光ポンププローブ STM
Optical Pump-Probe STM
秀実＊，吉田重川昭二，武内修，大井川治宏

Hidemi Shigekawa, Shoji Yoshida,

図 1 （a）光学的ポンププローブ（OPP）法と，（b）光ポンププローブ STM（OPP-STM）の模式図．

Osamu Takeuchi and Haruhiro Oigawa
筑波大学数理物質系
要旨

原子レベルの空間分解能を持つ走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope: STM）と量子光学の超短パルス光技術を融合することで，STM の空間分解能と超短パルス光のパルス幅の時間分解能を併せ持つ顕微鏡法の開発を進めてきた．本稿では，最近，注目されてきたテラヘルツ（THz）光を利用した THz-STM の開発も含めて現状を紹介し，今後の展開について概観する．

キーワード：STM， 超 短 パ ル ス レ ー ザ ー， ポ ン プ プ ロ ー ブ 法，

2.

光ポンププローブ STM（OPP-STM）

2-1

測定原理 4,9 ～ 16）

図 1 は OPP 法と OPP-STM の模式図である．OPP 法では，遅延時間を持たせたパルス光対（ポンプ光，プローブ光と呼ぶ）を試料に照射する．例えば，ポンプ光で励起されたキャリアー（電子やホール）が励起状態に存在するとプローブ光による励起が抑制される（吸収飽和）ため，例えばプローブ光の反射率を遅延時間に対して測定すると，プローブ光の反射率の変化を通して，ポンプ光で励起された状態のダイナミックスを励起光のパルス幅の時間分解能で調べることが可THz-STM，時間分解 STM能になる．一方，OPP-STM では，OPP 法と同様のパルス光対を探針直下に照射するが，プローブ光の反射率では無く，1.

トンネル電流の遅延時間依存性を測定する．プローブ光によはじめにるトンネル電流は吸収飽和の影響を受けるので，トンネル電1982 年に IBM の Rohrer らにより発明された STM は，探針流の総和は OPP 法における反射率の変化同様，遅延時間にと試料の間を流れるトンネル電流をプローブとすることで，依存し，キャリアーのダイナミックスをトンネル電流，従っ探針直下の電子状態を原子レベルの空間分解能で調べることて，STM の空間分解能で観察することが可能になる 4）．通常，

1）を可能にした ．その後，探針のフィードバック制御等，STM

OPP 法ではプローブの影響を避けるためプローブ光の強度の基本的な技術を基盤とした多くの顕微鏡が登場している．

を弱くするが，OPP-STM では，トンネル電流を測定するこ

原子間力をプローブとする原子間力顕微鏡（Atomic forceとから，ポンプ光とプローブ光のパルス光対の強度を同じくmicroscope: AFM）や局在する光（近接場光）を利用する近する．時間分解能は OPP 法の仕組みを取り入れるため，用接 場 顕 微 鏡（Near field scanning optical microscope: NSOM）いる超短パルスレーザーのパルス幅となる．
OPP-STM システム 4）は良く知られているが，その他にも，超音波を用いたり，イ2-2オン流や局所的なポテンシャル，局所温度などを測定する顕図 2 に OPP-STM システムの模式図を示す．ポンプ光，プ微鏡が開発され，半導体からバイオ，医療への応用を含め広ローブ光として同期させた 2 つの Ti:Sapphire レーザー（90い分野で活用されている 2）．

MHz）のパルス列を用いる場合を示してある．図の様に，高

本稿では，超短パルスレーザーを用いた光学的ポンププ

速ポッケルスセル（1 MHz）を用いて間引いたパルスの間にローブ（OPP）法 3）を STM と組み合わせることで可能になっ遅延時間 td を持たせる．トンネル電流の時間分解信号は微弱

4）た時間分解 STM（光ポンププローブ STM：OPP-STM） をであるため，ロックイン検出を行う必要がある．OPP 法では，紹介するが，前回（2012 年 47 号 5））本冊子で紹介した後の進通常，図 1（a）の様にチョッパーを用いてレーザー光を断続展と，最近，注目されている THz-STM と呼ばれる手法

