2015 Fiscal Year Annual Research Report
スピン偏極ＳＴＭによる単一分子の磁気伝導特性の解明
| Project Area | Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function |
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| Project/Area Number |
25110011
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
山田 豊和 千葉大学, 融合科学研究科(研究院), 准教授 (10383548)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 走査プローブ顕微鏡 / ナノ材料 / 原子・分子物理 / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では原子分解能を有する走査トンネル顕微鏡(STM)を用いる。STMは、“観る”だけでなく探針を用いて分子を操作できる。動かしたい分子に探針を接近させ、横方向へ針を動かすと１個の分子だけを選択的に移動できる。さらに、電気伝導測定を行いながら探針を分子へ接近させ、探針先端を分子に接触させる事で単分子接合を作成し、単一分子を介する伝導が測定できる。２０１１年に我々はスピン偏極STMを用いて１個の有機分子を介する伝導を調べた所、単一分子を挟む２つの磁性電極の磁化の結合（平行・反平行）で分子を介する伝導を制御できることを発見した。本研究では「スピン偏極ＳＴＭによる単一分子の磁気伝導特性の解明」を行ってきている。
以下の３研究テーマの測定・解明を目指してきている。（１）STM原子操作による磁性原子と単一分子複合体を介する磁気伝導。（２）CO単一分子・磁性原子複合体を介する磁気伝導測定。（３）グラフェンナノリボン伝導への有機分子・磁性原子ドープ効果。
（１）原子レベルで平坦な基板に吸着したπ電子系の単一フタロシアニン分子に、同じ基板上に吸着した単一磁性原子をSTM探針で動かし任意の位置に吸着させる。原子は、分子の吸着位置により異なる配位子場分裂を生じ、異なるスピン角運動量Sおよび伝導が生じると考える。原子レベルでの分子伝導制御を行う。（２）２次元CO膜は分子グラフェンの特性を示すことが知られる。このCO分子と単一磁性原子をSTM原子操作で組み合わせることで、人工的に新たな原子複合体ができる。１個の原子・分子が与える伝導への影響を正確に測定する。（３）グラフェンナノリボンはグラフェンと類似の伝導特性を有するが、幅とキラリティを有する。これに単一分子・単一磁性原子・単一ナノ磁石を吸着することで、グラフェン伝導の新たな可能性を探る。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「スピン偏極STMによる単一分子を介する磁気伝導の解明」では、上記の３つの研究テーマの実現を目指して研究を順次行ってきている。
（１）２０１５年度までに、Cu(111)基板上にH2Pc単一分子を吸着し、同じ試料基板上にFe単一原子を吸着した。STM探針を用いて原子を分子に向けて動かした。その結果、分子の上２サイトに吸着することがわかった：分子の中心と側鎖の上。STM分光測定と第一原理計算より、吸着サイトにより異なる配位子場分裂が生じFe原子のスピン角運動量が変化することが分かった。Co原子でも同様に測定を行った。
（２）CO単一分子を介する伝導は、Cu(111)基板上のCO分子を吸着しW探針を用いて[Cu/CO/W]接合を作成、約0.1Goであった。しかし、CO単一分子をW探針先端に吸着し、[Cu/CO-OC/W]接合では伝導は0.002Goまで急激に減少した。原因は、CO分子同士が接近した際、CO分子間で斥力が働きCu(111)上の分子が横方向に一原子格子分移動したためであった。さらにCu(111)上の隣り合う２つのCO分子に対して伝導測定を行うと、伝導0.001Goでふたたび横方向に動いた。この伝導測定の結果から、各接合の場合のポテンシャル曲線を作成できた。
（３）A01班の田中啓文グループとの共同研究で、グラフェンナノリボンを金膜基板上に液滴し、これを我々の装置で超高真空加熱することで、清浄なグラフェンナノリボンを得た。偶然、２枚のグラフェンナノリボンが交差する位置を見つけ、ここでSTM分光測定を行った。Au膜上のGNRは通常金属的な特性を示すが、クロス部分ではギャップが開きp型半導体特性を示した。また、グラフェンナノリボン内では、電子状態を形状の変化に比べて非常に安定である事も確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０１５年度までの研究実績をふまえ、本研究の最終目標を達成するため以下を行う。
（１）フタロシアニン単一分子にFeやCo原子をSTM原子操作で吸着することには成功した。次にこの原子を吸着した状態での単一分子伝導測定を行う。さらに、１個の磁性原子をW探針でピックアップすることで、探針が磁性探針となる。Cu(111)基板にCoナノ磁石を吸着することで、単一原子・分子を介する磁気伝導効果の測定を行う。[Cu(111)/Pc分子(中心)/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(側鎖)/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(中心)/Fe原子/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(側鎖)/Fe原子/Fe原子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(中心)/Fe原子/CO分子/W-tip]、[Cu(111)/Pc分子(側鎖)/Fe原子/ CO分子/W-tip]、[Co(111)/Pc分子/CO分子/W-tip]、[Co(111)/Pc分子/Fe原子/W-tip]接合の伝導計測を行い、単一原子・分子を介する伝導メカニズムを解明する。
（２）Cu(111)基板上で、Fe単一原子にCO単一分子をSTMマニピュレーションにより吸着させる。非弾性STM分光測定より、分子振動の変化、さらに伝導の変化を確認する。Co単一原子（Kondo共鳴発現）にCO分子を吸着させていき、Kondo共鳴がCO単一分子によりどのような影響を受けるのか確認する。
（３）超電導コイルの自作を行ってきた。２０１５年度までに完成させた。これを用いて上記の伝導測定に磁場を印加できる。磁気応答測定を行っておく。
（４）グラフェンナノリボンの作製・準備手法は確立できた。これに磁性原子・分子・ナノ磁石を吸着していく。グラフェンへの電子状態・伝導への効果を原子レベルで可視化する。
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[Presentation] LEED/Auger Study of Ultrathin Magnetic Films2016
Author(s)
Takayuki Yamaguchi, Ayu N. P. Hartini, Shiho Nakamura, and Toyo Kazu Yamada
Organizer
The First Symposium of Chiral Molecular Science and Technology in Chiba University ‘-Advanced Materials Science, Biology & Nanophotonics in Chiba-‘
Place of Presentation
Chiba Univ.
Year and Date
2016-02-29
Int'l Joint Research
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