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2013 年度 実績報告書

ナノ分析顕微鏡を用いた光電変換現象の原子分解能観察

研究課題

研究課題/領域番号 24360016
研究機関大阪大学

研究代表者

阿部 真之  大阪大学, 極限量子科学研究センター, 教授 (00362666)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード走査型プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 光 / 光電変換
研究概要

平成25年度の研究計画としては、(1)測定試料基板を原子レベルで平坦な表面清浄化されたアルミナのプリズムを実現させ、(2)試料表面に光電変換材料をクラスタ構造で配置し、(3)原子レベルで光電変換現象を観察することを目指した。プリズム上のクラスタ構造の原子分解能測定には非接触原子間力顕微鏡(NC-AFM)を、ナノ構造体の電子状態の測定は走査型トンネル顕微鏡(STM)を、光によって励起された電荷の測定はケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)を利用する。具体的な研究の進め方としては、アルミナの短冊形試料を用いて、再現性のある試料清浄化条件を見出し、それをプリズムに適用したいと考えていた。また、光入射型NC-AFMの導入し清浄表面プリズム上でのナノ構造体の実現と電荷測定を行う計画であった。
短冊状のアルミナ試料の清浄表面測定において、R31xR31ユニットセル内部の個々の原子を、凹凸像としては初めて明瞭に観察することに成功した。一方、清浄表面作成には再現性が低いことがわかり、加熱によるアルミナ材料の還元やアルミな表面へのSi蒸着による表面の還元などを検討し実験を行った。その結果、清浄表面が作成できる頻度が向上した(実験階数がまだ少ないため、数値的には明確な改善が見られていない)。また、プリズムの清浄化に向けてプリズム用ホルダを開発した。このホルダの特徴は、小型のプリズムを固定しても光路を確保できる、プリズムの加熱を行うことができる、などの特徴をもつ。
また、光を照射しない状態での原子レベルでの実験も平行して進めた。その結果、AFM/STM同時測定の制御性を向上させ、力とトンネル電流の関係を明らかにすることができた。また、原子操作実験に関しては原子を移動させてクラスタ作成を行うことに成功した。今後、アルミナ表面の清浄化に関する問題を解決し、本研究課題の主テーマを直ちに実行する。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

アルミナ表面の清浄化プロセスではスパッタとアニールを繰り返し行うが、実験を進めていくうちに試料作成条件に再現性があまりないことがわかってきた。パソコンを用いた自動制御で同じ条件での試料作成であっても、清浄表面が出来ない場合が多くあった。そこで、アルミナ表面に関する文献を調査し、またアルミナや触媒を研究している研究者の方々と議論をした結果、アルゴンイオンのような荷電粒子をアルミナに照射するには、アルミナ全体を還元の状態にしておくことが重要であることがわかってきた。このように、アルミナを還元するための様々な方法を試したことが、研究に遅れが生じた原因である。
一方、光を照射しない状態での原子レベルでの実験も平行して進めた。その結果、AFM/STM同時測定の制御性を向上させ、力とトンネル電流の関係を明らかにした。また、原子操作実験に関しては原子を移動させてクラスタ作成を行うことに成功した。したがって、アルミナ表面の清浄化に関する問題を解決することができれば、本研究課題の主テーマを直ちに実行できるものと考えている。

今後の研究の推進方策

アルミナを還元する具体的な方法として、1500Kの加熱、もしくはSiをアルミナ表面に蒸着する方法が有効であることが文献調査によってわかってきた。平成25年度にこの実験を行い頻度が向上しているようなデータが得られたが、実験回数がまだ少ないため、数値的には明確な改善が見られていない。そこで、平成26年度の初頭では、まず、これらの2つの方法の有効性を確認する。有効性を確認し、清浄表面作成の再現性が改善されたならば、同じ試料作成条件でプリズム表面の清浄化を試みる。次に、半導体探針を用いて、光から電荷へのエネルギー変換現象の検出を試みる。具体的には、プリズム表面にレーザー光を入射させ、プリズム表面にエバネッセント光を発生させる。この状態で半導体探針を近づけると、探針に電子ー正孔対が生成され静電気力が働くことが、これまでの実験でわかっている。さらに、プリズム表面にナノ構造体、例えばシリコンや色素などを蒸着し、電荷を高分解能で観察する。

