研究紹介
丸文研究奨励賞
受賞者

ナノイメージング分光の開拓とそれを用いた半導体量子構造の波動関数マッピングに関する研究
ナノの光で電子の波を照らす松田 一成
京都大学化学研究所附属元素科学国際研究センター 助教授

はじめにる。その量子ドット中の電子の振る舞いとである。実際の近接場光学顕微鏡は、を探るのに、光（可 視 光）は強力な手 段

鋭く尖らせた光ファイバー先端に波長よナノスケールの世界では、電子の波とであるが、残念ながらその波動関数を直りも小さい窓となる開口を設け（この部分して性 質が 顕 著に表れる。量 子力学で接 見る ことはできない。なぜなら量 子をプローブと呼ぶ）、そこから光を照らし試

は、箱 型ポテンシャルの中に閉じ込めらドットは、光 の 波 長（500-1000nm）に料表面をなぞりながら観察し像を得る（図れた電 子の振る舞いは、その存 在 確 率比べその大きさ（数 nm 〜 100nm）がず2-a）。照らされる近接場光のサイズは開口の 空 間 分 布を表す 波（波 動 関 数）がどっと小さく、光学顕微鏡をもってしてもその大きさと同程度であり、分解能は光波のような形や拡がりをしているかが重 要の中の電 子の様 子を直 接 捉えることが長と関係なく開口の大きさでのみ決定さである、と記述されている。逆に、その波できないからである。我々は、この 後でれる。しかし、この顕微鏡の分解能は、そ動 関 数がどのような形や拡がりをもって詳しく述べる近接場光学顕微鏡の空間の心臓部となるプローブの性能が十分でいるかがわかれば、電 子 の 振る舞いや分解能を極限まで高め（ナノサイズの光なく、残念ながら当初期待されたほど向上

その電 子が関 与する物 性をある程 度 予を実 現することを意 味する）、ナノイメーしていない。この顕微鏡の空間分解能を測することができる。半 導 体 量 子ドット

ジング分光という新しい手法を確立し、こ上げる鍵は、いかに性能の良いプローブ

は、量子情報処理や量子コンピューティの波動関数を観察することに成功した。

チップを用意するかという点にある。我々グの実 現において鍵をにぎる系であり、そのナノスケールの 空 間に3 次 元 的に回折限界に打ち勝つはこの点を十分に認識し、高性能なプローブチップを、光ファイバーをフッ酸溶液閉じ込められた電 子は、まさに箱 型ポテ光学顕微鏡の解像度（分解能）は、光で2段 階エッチングすることで作 製した。

ンシャル中の電 子そのものであると言えの波としての性質からくる回折により、波さらに、遮光用の金属膜をコーティングし長の半分程度に制限される。この制限をたプローブチップを試料表面に押し付つSyngeによる超解像度顕微鏡の提案（1928年）

試料乗り越えるために、これまで様々な努力がける方 法で、極めて小さい開 口（開 口 径なされてきた。金属平板に空けられた波20nm）を再現良く作製することができる

長より小さな窓（穴）に光を当てると、そのようになった（図2-c）。

窓の近傍だけに近接場光と呼ばれる光が発生する。これを照明光源として利用す金属膜

穴の大きさ〜10nm

図1 Syngeによって提案された超解像度顕微鏡の原理（近接場光学顕微鏡の原型）

量子ドットの中をナノの光で探る

る超解像度の顕微鏡（近接場光学顕微

観察対象となる量子ドットは、分子線エ鏡）の 原 理は、古く1920年 代 のSynge

ピタキシー法で成長した厚さ5nmのガリウ【 1】。
しかし、ナノスらの提案まで遡る（図1）

ム・ヒ素層中に形成されている。この層中ケールの窓を作製することが困難であるなにおいて、厚みが周りよりも1層だけ厚い

どの技術的な問題から、可視光の領域でステップをつくると、電子にとってそこがポそれが実現したのは1980年代後半のこテンシャルのくぼみとして働き、横方向に図2
近接場光学顕微鏡のセットアップ
（a）

