2014 Fiscal Year Annual Research Report
高輝度・高強度陽電子ビーム回折法の開発と表面研究への応用
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24221007
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
兵頭 俊夫 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特定教授 (90012484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 敏男 東京大学, 物性研究所, 教授 (20107395)
深谷 有喜 独立行政法人日本原子力研究開発機構, その他部局等, 研究員 (40370465)
藤浪 眞紀 千葉大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50311436)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 陽電子回折 / TEHEPD / LEPD / 表面構造 / シリセン / グラフェン / ナノワイヤ構造 / 二酸化チタン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
全反射高速陽電子回折（TRHEPD）ではGe(001)表面にAuを蒸着したGe(001)-(8×2)-Au 表面の構造（原子配置）を調べた。半導体表面に貴金属を単原子層以下吸着させると、一次元のナノワイヤ構造が形成されることが多い。ナノワイヤ構造には１次元系特有の新奇な電子物性が発現することがあり、興味が持たれている。その解明には原子配置の確定が必須であるが、STMなどでは生成を確認できても詳細な原子配置を知ることは難しく、さまざまな構造モデルが提案されている。
Ge(001)-(8×2)-Auの構造についても10年近く未解決のままである。測定した回折パターンから(0,0)スポットのロッキング曲線を求め、提案されている構造モデルに対する計算と比較すると、どれも合わなかった。そこで、STM像やGe内殻の光電子分光の結果などを参照しつつ新しいモデルを提案しようとしている。
また、金属表面上のグラフェンの構造決定を開始した。TRHEPDの超高感度性をもってすれば、バックリングの有無や吸着高さ（基板最上面原子層の中心とグラフェン原子の中心の距離）を高感度で決めることができる。Cu(111)およびCo(0001)表面上のグラフェンの吸着高さを調べ、理論の予想通り、前者で約3Å程度、後者で約2Å程度であることがわかった。
低速陽電子回折（LEPD）ステーションの建設は進行中である。輝度増強した陽電子を輸送するレンズ系を製作し、位置敏感ディレイライン(DLD)検出器を高強度陽電子ビームで有効に使うためのビーム・パルスストレッチ部を組み上げ、調整し、さらにパルス電源を接続して、予定通りのストレッチができることを確認した。また、低速陽電子発生部（コンバータ/モデレータ）にコンデンサーを接続することにより、陽電子パルスのエネルギー幅を従来の1/10に押さえることに成功した。
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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
タングステン薄膜を用いた透過型輝度増強ユニットは予定通りの性能を発揮して、高輝度陽電子ビームを生成している。このビームを利用した全反射高速陽電子回折（TRHEPD）ステーションが完成し、半導体表面上のナノワイヤ構造や金属基板上のグラフェンの構造解析が順調に進んでいる。
低速陽電子回折（LEPD）装置の建設については、光学系の設計と、位置敏感DLD検出器を高強度で有効に使うための陽電子ビーム・パルスストレッチ部の設計、作製が順調に進んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
全反射高速陽電子回折（TRHEPD）では、測定が完了したルチル型TiO2 (110)-(1×2) 表面や、Ge(001)-(8×2)-Auナノワイヤ表面や、金属基板上のグラフェンの構造解析を論文にまとめる。
さらに、巨大ラシュバ効果を発現する重元素が吸着した金属表面について、吸着重元素の原子位置と表面電子状態のスピン分裂幅の関連を明らかにするために、原子配置の正確な決定を試みる。
また、最表面原子配置の直接決定法の開発を試みる。表面構造は通常、構造モデルを仮定して回折スポットの強度を計算し、実験結果と一致するように原子配置を最適化するTRHEPD法は表面敏感であり、陽電子と原子の相互作用が単純なので、回折パターンからパターソン関数解析法を用いて直接的に最表面の原子配置をモデルフリーに導出できる可能性が高い。
低速陽電子線回折（LEPD）では、位置敏感DLD検出器を用いた装置の立ち上げ、及びテスト試料を用いたLEPDパターンの観察と構造解析を行う。パルスストレッチした陽電子ビームの特性評価の後に、回折パターンの観測を行う。次に、表面構造解析に必要なI-V曲線を測定するシステムを構築する。その際、先行研究で確立しているBi量子薄膜の表面構造を解析し、重元素物質表面構造解析に対するLEPD I-V法の有効性を検討する。その後、それを用いて表面構造が未解決なトポロジカル絶縁体TlBiSe2の表面構造を解析する。
また、LEPDによるモデルフリーな構造解析法として陽電子ホログラフィ法の開発を行う。LEPDパターンから直接的かつ簡便に表面原子を再構成できると期待される。（0,0）スポットのI-V曲線から表面原子層間距離を直接決定する方法を確立し、エピタキシャルグラフェンの界面接合距離の決定に応用する。
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| Remarks |
上記平成26年4月21日のプレスリリース http://www.kek.jp/ja/NewsRoom/Release/20140421141000/『全反射高速陽電子回折法「TRHEPD法」の高度化により究極の表面構造解析が可能に』が、日刊工業新聞(4/30)、他ウェブニュース等に紹介された。
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