| 研究課題/領域番号 |
18H03879
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| 研究機関 | 北陸先端科学技術大学院大学 |
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研究代表者 |
富取 正彦 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (10188790)
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| 研究分担者 |
新井 豊子 金沢大学, 数物科学系, 教授 (20250235)
大島 義文 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80272699)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 表面・界面物性 / エネルギー散逸 / 走査型プローブ顕微鏡 / 電子顕微鏡 / 接合 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、原子位置の変位や、物質の融着、転移導入過程で散逸される力学的エネルギー（散逸エネルギー）の検出技術を中心に、走査型プローブ顕微鏡（SPM）の観察・解析能力を拡張し、ナノサイズの物質接合の電気・力学特性を原子レベルで評価する。手法として、独自のSPM技術（力学的散逸エネルギーの高感度検出法および分光学的手法、チャージアンプを利用した電荷移動・表面電位の高速・高感度検出法、電子顕微鏡とSPMの複合化技術）を発展させながら複合・集積化をめざしている。
本年度、小型の機械系微動駆動機構を導入した透過型電子顕微鏡（TEM）ホルダーによる研究が進展した。本ホルダー内には長辺振動水晶振動子（LER）を装着してある。LER端と、それに対向する電極との間に、試料となるAuやPtの金属細線を張る。微動駆動機構によって細線を伸展させてナノ接合を形成できる。このナノ接合は微動駆動機構の伸縮によって、さらなる細線化・切断・再接合化もできる。実験では、TEM像を観察しながらナノ接合を伸展させつつ、電気伝導変化を計測すると同時に、LERの共振周波数変化（Δf）（振動振幅約50 pmの条件下）を周波数変調法で計測した。Δfは金属細線のバネ定数に比例する。また、この微小振幅はTEM観察の原子分解能を劣化させない。その結果、細線化に伴いΔfからナノ接合のバネ定数を算出できること、ナノ接合の最小断面積に依存する電気伝導値とTEM像からナノ接合部のヤング率を推量できることが分かった。また、Ptでは断面が1原子からなる原子鎖を作製でき、原子間の結合のバネ定数相当の値（約10 N/m）を算出した。その他、散逸エネルギーをS/N比良く計測するための小型で真空設置対応の高速チャージアンプの開発も進み、また、低温SPMの設計開発、散逸エネルギー測定のための絶縁極薄膜の試料調製とその特性評価も行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
水晶振動子と小型の機械系微動駆動を組み込んだTEMホルダーの開発が順調に進み、上述のように成果を上げている。微動機構の小型化によって機械的熱ドリフトが小さくなり、TEM像の原子分解能を損なうこと無く探針と試料の間に形成されるナノ接合を観察・操作できた。ナノ接合および原子鎖のバネ定数を推定するためのLERの力学基礎特性（振動に関する変位感度）もTEM観察から解析する方法を確立した。また、高感度高帯域チャージアンプの低ノイズ化を図るための小型化・真空動作の開発も進み、実装段階に移った。UHV-SPMの設計・製作も進み、同調高真空装置での液体ヘリウムによる冷却で電界イオン顕微鏡を用いた探針の評価と先鋭化も実施した。振動するSPM探針と試料間で発生するジュール発熱を検出するために散逸エネルギー測定を利用することを画策しているが、その測定評価のための金属試料表面に絶縁極薄膜（最小1 nmの単結晶酸化膜（人工マイカ））を担持させる試料の調製とその基礎評価も進んでいる。総じて、順調に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
小型の機械系微動駆動機構を導入することで、従来よりも安定にナノ接合・原子鎖を調製・操作できるTEMホルダーを利用して、金や白金の原子鎖での隣接原子間で働いている相互作用力を解析する。原子鎖という究極の1次元系物質を構成する原子レベルの力学を探究する。また、チャージアンプをTEMホルダーに装着して散逸エネルギーの高感度検出をめざす。これを利用して、ナノ接合を力学的に操作したときに起こる非可逆な原子過程をTEM観察しながら調べる。さらに、散逸エネルギー計測に基づいた表面原子の揺動を解析するために、理論的検討を含め、低温での揺動を調べるための装置開発も進める。さらに、ジュール発熱に伴う散逸エネルギーの測定を行い、力学的測定で表面・界面の電子物性を計測する手法の可能性を探る。
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