6 ～ 8）に的に遮蔽して強度変調を行いロックインの参照信号とする．

ついて併せて議論を行うことで今後の展開について概観す

しかし，OPP-STM の場合，励起光の強度を変調すると，探針る．

や試料が熱膨張を起こし測定が不可能になる．そこで，パルス列を間引くタイミングを調整して遅延時間を異なる 2 つの〒 305–8573 つくば市天王台 1–1–1
TEL: 029–853–5276
E-mail: hidemi@ims.tsukuba.ac.jp
2017 年 1 月 19 日受付，2017 年 2 月 23 日受理
46値の間で変化させ（ここでは 1 KHz で変調），ロックインの参照信号とする．この場合，平均的なレーザー強度は変化せず，熱膨張の問題が解決する．また，時間分解信号は，2 つの遅延時間におけるトンネル電流値の差 ΔI となるが，片方の顕微鏡 Vol. 52, No. 1（2017）

図 2 OPP-STM システムの模式図．二組の Ti:Sapphire レーザー
（90 MHz）によりポンプ光，プローブ光を作製し，パルスピッカー（ポッケルスセルを使用）を用いてパルスを 1 MHz に間引く．どのパルスを通過させるかで遅延時間 td を持たせ，また，その値を制御する．I*，I はそれぞれ生の信号とプリアンプを通した後の信号．時間分解信号は，遅延時間を変調させた場合の，2 つの電流値の差 ΔI となる．

図 4 WSe2 からの時間分解信号の光励起強度依存性．二つの成分が存在し，光強度を弱くすると速い成分が顕著に表れる．

る．こうした状況で光照射を行うと表面には電荷が蓄積されTIBB が緩和される（表面フォトボルテージ）．図（c），（d）
および（e），（f）は，試料負バイアスにおいて光強度が強い場合と弱い場合の光照射による時間発展を示している．強励起（c，d）では，多くのキャリアー（電子とホール）が励起され，励起直後からキャリアー密度が拡散や再結合により変化する状態が観察される．一方，十分な弱励起で内部からのキャリアーの供給レートが低い場合，まず，表面に蓄積された電子が探針側にトンネルする状態が観察され，その後，試料の奥から拡散してくる電子のトンネルが計測されることが期待される．
図 4 に，実際に WSe2 を試料として得られた OPP-STM 時間分解信号の例を示す 16）．光強度を変化させた時の信号の変化（一番強い場合を 1 として比で表示）を見ると，図 3 の
図 3 光照射による WSe2 のバンド構造の変化．（a）（b）暗状態での試料バイアス正負の場合のバンド構造．（c–f）試料負バイアスにおけるバンド構造の時間発展の様子．（c）（d）強励起，（e）（f）弱励起．矢印は電子（青）とホール（赤）の流れ．

モデル図を用いて検討したように，二つの寿命を持つ信号が含まれ，レーザー強度を下げると短い寿命の成分が顕わになっており，表面に蓄積された電子と試料内部から拡散してくる電子のトンネルとして良く説明される．ここで見たように，OPP-STM では，こうした表面と内部のキャリアーダイ遅延時間を測定する現象の緩和時間より十分大きく取ることで（図中 t∞），絶対値（I(td) – I(t∞)）として求まることになる．
2-3

測定例：WSe2 試料からの時間分解信号

ナミックスを区別して計測し評価することが可能である．
3.

単一原子レベルでの解析例

ここでは，最近注目されている遷移金属カルコゲナイド

OPP-STM の特徴の一つは，STM を用いて試料の状態を原（Transition metal dichalcogenide: TMD）の一つで，光電流の子レベルで観察し，OPP 法により探針直下の局所的なキャ特性が詳しく解析されている WSe2 を試料として得られたリアーのダイナミックス等を測定することが可能な点にあOPP-STM 時間分解測定の例を紹介する 16）．図 3 は WSe2 にる．こうした OPP 法と STM の利点を併せ用いることで，局光照射を行った際のバンド構造の変化と時間分解信号に寄与

所ダイナミックスを周囲の環境と併せて解析したり，STMするトンネル電流のモデル図である．半導体を測定する場合，観察の後，目的とする特定の対象，例えば，孤立した単一原STM 探針と試料の間に印加するバイアス電圧により，試料子欠陥や単一分子を選択し，STM 探針をその直上に移動し表面のバンドが湾曲する（探針誘起バンド湾曲，Tip-inducedて選択的に評価することが可能になる．

