2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Four-probe STM/AFM/STP and Atomic-scale Direct Observation of Electronic States, Atomic Structures and Electrical Transport
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18H01867
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山崎 詩郎 東京工業大学, 理学院, 助教 (70456200)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 走査トンネル電位計 / 原子スイッチ / 電気伝導 / 分子 / 表面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
走査トンネル顕微鏡は、原子スケールで電子状態を可視化し、一方で原子間力顕微鏡は、その分子骨格が画像化する。他方で、走査トンネルポテンシオメトリー（STP）は試料にマクロな電流を流しながらナノスケールで電気伝導をマッピングできる手法である。本研究計画ではこれらを組みあわせ、原子や分子や単原子層のスケールで、それらの電子状態をSTMで結合状態をAFMで、さらに電気伝導状態をSTPで可視化することを目指した。
東北大学との共同研究により、Unisoku社製の走査トンネル顕微鏡の立ち上げが終盤を迎えている。修繕が必要であった数十の点を一つ一つ解決した。特に、装置全体を60cmかさ上げする工事は次のステップとなる低温実験の準備として重要な進展であった。必要なイオンポンプなどの真空備品20点程度をそろえ装置に組み、装置全体を真空状態にする重要なステップをクリアした。また、すべての電極の接続を確認し走査トンネル顕微鏡として動作する最低限のチェックを行った。また、奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMの立ち上げを進めている。
STMとAFM研究を応用したSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究成果を、日本物理学会誌に掲載することが決まった。その過程で、双子Si4-Si4原子スイッチの研究に関する解析と考察を最終段階まで進め、論文の執筆が進んでいる。
また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上や表面超構造に関する研究が広がった。ビスマス超薄膜の成長評価[物理学会発表2件、ALC発表]、銅表面上の単原子層の作成[物理学会発表、ALC発表]、Ag超薄膜の量子井戸状態の界面依存性[論文投稿済み]、インジウム表面超構造の金属絶縁体転移のドーパント操作[論文投稿済み]などがあった。
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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
【装置改造1】STMを、原子構造を見るAFM、電気伝導測定の固定電極STPへ改造
東北大学との共同研究により、Unisoku社製の走査トンネル顕微鏡の立ち上げが終盤を迎えている。修繕が必要であった数十の点を一つ一つ解決した。特に、装置全体を60cmかさ上げする工事は次のステップとなる低温実験の準備として重要な進展であった。必要なイオンポンプなどの真空備品20点程度をそろえ装置に組み、装置全体を真空状態にする重要なステップをクリアした。また、すべての電極の接続を確認し走査トンネル顕微鏡として動作する最低限のチェックを行った。また、奈良先端大との共同研究により、Omicron社製低温4探針STMの立ち上げを進めている。これらの装置は本研究計画の前半と後半の主力装置であり、その前準備が整ったことから大きな進展があったと判断した。
さらに、東大との共同研究により、現所属に搬入したばかりのUNISOKU社製低温4端子に関して、主要な物品の整理を行い、不足している真空備品の選定を進めている。AFM研究を応用したSi4単体のAFMによる原子スイッチの研究成果を、日本物理学会誌に掲載することが決まった。その過程で、双子Si4-Si4原子スイッチの研究に関する解析と考察を最終段階まで進め、論文の執筆が進んでいる。
【計画1-2】Ag超薄膜のステップ構造をSTP観察し、電気抵抗の主原因であることを確認する
また、本研究計画の準備にもつながる、STPの試験で用いるAg(111)超薄膜上や表面超構造に関する研究が広がった。ビスマス超薄膜の成長評価[物理学会発表2件、ALC発表]、銅表面上の単原子層の作成[物理学会発表、ALC発表]、Ag超薄膜の量子井戸状態の界面依存性[論文投稿済み]、インジウム表面超構造の金属絶縁体転移のドーパント操作[論文投稿済み]などがあった。
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| Strategy for Future Research Activity |
【装置改造1：STMを、原子構造を見るAFM、電気伝導測定の固定電極STPへ改造】低温STMの立ち上げに引き続き、本研究計画に必要な原子構造評価のためにAFMコントローラーを導入する。さらに、電流を流すための固定電極2つをSTMヘッドに追加し固定電極STPへの改造を行う。
【計画1-1：Ag超薄膜をAFM観察し、3x3超周期の由来が原子構造にあることを確定する】r3-B/Si(111)表面超構造上のAg(111)超薄膜をSTMで観測すると3x3超周期が見られるが、その凹凸の由来が電子状態か原子構造か区別ができない。原子構造に敏感なAFMを用いて3x3超周期が原子構造由来であることを確定し、AFMの性能評価を行う。
【計画1-2：Ag超薄膜のステップ構造をSTP観察し、電気抵抗の主原因であることを確認する】4端子法は接触抵抗の影響なしに対象の抵抗が測れる方法として知られている。しかし、接触抵抗が1MΩ程度より大きいとノイズのため実用性を失う。そこで、接触抵抗が小さく鏡像準位の研究で経験深いAg(111)超薄膜を選択する。まずSTPを用いてテラス部での電位勾配がAgの電気抵抗と一致することを確かめる。次に、単原子ステップでの抵抗が10倍程度上昇することを確認する。研究代表者が、ドイツで立ち上げたSTPの結果と比較し性能評価を行う。
【装置改造2：4探針STM（4P-STM）立上げと、4探針STP、4P-AFMへの改造】4探針STMを立ち上げ、本研究計画に従ってSTMヘッドやSEMのメンテナンスや交換を数か月かけて行う。次に、時定数100msの電子回路（積分器）を追加して4探針STPへの改造を行う。最後に、原子構造評価のために1探針に加振と検出用の電極を2本追加しAFM化するとともにAFMコントローラーを導入する。
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