研究課題
本研究では、2つの原子の間に生じる化学結合エネルギーを計測することができる原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、化学結合論を検証することを目的とする。そのために、AFMの探針先端の原子と表面の原子との間の距離を変えながら、2原子間に生じる化学結合エネルギーを精密に計測する。様々な元素の原子対を用いることによって、化学結合に含まれるイオン性・金属性、また結合の方向性など、化学結合論の根幹をなす概念を検証し、それらの適用範囲を調べる。共有結合エネルギーは、原子軌道の化学状態に依存する。例えば、s軌道、sp3混成軌道、p軌道のように原子軌道の波動関数が異なると、共有結合エネルギーが変化すると予想される。そこで、これまで調べてきたシリコン表面の構造とは異なる構造を持つシリコンナノ構造を模索した。銀表面にシリコン原子を蒸着することにより、これまで報告例のないシリコン原子からなるチェーン構造を発見した。AFMにより高分解能に観察し、さらに第一原理計算による構造最適化を行うことによって、シリコン原子の4員環を持つユニークな構造を有してことが判明した。また、チェーン構造の端については、対称性を破る非自明な構造をしており、銀基板の影響について検討した。さらに、高感度に化学結合力を計測する技術を発展させるために、針先端の先鋭化の新しい方法論を提案し、その有用性を実証した。さらに、鈍化した探針先端の形状を再び先鋭化する探針の再生に関しても成果をあげることができた。
2: おおむね順調に進展している
シリコン原子が持つ不対電子は化学結合論を検証するために重要な役割を果たす。その不対電子の波動関数を様々に変えることによって、化学状態が化学結合に及ぼす影響を詳細に調べることを可能にする。今回、シリコン原子の新しい構造を発見したことにより、化学結合測定における幅を広げることができる。
シリコンの様々なナノ構造を基盤として用いて、そこに異種元素を混在させた系を作成して、化学結合を系統的に計測する。それにより、化学結合の元素依存、化学状態依存、電気陰性度依存などを多角的に調べることができる。探針先端の元素も決定した上で、化学結合を系統的に調べることにより、究極的な元素同定にもつながる化学結合論の深化を目指す。
すべて 2021 2020 その他
すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)
Physical Review Materials
巻: 5 ページ: 031002 1-6
10.1103/PhysRevMaterials.5.034002
Physical Review Applied
巻: 15 ページ: 034079 1-8
10.1103/PhysRevApplied.15.034079
Small
巻: 17 ページ: 2008010～2008010
10.1002/smll.202008010
Nanotechnology
巻: 32 ページ: 035706～035706
10.1088/1361-6528/abbea8
Nano Letters
巻: 20 ページ: 8339～8345
10.1021/acs.nanolett.0c03510
Science Advances
巻: 6 ページ: eabb7986 1-5
10.1126/sciadv.abb7986
http://www.afm.k.u-tokyo.ac.jp/
