元素分析機能を有する走査トンネル顕微鏡の試作

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11555005
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 前田 康二 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (10107443)
• 研究分担者: 長村 俊彦 (株)ユニソク, 研究開発部, 部長(研究職) ; 目良 裕 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (40219960)
• キーワード: 走査トンネル顕微鏡 / 元素分析 / 物質同定 / 光吸収スペクトル / 電場変調分光 / ナノ分解能 / 探針 / GaAs

研究概要

走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて観察領域の元素分析を可能とするシステムを試作する目的で、一昨年度は蛍光X線分析測定を、昨年度は光吸収分光測定をナノスケールで行うことを試みた。後者のなかでも、STM探針を用いた電場変調分光法で得られる局所的バンドギャップなどの情報から、半導体物質の同定をナノスケールの空間分解能で行えることが分かった。これらの実験においては、波長可変照射光光源として通常のハロゲン白色光源をモノクロメータで分光した光を用いている。このような比較的低強度の光でも予想外に高い信号強度が得られることから、金属(Pt-Ir合金)探針先端でプラズマ共振により照射光電場強度が局所的に増大している可能性がある。今年度は、この探針による光電場増強効果と、STMの電圧-電流の非線形特性を利用して、探針先端で差周波赤外光を発生することにより、分子、格子振動による赤外吸収を同じSTM探針で検出する新しい分析法を実験的に試みた。まず、定量的な検討を行い、用いるべきレーザとして、まず十分な強度を有し、波長可変で、かつ準連続光が得られる(断続光はSTM探針に断続的な熱膨脹変動を引き起こし、安定なSTM実験を不可能にする)モードロックチタンサファイアレーザと、やはり十分な強度を有し、波長変調が可能(ロックイン検出によるS/N比の向上が期待できる)な連続光源である半導体レーザを組み合わせればよいとの結論を得た。チタンサファイアレーザ光と半導体レーザからの光を同軸上に合流して、超高真空チャンバー内にあるSTM試料に照射するための光学系の設計と製作を行った。十分な強度の差周波光が得られるか否か見通しをつけるため、探針-試料間の非線形な電圧-電流特性に起因する整流電流が、それぞれ個別の光照射によってどの程度生ずるかを測定した。光電場増強効果が小さいはずのW探針でも検知可能な信号が得られることから、最終的に光電場増強効果が大きいAg探針を用いれば十分な強度の差周波光が得られるとの見通しを得た。

研究成果

• [文献書誌] A.Hida, et al.: "Photoabsorption Spectroscopy on Nanometer Scale by Scanning Tunneling Microscopy"Solid State Phenomena. 78-79. 419-424 (2001)
• [文献書誌] Y.Nakamura, et al.: "Diffusion of Chlorine Atoms on Si (111)-(7×7) Surface Enhanced by Electron Injection from Scanning Tunneling Microscope Tips"Surf. Sci.. 487. 127-134 (2001)
• [文献書誌] A.Hida, et al.: "Electric Field Modulation Spectroscopy by Scanning Tunneling Microscopy with a Nanometer-scale Resolution"Appl. Phys. Lett.. 78・20. 3029-3031 (2001)
• [文献書誌] A.Hida, et al.: "Nanometer Scale Measurements of Photoabsorption Spectra of Individual Defects in Semiconductors"Appl. Phys. Lett.. 78・21. 3190-3192 (2001)
• [文献書誌] A.Hida, et al.: "The Strain Field around a Single Point Defect in Semiconductors Spatially Resolved by Electric Field Modulation Scanning Tunneling Spectro-Microscopy"Physica B. 308-310. 1145-1149 (2002)
• [文献書誌] A.Hida, et al.: "Indentification of Arsenic Antisite Defects with EL2 by Nanospectrosopic Studies of Individual Centers"Physica B. 308-310. 738-741 (2002)