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研究成果「１ナノメートル以下の分解能で金属の电位分布を精密测定－ナノテク新素材などの物性を探る强力な解析手法－」研究成果
研究成果「1ナノメートル以下の分解能で金属の电位分布を精密测定－ナノテク新素材などの物性を探る强力な解析手法－」 |
1ナノメートル以下の分解能で金属の电位分布を精密测定
- ナノテク新素材などの物性を探る強力な解析手法
闯厂罢（理事长：冲村宪树）と东京大学（学长：小宫山宏）は、金属表面で原子や电子がつくる电気的なエネルギー分布（电位分布）をナノメートルの空间分解能で测定する技术を开発し、金属中において、原子や电子がつくる电気的な力が多数の电子の存在により弱められるという原子スケールでの现象を直接観察することに成功しました。次世代の超高速トランジスタなどに适用が期待されているカーボンナノチューブ中を非常に高速に电子が移动する现象などの解析に役立つものと期待されます。
金属に电気が流れるのは、自由电子と呼ばれる多数の电子が移动することによるものです。电子と电子の间にはクーロン力と呼ばれる电気的な反発力が働きますが、自由电子はそうした力が働かないかのごとく金属中を自由に动き回ります。これは、电子の电位がその周囲の多数の电子によって打ち消される现象（遮蔽効果）により、クーロン力の及ぶ领域が非常に狭くなるためです。この现象は、超伝导状态などの物质の电気的?磁気的性质に影响を与える重要なものですが、ナノメートルという微细な领域での电位分布や微弱な电位の変化量を検出することは非常に困难であるために、これまで直接、実际のスケールで観察された例はありませんでした。
本研究では、走査トンネル顕微镜を使って物质表面での电位分布をナノメートルスケールで测定する技术を开発し、原子1个程度の厚さの金属の层の上に载せた银原子の周りの电位分布を精密に测定しました。その结果、遮蔽効果によりクーロン力がうち消されている様子や、遮蔽効果による电位の振动を実际のスケールで捉えることに成功しました。遮蔽効果は、特に线状の构造（一次元构造）において强く现れることから、今回开発した観察手法をナノチューブやナノワイヤーといったナノテク新素材に适用すれば、それらの特异な电気的振る舞いを解析することが可能となり、また、その他金属の电気的な物性の解析など広い范囲で基础的な研究?开発に贡献することが期待されます。
本研究の成果は、JST戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）における研究テーマ「ナノサイズ一次元構造の電子物性評価（研究者：長谷川幸雄）」において得られたもので、平成18年1月4日（米国東部時間）Physical Review Letters誌のオンライン版で公開されます。
＜研究の背景と経纬＞
金属中には自由電子と呼ばれる多数の電子が動き回っており、それらの存在が良好な電気伝導?熱伝導や金属光沢に寄与しています。電子は電荷を持っていることから電子間にはクーロン力と呼ばれる力が働くはずですが、自由電子はそうした力が働かないかのように金属内では自由に振る舞います。これは電子による電位がその周囲の多数の電子によって大幅に打ち消される現象、遮蔽（スクリーニング）効果によるものとして説明されます。遮蔽効果により、本来は無限遠にまで及ぶクーロン力が1ナノメートル以内にしか及ぼされなくなり、電子同士の相互作用が打ち消され金属内の電子は自由に動き回れることになります。この現象は、物質内での電子の振る舞いやそれにかかわる様々な性質に影響を与える基本的な現象ですが、電位の及ぶ範囲がナノメートルスケールで、しかも電位の変化量も極めて小さいことから、直接、実際の空間で観察することは困難とされてきました。
これまでにも走査トンネル顕微鏡（STM）＊1をベースとしたいくつかの電位分布測定手法が開発されてきましたが、これまでの方法では電位測定精度が不十分でした。本研究では、STMの分光手法である走査トンネル分光（STS）＊2の技術を用いて表面の電位分布を高精度かつ高空間分解能で測定する方法を開発し、それを用いて遮蔽効果により変化した微細な領域における電位分布の測定に成功しました。
＜研究成果（今回の论文の概要）＞
本研究では、金属的な表面層を持つシリコン基板上＊3で、イオン化したAg原子の集まっているステップ（段差構造）の周囲での電位分布を測定しています。なお測定は、超高真空下、極低温（零下268度C）で行います。この金属的な層の表面にはいくつかの表面電子状態がありますが、それら電子状態のエネルギー準位は、イオン化したAg原子（イオン化しているためプラス電荷を持つ）のつくる電位によってその分だけ減少します。STSを用いることにより、STMと同様の高い空間分解能で表面電子状態のエネルギー準位を測定することができますので、STS測定を表面上の各点で行うことにより表面での電位分布を観測することができます。
図1、2は、ステップ近傍での電位測定結果を示しています。図1（b）の拡大図に示された位置（点A～G）で測定したトンネル分光スペクトル（図1（c））を見ますと、-0.9eV付近のエネルギー値で基板表面の電子状態によるピークが観察されています。ステップにより近い位置でスペクトルを測定すると（図1（b）の点FあるいはG）、ピークのエネルギー値が-1.0eV側に少し変化しているのがわかります。これがこの場所でのイオン化したAg原子による電位変化です。