Band Bending: TIBB と呼ぶ）．（a），（b）は，それぞれ暗状態

図 5 は，GaAs（001）表面に少量の Mn を蒸着させた試料で試料側に正，負バイアスを印加した際のバンドの状態であの STM 正バイアス像で，Mn が幾つかの Ga のサイトを占め最近の研究と技術

光ポンププローブ STM

47

図 5 Mn 単一原子 /GaAs 構造の OPP-STM 時間分解測定例．
（a）（b）は，それぞれ，高強度，低強度のレーザー照射下でのSTM 像（+2 V）とバンド図である．（c）は（b）の STM 像中の直線に沿った断面．（d）は単一 Mn 上での OPP-STM 測定例．

図 6 AlGaAs/GaAs/AlGaAs 量子井戸（幅 6 nm）の中で向きを揃えたスピンが乱れていく様子を OPP-STM で測定した例．
（a）
測定の模式図．（b）STM 像．（c）遅延時間を 2.3 ps に設定し，量子井戸を横切って探針を一次元的に走査し測定した信号．
1 nm 程度の空間分解能が得られている．（d）のようにスピンが乱れていくが，（c）中の信号は光励起後 2.3 ps にどの程度スピンが揃っているかを示している．ている 17,18）．光励起下では表面にホールが蓄積して TIBB が面に対して測定を行った．図（b）の STM 像に見られるよ緩 和 さ れ る． 蓄 積 さ れ た ホ ー ル は Mn 原 子 に よ り 生 じ る

うに，量子井戸を STM で確認し，遅延時間を 2.3 ps に固定ギャップ内準位に捕獲され，STM 探針からのトンネル電子して探針を量子井戸を横切って走査した時の信号の変化が図と再結合する．律速過程はトンネル電流とホール捕獲レート（c）に示した結果である．即ち，スピンを揃えてから 2.3 psである．低強度の光励起（図（a））では，ホール密度が低く，後にどの程度スピンが揃っているかを示す結果で，ここではMn 準位は負に帯電し Mn サイトが暗く見える（図（c）に図1 nm 程度の空間分解能で観察されている 20）．遅延時間を変（b）中の直線に沿った断面が示してある）．一方，強励起では，えて探針を 2 次元的に走査すれば，スピン緩和の様子を 2 次ホールが十分に供給されるため，Mn 準位は中性になり明る元的に表すことができる．測定条件を調整して測定を行えば，く見える．探針試料間距離を調整するか，本実験のように光GaAs 中の Mn や Fe 原子に依るホールの捕獲率を単一原子レ強度を調整してトンネル電流を十分な状態にするとホール捕ベルで調べた例 18） の様に，原子欠陥のスピン緩和に対する獲レートが律速となり，蓄積されたホール密度の変化が測定影響などを調べることができることになる．

されることになる．図（d）は，単一 Mn 原子上に STM 探針

吸収飽和は同じ向きのスピンが励起状態にあるときプローを置き，時間分解測定を行った結果である．OPP-STM の登ブ光による励起が抑制される現象である．一方，図 6（d）

場により，ここで見た様に，不純物原子によるギャップ内準の様に，ポンプ光によって励起されたスピンの向きは磁場中位がホール捕獲する速さを単一原子レベルで測定，評価する

では歳差運動によりラーモア周波数（ωL = gμBB/ħ：g：電子等，キャリアーダイナミックスの単一原子レベルでの解析がの g 因子，μB：ボーア磁子，B：印加磁場，ħ：Dirac 定数）可能になった
4.

18,19）．

で周期的に変化する．従って，プローブ光により励起されるスピンの吸収飽和もラーモア周波数で変化することになる．

円偏光を用いたスピン計測

図 7 は GaAs を試料としたときのスピンの歳差運動を OPP-励起光に円偏光を用いてアップスピン，ダウンスピンを選STM で観察した結果である 20）．時間分解信号の振動が印加択的に励起することで，通常の OPP 法と同様，スピンのダ磁場に依存して変化するのが確認され，上記ラーモア周波数イナミックスを STM で測定することが可能になる 20）．図 6の式から局所的な g 因子を求めることができる．詳細は割愛

は，模式図（d）にある様に，AlGaAs/GaAs/AlGaAs の量子井するが，スピン寿命の磁場依存性を併せて解析することで，戸（幅 6 nm）の中で方向を揃えたスピンが乱れていく様子

