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走査トンネル顕微鏡(STM)を用いたこれまでの研究は、表面最外層を対象としたものが大部分であり、表面内部に関する研究はほとんど無かった。本研究では未開拓であったSTMによる表面内部の研究に向けて基礎的・理論的な研究を行った。得られた成果は次の通りである。
1.BEEMのトンネル電流をSTM系とは異なる境界条件で計算し、金属薄膜内の電子ビームの太さが、フェルミ波数とトンネル領域のミクロな原子構造で決まることを明らかにした。また、横方向の共鳴透過効果を新たに見いだした。さらに散乱計算よりブロッホ状態を構成する方法を新たに開発し、BEEM電流の原子スケール変化の一要因としてトンネル電子の運動量分布が重要であることを示した。
2.非弾性散乱の効果を、従来とは異なるユニタリ的・非摂動的な方法を用いて扱い、STMを用いて研究をすることのできる表面内部の深さについて調べた。表面内部の界面を深くすると、非弾性散乱による平均化効果により、電気伝導率がブロッホ波の境界条件の値に近づくことがわかった。また、非弾性散乱の平均自由行程は、散乱が弱い場合には緩和時間から得られるものと一致するが、散乱が強い場合には摂動が破綻して、散乱強度を強くしても短くならないことがわかった。
3.表面状態の存在する場合についてSTMの電気伝導の計算を行った。平坦な表面の伝導率は、表面状態が存在すると、表面最外層のポテンシャルを変化させても、あまり減少しないことがわかった。島状表面ではステップの高さとともに表面状態による伝導がほとんど起こらなくなることがわかった。さらに、双探針STMの電気伝導率は、表面状態が存在すると、探針間距離に反比例することがわかった。
以上の研究成果の発展として、多探針STMを用いたナノスケールでの表面電気伝導に関する理論的な研究が今後期待される。
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