（a）
励起子分子

（b）
励起子

（b）
プローブの電子顕微鏡写真
図3（a）
励起子分子と（b）
励起子の波動関数マッピング
点線は、量子ドットのおよその大きさを表す

100-200nm、高さ5nmのディスクの 形の振幅）が、発光強度に比例することを利をした箱（量子ドット）の中に電子が閉じ込用し、量子ドットの大きさ（100-200nm）

今後の展望められる。この量子ドットは厚さ20nmのキよりも小さな窓（30nm）で発光の空間分

量子ドットは、量子情報処理や量子コャップ層で覆われているが、この厚みは測布を測定すれば、励起子波動関数の拡がンピューティング実現において鍵をにぎる定での分解能を低下させないように精密りや形を実験的に知ることができる。実際システムであり、その量 子 状 態（波 動 関に設計された値である。我々は、卓越したに、プローブチップで表面をなぞりながら数）が見えるようになったことは、より高度プローブ作製技術と最適化された試料構励起子と励起子分子からの発光強度をな量子デバイス実現に向けた大きな進展造により、近接場光学顕微鏡を使い半導マッピング（ナノイメージング分光）した結をもたらすと考えられる。また、ここで確立

体量子構造の空間分解能30nm（波長果が（図3-a,b）である。両イメージともに似たしたナノイメージング分光は、半導体量子の約1/25）でのイメージング・分光を行う

形をしているが、励起子分子のイメージの構造に限らず様々な物質がそのターゲットことに成功した【2,3】。

拡がりが励起子のそれと比べて一回り小となり、現在盛んに研究がなされている光量子ドットにそのバンドギャップよりも高さくなっていることがわかる。ここで励起子

誘起相転移現象【4】やカーボンナノチュー

いエネルギーをもつ光を当てると、電子を発光の空間分布は先に述べたように、直ブの光物性【5】などを研究する上で強力な伝導帯に励起し、価電子帯に電子の抜け接、励起子の波動関数の振幅をマッピンツールとなるであろう。これらをきっかけとした穴として正孔（ホール）が創られる。電子グしたものになり、このナノイメージング分て、これまで物理分野の限られたユーザーと正孔は互いに逆の電荷をもつためクー光によって初めて励起子の波動関数マッのみが利用していた近接場光学顕微鏡

ロン力で引き合い、励起子と呼ばれる束縛ピングが可能となった。一方で、励起子分が、 ナノスケールの解像度をもつ光学顕状態を形成する。励起子をつくる電子と正子の発光がより狭い領域に閉じ込められ微鏡 として、化学・生物分野などの幅広孔が互いにクーロン力で引き合っている様ているのは、2つの励起子間に働いているい分野で活用され、その特徴を生かしたは、水素原子での電子と陽子の関係にな引力的な相互作用と励起子間の相関を反新しいアプリケーションの開拓に大きく寄ぞらえることができる。また、2つの水素原映した結果に起因している【2】。

与することが今後期待される。

子が水素分子をつくるように、2つの励起子（2つの電子と2つの正孔）は励起子分子と呼ばれる束縛状態をつくる。この時、励起子のボーア半径（励起子の大きさ）はRe f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）【1】E.Synge, Philosophical Magazine 6, 356（1928）

10nm程度であり、励起子（分子）は大き【2】K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi, S.Nair, and T.Takagahara, Phys. Rev. Lett.
91, 177401（2003）

な箱（量子ドット）の中に閉じ込められた水【3】K.Matsuda, T.Saiki, T.Yamada, and T.Ishizuka, Appl. Phys. Lett. 85, 3077（2004）

素原子（分子）様の複合粒子として、電子【4】M.Chollet, L.Guerin, N.Uchida, S.Fukaya, H.Shimoda, T.Ishikawa, K.Matsuda, T.Hasegawa, A.Ota,
H.Yamochi, G.Saito, R.Tazaki, S.Adachi, and S.Koshihara, Science 307, 86（2005）と同様波のように振舞う。ここで、量子ドットの中での励起子の存在確率（波動関数【5】H.Hirori, K.Matsuda, Y.Miyauchi, S.Maruyama, and Y.Kanemitsu, Phys. Rev. Lett. 97, 257401（2006）