物性実験II

表面物理

教員

教授/須藤 彰三
准教授/江口 豊明

研究について

物質を小さくしていくと、どんな色になるのだろうか?構造は?電子状態は?こんな素朴な疑問を解くために、実験を行っている研究室です。現在は、原子1 個1 個がどのようにして結合するのだろうか?どのようにしてクラスターやナノ構造、そして物質を形成するのだろうか?という問題の解明に取り組んでいます。

図1. シリコン表面のSTM 像

図2. Ag クラスターの成長過程

 固体の表面は、図1 に示されるように、量子力学で学んだ波動関数が直接観察できる場所です。濃い丸、薄い丸がありますが、一つ一つがシリコンの波動関数(sp3軌道)を観察したものです。この表面に、銀(Ag) 原子が1 個吸着すると、図2のように3 角形が明るく見えるようになります。Ag 原子は、室温で表面上を動き回りクラスターを形成します。図2上段と中段は、1 個ずつのAg 原子が集まって、2個のAg クラスターができる様子を示しています。下段は、4 個のAg クラスターです。

 この実験には、走査トンネル顕微鏡(STM)を用いています。表面の原子の波動関数とSTMの探針の波動関数の重なりによるトンネル効果を利用して、図1, 2 のような像を得ることができます。最近、このような研究の過程で、STMの探針とAg 原子間の相互作用(引力と斥力)を制御する方法を発見しました。それを利用して、図3 のように、Ag 原子1 個1 個を動かすことができるようになりました。図3 には、その例を示します、Aという文字が描かれているのが分かるでしょうか?
 この手法を応用して、任意の個数のクラスターを形成し、その電子的性質、磁気的性質の研究を進めています。その色や構造、電子状態を観察するためには、電子エネルギー損失分光という方法を用いています。

 さらに、「物理学の最先端の研究は、最先端の技術に直結する」ことに着目し、企業との共同研究も積極的に進めています。近年の半導体素子は微小化し数nm を制御する技術が求められいます。このスケールの素子では表面が重要な役割を果たし、我々研究グループで蓄積された物理と技術が役に立っています。

図3. 個々のAg 原子の操作
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