| 研究課題/領域番号 |
26246002
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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 |
高村 由起子 (山田由起子) 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (90344720)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ナノ材料 / 二次元材料 / 走査プローブ顕微鏡 / 表面・界面物性 |
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| 研究実績の概要 |
平成27年度は、二ホウ化ジルコニウム（ZrB2）薄膜表面を窒化し、加熱することで得られる一原子厚みの六方晶窒化ホウ素（hBN）にSiを蒸着した際に形成される二次元Si層に関する理解が進展した。ZrB2薄膜上hBN層に室温でSiを蒸着すると、ZrB2薄膜表面に自発形成するシリセンと同じ再構成構造を持った二次状の島が形成されるのが走査トンネル顕微鏡で確認された。蒸着するSiの量を増やすと島と島の間が狭くなっていくが、自発形成されたシリセンの様に表面を完全に覆うことはなく、縞状ドメイン構造も現れない。この実験を放射光施設で再現し、内殻光電子分光で結合状態を、角度分解光電子分光で電子状態を調べることに成功した。その結果、Si原子はhBN上に層を形成しているのではなく、hBNとZrB2の間に拡散してエピタキシャルシリセンを形成していることが明らかとなった。電子状態を測定した結果、ZrB2薄膜上シリセンのものとほとんど同じであったため、hBNはシリセンの構造と電子状態に影響しない、相互作用が非常に少ないパッシベーション層であることが実証された。日単位では不十分であるが、分単位の大気暴露には耐えうる可能性を示唆する実験結果も得られた。このhBN層上に別の薄膜を厚く成長できれば、酸化防止膜として機能することが期待できるため、シリセンと近接してその電子状態や結合状態に影響を及ぼさない物質が存在することが実験から明らかとなったことは意義深いと考えている。
また、今年度は シリセン上にGeを蒸着して、適度な温度処理を与えるとGeがシリセンを排除し、ZrB2(0001)上に原子層物質を形成することも明らかとなった。温度処理条件によっては、ヘテロな積層構造とみられる再構成構造も観察され、今後この積層構造を詳細に調べ、ZrB2層とより相互作用の強いGe層を基板としたシリセンが形成されていないか確かめる。
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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
平成27年度は、ZrB2薄膜上hBN層へのSi蒸着によって形成される二次元Si層に関する理解が、放射光施設で実験を行なった結果、飛躍的に進んだ。当初、走査トンネル顕微鏡観察結果から期待していた、絶縁性、かつ、未結合手を持たないために不活性なhBN層がシリセンと金属的な基板の間に存在し、シリセンと基板の相互作用を弱めている、という結果ではなかったが、シリセン上にhBN層が積層していても、シリセンの電子状態が影響を受けない程度に相互作用が小さいということが実証された。これまで、理論研究では同様な組み合わせでいくつも計算が行われていたが、実験的にシリセンとhBNが積層され、シリセンの電子状態が影響を受けないことが観測されたのは初めてであり、意義深いことと考えている。現在、これらの成果をまとめて、蘭国Twente大学と豪国Wollongong大学の共同研究者とともに投稿論文を執筆中である。
このhBN層よりも、シリセンの基板として可能性のありそうな半導体層状物質に関する提案が、本研究の協力研究者である大学院生からあり、その実験的検証を可能にするために装置整備に着手した。
以上のことから、今年度は本研究課題が順調に進展したものと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、整備中の分子線エピタキシー装置を用いて、シリセンとの格子整合性に優れ、未結合手を持たないために相互作用が小さいことが期待される半導体層状物質、セレン化ガリウム（GaSe）、の単結晶配向薄膜の気相からの成長実験を進め、得られたエピタキシャル薄膜を基板としてシリセンの形成を目指す。hBN上のシリセン形成の試みが失敗に終わったとの話を研究者仲間からちらほらと聞く一方で、半導体層状物質である二硫化モリブデン上への二次元ケイ素層形成の報告は存在する。相互作用が小さすぎて、その上に二次元状のSi層を形成しそうにないhBNと比べ、GaSeのような金属カルコゲナイドはSi原子との相互作用が大きすぎず、小さすぎない可能性がある。単結晶試料は基板としての使用可能性しかないが、気相からの薄膜成長が可能であれば、シリセン上にパッシベーション層として形成する実験にも発展が可能である。最終的には、理論研究でよく取り上げられるGaSe/シリセン/GaSeの様なサンドウィッチ構造をつくることが目標だが、まずはGaSe上にSiの二次元層が形成するかを明らかにする必要がある。
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