半導体表面上ナノ構造のフェルミオロジー

2003 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 / ステップ / 低次元物性 / 光電子分光 / 輸送現象 / 半導体表面

研究概要

本研究では半導体表面上金属ナノ構造の量子物性や輸送現象をそのフェルミ面を元に調べている。本年度はSi表面上Ag吸着で作成されるSi(111)√3x√3-Ag表面の輸送現象を中心に研究を行った。昨年度立ち上げた超高分解能光電子分光装置により、理想的な2次元電子系に対応する円形のフェルミ面(フェルミ円)が観測され、また有効質量、電子格子結合定数なども精密に得られた。フェルミ円は光電子強度としてイメージ化されたがその強度には波数依存性があった。本研究で強束縛近似に基づいた光電子強度分布計算を行ったところ実験結果が再現された。新しい光電子分光解析を導入し、また表面電子系の光電子強度分布計算は世界的に初めてだったのでこれらを2報の論文にまとめ、国際誌に投稿した。
次に走査型トンネル分光(STS)装置を立ち上げ、Si(111)√3x√3-Ag表面上の原子ステップ周りの電子定在波を観察し、ステップでの電子の透過率を実験的に求めた。そして2次元ランダウアー式を導出し、透過率と光電子分光より得られた物理量を代入して単原子ステップの抵抗を求めた。一方微斜面ウェハー上同表面のマイクロ4端子測定でもステップ抵抗を求めたところ、STSの結果と一致した。すなわち本研究により世界で初めて固体表面上単原子ステップ抵抗及びその輸送機構が明らかにされた。本成果は世界的に評価され、2003年1月に米国で行われた国際会議PCSI-31において招待講演を行った。現在本研究論文はScience誌に投稿中である。
本研究ではさらにSi(111)√3x√3-Ag表面の電気伝導の温度依存性をマイクロ4端子法により調べた。電気伝導は350〜200Kでは金属的だったが、200K以下では半導体的であった。これらの結果は現在解析中である。
本研究プロジェクト代表者は、上記以外の研究にも従事し、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, H.Morikawa, C.Liu, S.Ohuchi, S.Hasegawa, T.Okuda, T.Kinoshita, C.Ottaviani, A.Cricenti, M.D'angelo, P.Soukiassian, G.L.Lay: "An electronic evidence of asymmetry in the Si(111)√3x√3-Ag structure"Physical Review B. 68. 085407 (2003)
• [文献書誌] I.Matsuda, M.Hengsberger, F.Baumberger, T.Greber, H.W.Yeom, J.Osterwalder: "Reinvestigation of the band structure of the Si(111)5x2 Au surface"Physical Review B. 68. 195319 (2003)
• [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. 42. 4894 (2003)
• [文献書誌] 上野将司, 松田巌, 劉燦華, 原沢あゆみ, 奥田太一, 木下豊彦, 長谷川修司: "表面上の2次元吸着原子ガス相と内殻光電子分光"表面科学(Journal of the surface science society of Japan). 24. 556 (2003)
• [文献書誌] T.Tanikawa, I.Matsuda, R.Hobara, S.Hasegawa: "Variable-temperature micro-four-point probe method for surface electrical conductivity measurements in ultrahigh vacuum"e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. 1. 50 (2003)
• [文献書誌] T.Kanagawa, R.Hobara, I.Matsuda, T.Tanikawa, A.Natori, S.Hasegawa: "Anisotropy in conductance of a quasi-one-dimensional metallic surface state measured by square micro-four-point probe method"Physical Review Letters. 91. 036805 (2003)
• [文献書誌] T.Tanikawa, K.Yoo, I.Matsuda, S.Hasegawa, Y.Hasegawa: "Non-Metallic Transport Property of the Si(111) 7×7 Surface"Physical Review B. 68. 113303 (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. 67. 085310 (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. 42. 4659 (2003)
• [文献書誌] H.Okino, I.Matsuda, T.Tanikawa, S.Hasegawa: "Formation of Facet Structures by Au Adsorption on Vicinal Si(111) Surfaces"e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. 1. 84 (2003)
• [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. 10. 963 (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. 38. 36 (2002)