Si(111)-7x7に形成されるZn3-クラスターとその羽カム積層構造の決定

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15510095
• 研究機関: 埼玉工業大学
• 研究代表者: 田中 虔一 埼玉工業大学, 大学院, 教授 (00016718)
• キーワード: Si(111)-7x7表面 / 解離吸着(CH_3OH, C_2H_5OH, CH(CH_3)_2OH) / STM / NO吸着 / Site dependent Kinetics / Si-adatom、Si-rest atom / Zn_3Sn_2クラスターの配列 / 新物質層

研究概要

Si(111)-7x7表面はDASモデルと呼ばれているSi原子の配列により構造と電子状態が最もよく記述できる。このモデルによると7x7構造のUnit Cellは積層欠陥を持つfaulted half unit cellと積層欠陥のないunfaulted half unit cellから成る。各half unit cellにはDangling Bondを持つSi原子が9個含まれる。これらは6個のSi原子はSi-Adatomと3個のSi-Rest Atomであるが、Si-AdatomのDangling Bondは殆ど電子のない軌道であるのに対しSi-Rest Atom上のDangling Bondには電子が詰まっている。Si(111)-7x7表面での金属原子の吸着や分子との反応はDangling Bondとの相互作用によっておきる。このような視点から、個々のSi原子がどのように反応や吸着に関与するかを観測できる初期の状態を個々の原子について調べた。Sn原子は孤立状態では1つのhalf unit cell内を動き回るだけであるが隣のhalf unit cellにSn原子が来ると移動しCenter Si-adatom上でSn_2クラスターを形成し安定化する。Znの場合はhalf unit cell内でZn_3として安定化する。さらに分子との吸着や反応について個々のサイトの電子状態および構造にどのように支配されるかをアトムレベルで明らかにした。その結果、従来の回折あるいは電子分光による平均的な現象記述から一歩踏み込んだ本質的な理解が可能になった。これらの結果から、Si(111)表面のSi原子と選択的に反応させることで表面に原子レベルでのパターンの書き込みや加工が可能になると考えている。例えば、Si(111)-7x7表面でCH_3OHは電子密度が低いDangling Bondと詰まったDangling Bond間でSi-OCH_3とSi-Hに解離吸着することをトンネルスペクトルで明らかにした。従って、飽和吸着では3個のSi-rest atomは全てSi-HとなるがSi-adatomは3個が使わるだけなので全てのhalf unit cellで3個が未反応の状態で残っている。このような操作により、全てのhalf unit cellに正確に3個のSi原子を残すことが可能になり、これを使って次の表面操作が可能になる。この考えをNOの吸着を使って証明した。さらにサイト選択がσexp(-ε/kT)で記述されるσで決まることを始めて実証した。

研究成果

• [文献書誌] K.Tanaka, Z-X.Xie, T.Egawa, M.Aramata: "Dynamics of Sn and Zn atoms on a Si(111)-7x7 surface"J.Molecular Catal.,A : Chemical. 199. 19-26 (2003)
• [文献書誌] K.Tanaka, Y.Moro-oka, K.Ishigure, T.Yajima, Y.Okabe, H.Hamano, S.Sekiya, H.Tanaka, Y.Matsumoto, H.Koinuma, H.He, C.Xhang, Q.Feng: "A new catalyst for selective oxidation of CO in excess H2."Catalysis Lett.. 92. 115-121 (2004)
• [文献書誌] 田中 虔一: "ナノ物質、ナノ構造の形成を支配する弱い相互作用"表面科学. 24. 701-714 (2003)
• [文献書誌] K.Tanaka, Y.Nomoto, Z-X.Xie: "Dissociation Mechanism of 2-Propanol on a Si(111)-7x7 Surface Studied by Scanning Tunneling Microscopy"J.Chem.Phys.. 120. 4486-4491 (2004)
• [文献書誌] K.Tanaka, Z-X.Xie: "The pattern made by dissociation of methanol on a Si(111)-7x7 surface."J.Chem.Phys.. (submitted).