例えば，自由電子や欠陥にトラップされた電子の局所的な磁を OPP-STM で測定した結果である．GaAs（001）基板上に性の特性を評価することが可能になった．Max Planck のグ成長させた量子井戸構造を持つ試料を真空中で劈開し（001）ループにより，次世代の顕微鏡と評価されている．

48

顕微鏡 Vol. 52, No. 1（2017）∆

図 7 （a）OPP-STM による GaAs 中のスピン歳差運動の時間分解測定の模式図と（b）測定例．
図 9 （a）THz-STM による印加電場の位相と電場形状．（b）
THz 電場を用いて得られた IV 曲線．

図 10 THz-STM によるグラファイトの STM 像．バイアス電圧ゼロの状態で THz の電場により測定．

試料間にかかる電場の向きを制御し，正負のバイアス電圧を
図 8 THz-STM の模式図．1035 nm のパルス光を LiNbO3 結晶に入射することで THz 光を作製し，STM 探針直下に集光する．
時間分解測定を行う際は，遅延時間を持たせたポンプ光，プローブ光を作製して用いる．

印加した場合と同様の状況を作り出せる．
図 9（b）はバイアス電圧をゼロとして THz 電場により測定した IV 曲線である 7）．位相をπ変化させることで正負の領域のみに電流が流れている．また，THz を用いることの利点は，光子のエネルギーが低く，時間分解 STM 開発で最5.

THz 時間分解 STM大の課題となってきた熱膨張の問題を考慮しなくて良いことである．測定対象によるが，例えば，THz を励起光としてTHz とは 1 THz（300 μm）前後の領域の電磁波で，バイ用いることで，通常の OPP 法と同様にチョッパーを用いたオから光電素子まで幅広い領域への応用が進められている．

励起光の強度変調でロックイン計測を行うことも可能であプローブ顕微鏡の分野でも THz を STM と組み合わせる試み

る 6）．可視光の OPP-STM 同様，プローブがトンネル電流でが始まった 6 ～ 8）．我々も OPP-STM 開発の展開として時間分あることから，STM の空間分解能を持つ．図 10 は THz 励解測定への導入を行っている．STM 探針による探針増強（探起により得られたグラファイトの THz-STM 像である．THz

針がアンテナとなり，探針直下の電場が増強されること）を電場の強度を固定（ここでは値は定めていない）することで利用して，パルス幅で決まる短時間に探針直下に高電界を生探針－試料間にかかる電圧を固定し，STM 探針を走査すれじさせ，対応するバイアス電圧を印加することが可能で，通ば，通常のバイアス電圧を印加した場合と同様の STM 像が常とは異なる測定を行うことができる．

得られる．少しノイズが見られるが，探針の状態と THz 光

図 8 は THz を STM と組み合わせたシステムの模式図であの絞り込みの度合いによるもので，バイアス電圧を印加したる．ここでは，1035 nm のパルス光を LiNbO3 結晶に入射す

通常の STM 像と同様にグラファイトの原子像が得られていることで THz 光を作製している．図ではビームは 1 つの場る．電場は図 9 に示されているように THz 一周期分であり，合を示してあり，時間分解測定を行う際は，ポンプ光，プロータイミングを制御して，ダイナミックスのスナップショットブ光を作製して用いることになる．原理は 2-1 で述べた場合が得られる．と同様である．また，THz 光では，図 9（a）に示すように一周期の電場を印加する状況を作ることが可能で，位相を制6.

御することにより電場の方向を制御できる．従って，探針－OPP-STM の現状と今後の可能性について紹介した．実現

最近の研究と技術

光ポンププローブ STM

まとめ49

が危ぶまれた時期もあったが，ここ 10 年程の間に著しい進展がみられた．また，幾つかのグループが新たに加わり，THz-STM をはじめ，新しい試みが進められている．本稿では割愛したが，STM 探針を用いた時間領域のフーリエ分
光 22,23）や，電気的なポンププローブ法の組み合わせで単一原子レベルのスピンの解析も可能になっている 24）．光電子分光や電子線回折でも時間分解測定が主流となっており 25,26），今後，こうした技術を活用することにより，物性の動的な理解と制御が新たな展開を生み出すことが強く期待される．
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顕微鏡 Vol. 52, No. 1（2017）