM Tip Induced Selective Electrochemical Etching of and Metal Deposition on p-GaAs(100)Surface" Surf. Sci,. (in press). (1996)
• [文献書誌] M. Koinuma: "Atomic Structure of Bare p-GaAs(100)ands Electrodeposited Cu on p-GaAs(100)Surface in H_2SO_4 Solutions-An AFM Study" J. Electroanal. Chem.(in press). (1996)
• [文献書誌] K. Uosaki: "Visible Electroluminescence from p-type Porous Silicon in Electrolyte Solution" J. Phys. Chem.(in press). (1996)
• [文献書誌] T. Kondo: "Photoelectrochemical Characteristics of Self-Assembled Monolayer of Porphyrinmercaptoquinone Coupling Molecules" Thin Solid Films. (in press). (1996)