半導体表面上ナノ構造のフェルミオロジー

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14702008
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松田 巌 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (00343103)
• キーワード: フェルミオロジー / 表面 / 低次元物性 / 輸送現象 / 半導体表面 / 光電子分光

研究概要

本研究では半導体表面上金属吸着で形成されるナノ構造のフェルミ面を、超高分解能光電子分光を用いたフェルミ面マッピング法で決定し、その量子物性や輸送現象を調べる。本年度はまず研究に不可欠な機能、すなわち(1)高エネルギー、角度分解能で電子分光ができる、(2)サンプルの2軸回転を自動制御できる、(3)幅広いサンプル温度領域での測定が行える、を兼ね揃えたその実験装置立ち上げを行った。Gammadata Scienta社製電子分析器SES-100の導入やマニピュレーター改造により現在、本装置は^-2meVのエネルギー分解能、^-0.2°の角度分解能、2軸回転のコンピューター制御、90^-300K測定が可能であり、当初の目的を達成した。一方、本装置はマイクロ4端子電気伝導測定も考慮に入れてデザインしてあるのでその拡張とパルス加熱による室温以上での測定も将来実現させる。
本年度は上記の他に、本プロジェクトの主な研究対象であるSi(111)√3×√3-Ag表面についても調べた。表面は金属/半導体界面系のモデルとしてこれまで20年以上も研究されてきたが、その原子構造と電子構造については未だに議論が続いている。そこで放射光実験施設Elletra(イタリア)とPF(日本)そして当研究室での詳細な光電子分光研究の結果、これら基本物性と表面の相転移を決定付ける確固たる証拠を掴んだ。一方この表面に一価原子を吸着させると高い電気伝導を示す√21×√21相が形成されるが、高い電子-格子相互作用を持ち珍しい物性が期待されるNa吸着系に関する報告がない。そこでこの系について電子回折実験を行ったところ√21×√21相を発見し、その原子構造、電子構造そして電気伝導を光電子分光法とマクロ4端子法で調べた。その結果表面は金属的であり、高い電気伝導を示すことが分かった。
以上のように本年度は予定通り装置の立ち上げを完了し、研究対象系のこれまでの議論に決着をつけ、さらには興味深い物性が期待される新物質を発見した。本研究プロジェクト代表者は、上記以外のSi表面上金属吸着系の研究にも従事し、別紙論文リストに示すように報告した。

研究成果

• [文献書誌] I.Matsuda, T.Ohta, H.W.Yeom: "In-plane dispersion of the quantum-well states of the epitaxial silver films on silicon"Physical Review B. 65. 085327 (2002)
• [文献書誌] I.Matsuda, H.W.Yeom: "The study of the quantum-well states in the ultra-thin silver film on the Si surface"Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 126. 101 (2002)
• [文献書誌] 松田巌, H.W.Yeom, 谷川雄洋, 登野健介, 長谷川修司, 太田俊明: "半導体表面上金属超薄膜の量子井戸状態の研究"表面科学. 23. 43 (2002)
• [文献書誌] H.Morikawa, I.Matsuda, S.Hasegawa: "STM observation of Si(111)-α-√3×√3-Sn at low temperature"Physical Review B. 65. 201308(R) (2002)
• [文献書誌] G.LeLay, A.Cricenti, C.Ottaviani, P.Perfetti, T.Tanikawa, I.Matsuda, S.Hasegawa: "Evidence of asymmetric dimers down to 40 K at the clean Si(100) surface"Physical Review B. 66. 153317 (2002)
• [文献書誌] 長谷川修司, 白木一郎, 田辺輔仁, 保原麗, 金川泰三, 谷川雄洋, 松田巌, C.L.Petersen, T.M.Hanssen, P.Boggild, Francois Grey: "ミクロな4端子プローブによる表面電気伝導の測定"表面科学. 23. 740 (2002)
• [文献書誌] S.Hasegawa, I.Shiraki, F.Tanabe, R.Hobara, T.Kanagawa, T.Tanikawa, I.Matsuda, C.L.Petersen, T.M.Hansen, P.Boggild, F.Grey: "Electrical conduction through surface superstructures measured by microscopic four-point probes"Surface Review and Letters. (in printing)(発表予定). (2003)
• [文献書誌] C.Liu, I.Matsuda, H.Morikawa, T.Okuda, T.Kinoshita, S.Hasegawa: "Si(111) √21×√21-(Ag,Cs) surface studied by Scanning Tunneling Microscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy"Japanese Journal of Applied Physics. (accepted)(発表予定). (2003)
• [文献書誌] H.W.Yeom, J.W.Kim, K.Tono, I.Matsuda, T.Ohta: "Electronic structure of the monolayer and double-layer Ge on Si(001)"Physical Review B. (accepted)(発表予定). (2003)
• [文献書誌] 長谷川修司, 白木一郎, 田邊輔仁, 保原麗, 金川泰三, 松田巌: "4探針STMの開発と表面電子輸送の測定"電子顕微鏡. 65(in printing). 201308(R) (2002)
• [文献書誌] M.Ueno, I.Matsuda, C.Liu, S.Hasegawa: "Step edges as reservoirs of adatom gas on a surface"Japanese Journal of Applied Physics. (accepted)(発表予定). 153317 (2003)