次年度の研究費の使用計画

アルミナ清浄表面の作成条件の実験に遅れが生じており、そのための実験を平成25年度に集中して行わざるを得なかった。その結果、計画していたプリズム表面に光電変換材料を吸着させる実験を行うことができなかった。その実験に使用するための物品購入を行うことができず、結果として次年度使用額が生じた。
表面が清浄化されたプリズムに、エネルギー変換する材料、例えば、シリコンや増感色素などのクラスタを蒸着でとりつけ、光を入射したときのナノ構造体の測定を行うための準備に使用する。具体的には、プリズムにレーザー光を全反射させるときに必要な光学部品や、色素などの試料、蒸着用の真空部品を購入する。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (19件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Quantum Degeneracy in Atomic Point Contacts Revealed by Chemical Force and Conductance2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshiaki Sugimoto, Martin Ondracek, Masayuki Abe, Pablo Pou, Seizo Morita, Ruben Perez, Fernando Flores, and Pavel Jelinek
    • 雑誌名

      PHYSICAL REVIEW LETTERS

      巻: 111 ページ: 106803-1/-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.111.106803

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Role of Tip Chemical Reactivity on Atom Manipulation Process in Dynamic Force Microscopy2013

    • 著者名/発表者名
      Yoshiaki Sugimoto, Ayhan Yurtsever, Masayuki Abe, Seizo Morita, Martin Ondracek , Pablo Pou , Ruben Perez , and Pavel Jelinek
    • 雑誌名

      ACS NANO

      巻: 7 ページ: 7370-7376

    • DOI

      10.1021/nn403097p

    • 査読あり
  • [学会発表] 原子接合における力と電流の関係2014

    • 著者名/発表者名
      杉本宜昭、M. Ondracek、阿部真之、P. Pou、森田清三、R. Perez、F. Flores、P. Jelinek
    • 学会等名
      日本物理学会 第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス、神奈川県平塚市
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] AFMを用いたルチルTiO2(110)上のフォーススペクトロスコピー2014

    • 著者名/発表者名
      杉本宜昭、Ayhan Yurtsever、Delia Fernandez-Torre、Cesar Gonzalez、 Pavel Jelinek、Pable Pou、阿部真之、Ruben Perez、森田清三
    • 学会等名
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学相模原キャンパス、神奈川県相模原市
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] 非接触走査型非線形誘電率顕微鏡を用いたSi(100)-2×1表面における双極子モーメント分布の観察2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木将敬、山末耕平、阿部真之、杉本宜昭、長康雄
    • 学会等名
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学相模原キャンパス、神奈川県相模原市
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡の測定技術2014

    • 著者名/発表者名
      阿部真之
    • 学会等名
      応用科学学会技術講演会
    • 発表場所
      関東学院大学 関内メディアセンター
    • 年月日
      20140306-20140306
    • 招待講演
  • [学会発表] Force- and Current Induced All-Silicon Atom Switching2014

    • 著者名/発表者名
      K. Maeda, S. Yamazaki, R. Takatani, D. Sawada, Y. Sugimoto, M. Abe, P. Pou, R. Perez, P. Mutombo, P. Jelinek, and S. Morita
    • 学会等名
      1st KANSAI Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
    • 発表場所
      Senri Life Science Center, Toyonaka, Osaka, Japan
    • 年月日
      20140203-20140204
  • [学会発表] Atom-Gating of Nano-Space Controlling Thermally Diffusing Single Atom Confined in Si(111)7x7 Half Unit Cell at Room Temperature2014

    • 著者名/発表者名
      Yoshiaki Sugimoto, Shiro Yamasaki, Eiichi Inami, Ayhan Yurtsever, Masayuki Abe, Seizo Morita
    • 学会等名
      Symposium on Surface and Nano Science 2014 (SSNS'14)
    • 発表場所
      Furano, Hokkaido, Japan, at New Furano Prince Hotel
    • 年月日
      20140115-20140118
    • 招待講演
  • [学会発表] AFM/STMを用いた鉛クラスタースイッチの組立2013

    • 著者名/発表者名
      稲見栄一、杉本宜昭、阿部真之、森田清三
    • 学会等名
      2013年度関西薄膜表面物理セミナー
    • 発表場所
      グリーンビレッジ交野、大阪府交野市
    • 年月日
      20131129-20131130
  • [学会発表] STMおよびAFMを用いた電流と力によるSi原子スイッチング2013

    • 著者名/発表者名
      山崎詩郎、高谷玲平、前田圭吾、澤田大輔、杉本宜昭、阿部真之、P. Pou、R. Perez、P. Mutombo、P. Jelinek、森田清三
    • 学会等名
      2013年度関西薄膜表面物理セミナー
    • 発表場所
      グリーンビレッジ交野、大阪府交野市
    • 年月日
      20131129-20131130
  • [学会発表] Fabrication and Control of Pb-trimer Switch Operable at Room Temperature Using a combined AFM/STM2013

