原子間力顕微鏡を使用した鉛直交換原子操作による複雑なパターニング

SUGIMOTO Yoshiaki; POU Pablo; CUSTANCE Oscar; JELINEK Pavel; ABE Masayuki; ABE Masayuki; PEREZ Ruben; MORITA Seizo

文献

J-GLOBAL ID：200902222493275300 整理番号：08A1109689

原子間力顕微鏡を使用した鉛直交換原子操作による複雑なパターニング

Complex Patterning by Vertical Interchange Atom Manipulation Using Atomic Force Microscopy

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資料名：
巻： 322 号： 5900 ページ： 413-417 発行年： 2008年10月17日
JST資料番号： E0078A ISSN： 0036-8075 CODEN： SCIEA 資料種別：逐次刊行物 (A)
記事区分：原著論文発行国：アメリカ合衆国 (USA) 言語：英語 (EN)

近年,原子間力顕微鏡(AFM)によって,同じナノ構造を原子1つずつで作製できる可能性が開かれた。このような顕微鏡で表面を観察すると,試料表面との機械的接触部にて原子をつまみ上げることで,探針の先端部が,表面上の原子種によって,汚染されることがある。これによって,不均一面にてパターンを書き込む為に,探針を濡らす原子を個々に配置できるようになり,原子版ディップペン・ナノリソグラフィーが可能となる。本稿では,AFMによって,このような原子ペンを実現できるかどうかを検証した。まず,市販のシリコンカンチレバーにより再近接探針と表面原子間の短距離化学相互作用を検知することで,Sn/Si(111)面を撮像した。そして,Sn(Si)原子の単一原子層のトモグラフィック画像から,シリコン(111)単結晶面に渡り成長する明るい突出部が示された。この原子欠陥の中でも,とりわけ顕著なものは,完全Sn原子における置換Si原子であり,このSi欠陥を,原子間力顕微鏡実験中に,鉛直方向に操作できる。また,試料除去後の画像では,Si原子は視認されず,その代わり,このSi原子が元々あった位置にSn原子が占有していることが分かった。これは,表面のSi原子が,探針先端にあったSnにより置換されたということであると仮説した。更に,この鉛直操作は,原子の鉛直交換が,斥力型探針-表面相互作用力で形成される探針-表面混合構造の機械特性により,制御できるプロセスに基づいている。この斥力相互作用では,極めて複雑なエネルギーの態様が生じる。そこで,原子プロセスを特性化するため,密度汎関数理論第一原理計算に基づき,探針が表面に接近する場合と試料を取り出す場合のシミュレーションを実施した。本調査の結果より,複雑な原子構造のパターニングを可能としながら,個々の原子を半導体表面で調整して配置する上で,AFMを使用できることが示された。更に,今回使用したSn/SI系のみならず,この鉛直交換原子操作は,他の半導体表面でも可能である。そして,高度な鉛直方向・水平方向原子操作とAFMの機能を組み合わせることで,室温における原子レベルでの使用の実現にも近づくであろう。

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顕微鏡法

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