130 筑波フォーラム

トンネル電子 で眺 めてみ る と室川秀実

最 近 は, ホーキ ング氏 来 日の影 響 もとす る試料表面か ら 1nm 程 の距離 に近

あ ってか,書店 に行 くと多 くの科学雑誌

づ けて,1V程度の電圧 をかける と,両者が 目につ きます｡ また,テ レビで も多 くが非接触 であるに もかかわ らず,1nA程の科学番組 が放映 されているようです｡

度 の電流 (トンネル電流)が流れ ます｡

先 日も正 月休 みにテ レビのスイ ッチ を入

この "トンネル電流"の大 きさは針 と試れ ました ら,科学番組 の特集で, はや り

料 との間の距離 に指数関数的に依存 するの 山芋苗の話"に続 いて,光や電子が "粒為,両者の距離 の変化 に非常 に敏感 です｡

子''と "波" の性質 を併 せ持 つ "量子の従 って,例 えば電圧 を一定 に して トンネ

世界 の不思議な様子"が, きれいな映像

ル電流 を計 りなが ら,試料の表面 に沿 っを用 いて紹 介 され て い ま した｡ ご覧 に1て針 を走 査 します と,固体 表 面 の 00

なった方 も多いか と思い ます｡

nm 程度 の原子 の凹凸の様 子が トンネル電子が持つ, この "波"の性質 によっ

電流の変化 として容易 に取 り出せ ることて現れ る "トンネル効果" を利用 して,にな ります (もちろん,原子 スケールの固体表面の原子/電子構造 を原子 レベル

振動や電気的 ノイズを押 さえて測定 を行の空 間分解能 で観察 するこ とを可能 に しうことは, 口で言 うほ ど簡単 なことでは980年代 初 期 に IM
B の Rorher
たの が 1あ りませんが /)｡そ こで,先端 に調度一と Bingi 両博 士 らによって開発 された走個 の原子 がの っか っている様 な形 の針 をSTM)です｡ この
査型 トンネル顕微鏡 (うまく準備 することがで きます と, トン

業績 に よ り彼 らは 1986年 にノーベ ル物

ネル電流 はほ とん どが その針の先端の原

理学寅 を受賞 してい ます｡

子 の周辺 を通 じて流れ ますか ら,上 に述

先端 を鋭 く尖 らせた金属 の針 を,対象べたの と同 じ理 由で,試料表面の うち ト131
ンネル電流 に寄与す る領域 を,針 に最 も"言 うは易 し"で,原子像 を得 る為には近 い場所 を中心 として半径 ～0.
1nm程

多 くの問題 を乗 り越 えな くてはな りませ度 に絞 り込む ことが可能 にな ります｡ こん｡更 に,金属や半導体等 を試料 としま

れは表面の原子構造 を見 るのに充分な分す と,清浄な表面 を作成 し安定 した測定解能です｡測定 にかかるのは トンネル電を行 う為には実験 を超高真空中で行 うこ流の変化である為,観察 しているのは実とが必要不可欠 とな ります｡ しか し,そは表面の電子の様子ですが,電子の状態れでは試料の処理 に関す る条件や装置のは原子構造 を反映 してい ますか ら,結局,振動等の問題が加わ り,話が とて も複雑

固体表面の原子/電子構造 を原子 レベルになって しまいます｡そ こで,まず STMの空間分解能で観察す ることが可能であの立 ち上 げを中心 に裾,試料 としては大ることにな ります｡

気 中で安定 な構造 を持 つ物質の中か ら興

それ まで も光電子分光や回折 ･散乱現象 を利用 した方法で表面の構造が調べ ら味深い材料 を対象 とす ることを考 えました｡

れて きましたが,実空間で原子 レベルの検討 した結 果,低 次元 伝 導 の分 野 で分解能が得 られるとい うことは,非常に様々な面 白い挙動 を示 す有 機 材 料 の 中

大 きな衝撃で,その後,多 くのグループ

で,高温超伝 導の は し りで もあ りますにより同手法の改良 ･開発が盛 んに進め

BEDTTTF系の有機超伝導体 を取 り上られて きました｡現在では,試料 を高温げることに しました｡同材料 は,BEDT-に して,表面原子構造の動的な変化 を直TTF分子 を ドナー とす る電荷移動錯体

接観察 した り,測定の際に放出される光で,当時 10K程度の臨界温度 を示 し,育の情報 と組み合わせて,表面原子の種類機材料の持つ高い構造設計の可能性へのを区別 す る試みや,STM の針 を用いて期待 もあって,酸化物超伝導体が発見 さ