    • 著者名/発表者名
      E. Inami, Y. Sugimoto, M. Abe, and S. Morita
    • 学会等名
      12th International Conference on Atomically Controlled Surface, Interfaces and Nanostructure (ACSIN-12 & ICSPM21)
    • 発表場所
      Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Ibaraki, Japan
    • 年月日
      20131104-20131108
  • [学会発表] Current- and Force- Induced Si4 Atom Switching using STM and AFM2013

    • 著者名/発表者名
      S. Yamazaki, R. Takatani, K. Maeda, D. Sawada, Y. Sugimoto, M. Abe, P. Pou, R. Perez, P. Mutombo, P. Jelinek, and S. Morita
    • 学会等名
      12th International Conference on Atomically Controlled Surface, Interfaces and Nanostructure (ACSIN-12 & ICSPM21)
    • 発表場所
      Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Ibaraki, Japan
    • 年月日
      20131104-20131108
  • [学会発表] Mechanical Gate Control for Atom-by-atom Clustering with Scanning Probe Microscopy2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Sugimoto, A. Yurtsever, M. Abe, and S. Morita
    • 学会等名
      12th International Conference on Atomically Controlled Surface, Interfaces and Nanostructure (ACSIN-12 & ICSPM21)
    • 発表場所
      Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Ibaraki, Japan
    • 年月日
      20131104-20131108
  • [学会発表] Beyond Chenical Sensitivity in nc-AFM: Probing Bond Character2013

    • 著者名/発表者名
      M. Ondracek, Y. Sugimoto, M. Abe, A. Yurtsever, J. Onoda, M. Setvin, S. Morita, and P. Jelinek
    • 学会等名
      12th International Conference on Atomically Controlled Surface, Interfaces and Nanostructure (ACSIN-12 & ICSPM21)
    • 発表場所
      Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Ibaraki, Japan
    • 年月日
      20131104-20131108
  • [学会発表] Role of tip chemical reactivity on atom manipulation process in dynamic AFM2013

    • 著者名/発表者名
      A. Yurtsever, Y. Sugimoto, M. Abe, S. Morita, M. Ondracek, P. Pou, R. Perez, and P. Jelinek
    • 学会等名
      12th International Conference on Atomically Controlled Surface, Interfaces and Nanostructure (ACSIN-12 & ICSPM21)
    • 発表場所
      Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Ibaraki, Japan
    • 年月日
      20131104-20131108
  • [学会発表] ケルビンプローブ力顕微鏡の探針極性効果2013

    • 著者名/発表者名
      杉本宜昭、アイハン・ユルトセベル、福本将輝、阿部真之、森田清三
    • 学会等名
      第74回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学京田辺キャンパス、京都府京田辺市
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] Si(111)-(7x7)表面におけるPb原子スイッチの組立と制御2013

    • 著者名/発表者名
      稲見栄一、杉本宜昭、阿部真之、森田清三
    • 学会等名
      第74回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学京田辺キャンパス、京都府京田辺市
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] Force- and Current- Induced Atom Switching2013

    • 著者名/発表者名
      S. Yamazaki, R. Takatani, K. Maeda, D. Sawada, Y. Sugimoto, M. Abe, P. Pou, R. Perez, P. Mutombo, P. Jelinek, and S. Morita
    • 学会等名
      16th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy (nc-AFM2013)
    • 発表場所
      University of Maryland, Hyattsville, Maryland, USA
    • 年月日
      20130805-20130809
  • [学会発表] Control of atom switch of Pb trimerassembled on Si(111)-(7x7) surface using a combined AFM/STM at room temperature2013

    • 著者名/発表者名
      E. Inami, Y. Sugimoto, M. Abe, and S. Morita
    • 学会等名
      16th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy (nc-AFM2013)
    • 発表場所
      University of Maryland, Hyattsville, Maryland, USA
    • 年月日
      20130805-20130809
  • [学会発表] Effect of tip polarity on Kelvin probe force microscopy images of thin insulator CaF2 films on Si(111)2013

    • 著者名/発表者名
      Ayhan Yurtsever, Yoshiaki Sugimoto, Masaki Fukumoto, Masayuki Abe, and Seizo Morita
    • 学会等名
      16th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy (nc-AFM2013)
    • 発表場所
      University of Maryland, Hyattsville, Maryland, USA
    • 年月日
      20130805-20130809
  • [学会発表] A conbined NC-AFM and DFT study of Pt atoms adsorbed on TiO2(110)2013

    • 著者名/発表者名
      Delia Fernandez-Torre, Ayhan Yurtsever, Jo Onoda, Yoshiaki Sugimoto, Masayuki Abe, Seizo Morita, and Ruben Perez
    • 学会等名
      16th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy (nc-AFM2013)
    • 発表場所
      University of Maryland, Hyattsville, Maryland, USA
    • 年月日
      20130805-20130809

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公開日: 2015-05-28  

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