そこで、観測したい領域の各点でこのようなスペクトル測定を行い、電子状態のエネルギー値の変化量を表示すると図2（a）のような電位分布図となり、さらにステップから等距離にある点でのエネルギー値を平均化すると図2（b）のような電位分布のプロファイルが得られます。この図から、電位がステップに近づくにつれて減少しているのがわかります。イオン化したAg原子が周囲の電子から影響を受けない状態におかれた場合に比べて、図2（b）の電位が減少している領域はかなり狭く、Ag原子による電位が基板表面の金属的な層の電子により遮蔽されていることがわかります。
さらに図2（b）ではごくわずかですが電位が振動しているのが観察され、その周期は基板表面の持つ金属的な表面層内の電子系のフェルミ波長＊4の半分に一致していることがわかります。電子系の特徴的な長さが電位の振動周期に対応していることは、Ag原子による電位が基板表面の持つ金属的な電子により遮蔽されていることの証拠と言えます。従来の理論から遮蔽された電位を求めてみますと図2（b）の赤線のようになり、実験から求められた電位分布とほぼ一致しており、解釈が正しいことを示しています。電位分布の振動構造は電位分布像にも明確に現れており、図3に示す電位分布像では、ステップに沿った形で波のようなパターン（矢印に着目）が観察されています。
遮蔽による電位の振動構造は1958年にフリーデルによって予測されたことからフリーデル振動と呼ばれています。実は、ステップなどに反射?干渉されることによって生成される波（電子定在波）も同様の振動パターンとして電子状態分布像において観察されており、しばしばこの電子定在波が誤ってフリーデル振動と呼ばれてきた経緯があります。今回の研究では、両方の振動パターンを比較観察しており、両者が明らかに異なっていることも指摘しています。
＜今后の展开（今后期待できる展开）＞
本手法を用いることにより、従来法に比べて格段に高い精度?高い分解能で物质の电位测定が可能となります。ナノチューブやナノワイヤーといった一次元构造を持つナノ新素材では电子どうしの影响が强くなり遮蔽効果が顕着に表れることが予想されています。本手法をこれらの电位测定に応用することにより、遮蔽効果に関连した一次元物质の特异な振る舞いを探索する手法としての展开が期待されます。例として、次世代の超高速トランジスタなどに适用が期待されているカーボンナノチューブの电気的特性の解析などにも繋がるものと期待されます。またナノテク研究の共通基盘となる计测技术のひとつとして、金属の电気的な物性の解析など広い范囲で基础的な研究?开発に贡献することが期待されます。
論文名：“Electrostatic potential screened by a two-dimensional electron system: A real-space observation by scanning tunneling spectroscopy”（二次元電子系により遮蔽された静電ポテンシャルの走査トンネル分光による実空間観察）
このテーマが含まれる研究领域、研究期间は以下の通りである。
闯厂罢戦略的创造研究推进事业 个人型研究（さきがけタイプ）
研究領域: ?情報、バイオ、環境とナノテクノロジーの融合による革新的技術の創製?
(研究総括;潮田 資勝 北陸先端科学技術大学院大学 学長)
研究期間: 平成14年度～平成17年度
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本件问合せ先：
長谷川 幸雄（はせがわ ゆきお）
东京大学 物性研究所 ナノスケール物性研究部门
助教授
金子 博之（かねこ ひろゆき）
独立行政法人科学技术振兴机构
特别プロジェクト推进室
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＜用语解説＞
＊1 走査トンネル顕微镜
先端の鋭い針（探針）を試料表面に近づけ、探針試料間に流れるトンネル電流が一定になるように探針の高さを調整しつつ表面をなぞることにより、表面の凹凸像?原子像を得る顕微鏡。英語でscanning tunneling microscope、STMと略記される。
＊2 走査トンネル分光
STMにおいて、探針試料間に印加する電圧を変化させた際のトンネル電流の変化を測定することにより、試料表面の電子状態のエネルギー準位を測定する手法。英語でscanning tunneling spectroscopy、STSと略記される。
＊ 3 金属的な表面層を持つシリコン基板
本研究では、表面に银（础驳）を1原子层の厚さに蒸着したシリコン（厂颈）基板を用いた。この表面は、叁角形状に并んだ础驳原子のクラスターが基板の厂颈の原子配列周期の√3倍の周期で规则正しく配列された构造（厂颈(111)-√3虫√3础驳表面）を持つ。この表面层は金属的な电子状态を示すことから、半导体基板上に原子1层分の金属层が実现されている系として広く研究がなされている。
＊ 4 フェルミ波長
金属中の电子は、密度が増えるに伴い、波长の长くエネルギーの低い状态から徐々に波长の短い高いエネルギーの状态を持つようになる。フェルミ波长とは、电子の持つ状态のうち、最もエネルギーの高い状态での波长をいう。
＜図＞
図1 （补）厂颈(111)-√3虫√3础驳表面の厂罢惭像と、（产）の拡大像で示される各点で测定した走査トンネル分光スペクトル（肠）
図2 図1の领域で测定された走査トンネル分光スペクトルのピークエネルギー値から测定された电位分布図（补）とそれをステップからの等距离位置で平均化して求めたプロファイル（产）
