運動量-エネルギー空間における原子層レベルのキャリアダイナミクスと物性制御

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450019
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 長尾 忠昭 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (40267456)
• 研究分担者: 櫻井 利夫 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (20143539) ; 長谷川 修司 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助教授 (00228446) ; 稲岡 毅 岩手大学, 工学部, 助教授 (40184709) ; 藤川 安仁 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (70312642) ; SADOWSKI J T. 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (40333885)
• キーワード: プラズモン / EELS / LEED / シリコン / 超薄膜 / エピタクシャル成長

研究概要

エピタクシャル金属超薄膜や金属的電子状態をもつ表面超構造、低次元導電性固体などは近年興味深い物理現象が数多く見出され、また電子デバイスのミニチュアリゼーションの観点からもその注目度は年々高まっている。本研究では、これまでエネルギー分散関係の直接測定が難しかった低次元プラズモンの精密測定を行うことで低次元電子系・ホール系のダイナミクスの詳細を明らかにし、低次元伝導構造をベースとした新材料創製へ向けた基礎原理・指針を探る。さらに、高分解能型低速電子回折法、高波数分解型エネルギー損失分光法を用い、ナノモルフォロジーを制御性良く作成しながら(例えば低次元系に良く規定されたナノスケール変調構造を導入するなど)、集団運動する電荷(プラズモン)がナノ構造により散乱されたりナノ構造に閉じ込められる際のダイナミクスを調べ、それに起因する新しい機能物性発現の可能性を探索してゆく。
本年度は実験装置の再立ち上げと装置高性能化を完了し、シリコン表面に低温蒸着による「electronic growth法」でナノ構造制御された高品質のAg(111)超薄膜を作成し、その成長ダイナミクスとプラズモン分散関係をエネルギー分解能約10meV、波数分解能0.006 1/Åの高波数分解EELS・LEED法により測定した。その結果、膜厚・波数に応じて変化する2つのプラズモンモードを観察することに成功し、そのうち一つはこれまで理論的には予言されていたが、分散測定の無かった界面プラズモンモードであることが明らかになった。半古典的な誘電理論にバルク誘電定数を代入することでAg/Siヘテロ系のプラズモン分散関係を計算した結果、実験で観測したモードとほぼ同じエネルギーと形状を持つ分枝が再現できた。Ag以外の貴金属超薄膜や様々なシリコン表面超構造についても同様な測定を行い、理論と実験との詳細な対比を行った。

研究成果

• [文献書誌] 長尾忠昭: "高波数分解LEED・EELS法と低次元ナノ物性計測"電子顕微鏡. 37. 103-108 (2002)
• [文献書誌] 稲岡 毅: "高分解能電子エネルギー損失分光におけるプローブ分散領域の運動学的解析"真空. 45・3. 200-203 (2002)
• [文献書誌] S.Abe, T.Inaoka, M.Hasegawa: "Evolution of electron states at a narrow-gap semiconductor surface in an accumulation-layer formation process"Physhical Review B. 66・20. 205309(8) (2002)
• [文献書誌] M.Yamaguchi, T.Inaoka, M.Hasegawa: "Electronic Excitations in a Nonparabolic Conduction of an n-Type Narrow-Gap Semiconductor"Physhical Review B. 65・8. 85207(9) (2002)
• [文献書誌] V.U.Nazarov, S.Nishigaki, T.Nagao: "Nonlinear mechanism of plasmon damping in elecgtron gas"Physhical Review B. 66・9. 092301(4) (2002)
• [文献書誌] Y.Fujikawa, K.Akiyama, T.Nagao, T.Sakurai, M.G.Lagally, T.Hashimoto, Y.: "Origin of the Stability of Ge(105) on Si : A New Structure Model and Surface Strain Relaxation"Physical Review Letters. 88. 176101-1-176101-4 (2002)