特定の原子 を操作することまで行われ よれるまでは,高温超伝導実現への夢 を与うとしています｡

える旗頭で もあ りました｡ また,最近柱秩々のグ/レ-プで も,放射光 や電子線目を集めていますサ ッカーボール状の構

回折等 を用いて固体表面/界面の仕事 を造 を持つ C6｡
同様 , 7結合が重要
rな役割

進 めていた こともあって,4年程前か らを果た してお り,超伝導機構の研究対象

STM 装置の利用 を考 え,同装置の作成として も, また他の物性研究の上で もとを試みて きました｡先 にも述べ ましたが,て も興味深い材料です｡ポス トシ リコン

27132 筑波 フォー ラムを目指 して分子デバイス等の研究が進 め

電子が遍在するとされてい ました｡

られてい ますが,超伝導が絡 む場所ではSTM 像 と軌道計算の比較 を行 った と有力な候補 となることが考 えられ ます｡

ころ,実験で得 られた結晶内での電子分しか し,構造が複雑である為に電子状態

布 と分子軌道 を用いて計算 され る構造 との計算は困難で,バ ン ド構造等,最近 にの間に長い一致が見 られ ます｡電子構造

なってやっと実験 との比較が始められたの計算は材料の物性 を検討す る上で非常ところです｡に重要ですが,計算の根底 となるモデル

STM の 対 象 と して は,当 時 か ら,の正 しさが,原子 レベルの空間分解能でDNAや,LB膜等の観察が試み られてき確かめ られた といえます｡有機材料 は構ましたが,有機材料の測定,及び像の解成要素が分子である為 に構造が複雑 にな

釈 はなかなか難 しく,計算 と一致する結りますが,逆 に構造が大 きい ことに注 目

果 もまだ少ないとい うのが当時の状況でします と,伝導に寄与する局所的な電子した｡そ こで,有機材料に STM を適用す

構造 を容易 に観察出来 る可能性 も考 えらる可能性 を探 る とい う意味 あい も兼 ね

れ,STM の対象 としては魅力 ある物質て,同材料 を試料 として STM の実験 をといえます｡

開始 しました｡

BEDTTTF層 を挟むかたちで存在 すBEDTTTF系の錯体 は,BEDTTTF

る ア ニ オ ン 層 は,伝 導 に 寄 与 す る

分子 を電子供与体 として,電荷の授受にBEDTTTF層の構造 を制御する役 目をよ り BEDTTTF分子か らなる層 と,ア持ち, その構造や安定性が問題 とな りま

ニオ ン分子か らなる層が交互に並んだ層す｡ ア ニ オ ンの種 類 の 異 な る材 料 を状 の結晶 を構成 します｡電気的 には光電STM で観察 してみ ました ところ,圧力子分光等 の結果 に よ り,BEDTTTFl

や温度の変化 に対 して敏感で幾つかの超分子あた り%個の電子がアニオ ン分子 に伝導相を示す材料では,結晶内部 とは異TTF層移動することによって,BEDT-なる周期で配列する超構造の存在が観察は伝導層 とな り,一方,アニオ ン層は電され る等,面白い結果が得 られています｡

子的に閉殻 とな り絶縁層 を構成す るとさ材料の薄膜化 の研究が盛んに進 められれてい ます｡ また,超伝導 に関与す るのてい ますが,上記材料の薄膜 を作成 し観は BEDT･TTF層 です が,BEDTTTF

察 してみ ます と,基板の対称性 と薄膜の分子 は平板状の分子でその中心部分に 7T

構造 との関連や薄膜独 自の分子配列が観133
察 され,上記超構造の結果 と合わせて,問題 であ り, また,家内の強い要望 ?ち

低温での相変化等,超伝導機構 を解釈す

あ りまして,常 に減量 を意識 して きまし

る助 けになるのではないか と期待 していたが成果の方はあまりかんば しくあ りまます｡

せん｡先 日,ある会議の後 で,Rorher博

現在 も,STM を利用 した電子分光や,士 といっしょに温泉につかる機会 を持 ち

原子間力顕微鏡等 を併せて研究 を続 けてましたが,とにか くか っぶ くの良い方で,い ますが, これ までに得 られた成果の一

ベル トの辺 りもかな りの貫禄 .
′ それ以部をまとめた仕事 に対 しまして,昨年 12

莱,"中途半端 に太 るのはまずいが,系全月,表面科学会 よ り論文賞 を頂 きました｡

体 を安定 させ る ところまでた どり着 けば筑波に来 ましてか ら,職住接近の快適

む しろ- =等 と,か ってな理屈で自らをな生活の為 か体重 の増加 が続 い てい ま

甘やか し,再 びビールに手を伸ばす このす｡微 妙 な振 動が大 きな影 響 を及 ぼ す

頃です｡

S
TMの実験 に とっては とて も重要 ?な(しげかわ ･ひでみ 物質工学系講師)

カッ ト-白木俊之