走査型トンネル分光法

走査型トンネル分光法：物質表面の電子状態を原子レベルで探る手法

走査型トンネル分光法（STS）は、物質表面の電子状態を原子レベルの解像度で分析する革新的な技術です。その基礎となるのは、走査型トンネル顕微鏡（STM）であり、STMの探針を用いて試料表面を走査することで、局所的な電子状態密度を反映したスペクトル情報を得ることができます。STSは、STMとほぼ同時期に開発され、ナノテクノロジーや物質科学の分野において、物質の性質解明に大きく貢献しています。

原子レベルの解像度と局所的な情報取得

STSの最大の特徴は、その高い空間分解能にあります。STM探針の原子レベルの鋭い先端構造を利用することで、物質表面の極めて局所的な電子状態を分析することが可能です。従来の手法では得られなかった、原子レベルでの電子状態に関する詳細な情報が得られるため、物質の機能発現機構の解明に繋がります。

取得されるスペクトル情報は、試料表面のトンネル電流の電圧依存性を示しており、この電圧依存性から、フェルミ準位近傍の局所的な電子状態密度を算出します。この電子状態密度は、物質の種類、結晶構造、表面の欠陥、吸着分子など、様々な要因によって変化するため、STSを用いることで、これら要因の影響を原子レベルで明らかにすることができます。

幅広い応用分野

STSは、その高い空間分解能と局所的な情報取得能力から、多様な分野で活用されています。例えば、半導体材料の評価、超伝導体の研究、触媒反応の機構解明、表面科学における基礎研究など、様々な場面でSTSは重要な役割を果たしています。特に、ナノスケールのデバイス開発においては、材料の電子状態を精密に制御することが不可欠であり、STSはデバイス開発の指針となる貴重な情報を提供します。

研究事例

STSに関する研究は数多く発表されており、その応用範囲は広がり続けています。例えば、Fe/Mn/Fe(001)磁気多層膜の観察において、サブナノメーターの磁気分解能を持つスピン偏極STSが用いられ、磁気特性の解明に貢献しています。また、分子探針を用いたSTMによるSTS測定も試みられており、より高度な分析技術の開発が進められています。

まとめ

走査型トンネル分光法(STS)は、原子レベルの空間分解能で物質表面の電子状態を分析できる強力な手法であり、ナノテクノロジー、材料科学、表面科学など、幅広い分野に貢献しています。STM探針を用いた局所的な電子状態密度測定により、物質の機能発現機構の解明や、新規材料の開発に不可欠な情報を提供し続けています。今後も、STS技術の更なる発展と応用範囲の拡大が期待されます。

参考文献

舘田潤, 重田諭吉、「28pPSB-13 走査型トンネル分光法による局所状態密度の解析」 『日本物理学会講演概要集』 58.1.4巻 2003年 p.848-
山田豊和, 溝口正、「30aWR-5 サブナノメーターの磁気分解能をもつスピン偏極走査型トンネル分光法を用いてのFe/Mn/Fe(001)磁気多層膜の観察(領域9,領域3合同 : 表面磁性)(領域9)」 『日本物理学会講演概要集』 59.1巻 2004年 p.930-, doi:10.11316/jpsgaiyo.59.1.4.0_930_1
西野智昭, 梅澤喜夫、「分子探針を用いる走査型トンネル顕微鏡」 『分析化学』 2005年 54巻 6号 p.417-426, doi:10.2116/bunsekikagaku.54.417
富取正彦、「ナノ評価のための走査型プローブ顕微鏡法の概説と最近の話題」 『色材協会誌』 2010年 83巻 5号 p.233-239, doi:10.4011/shikizai.83.233

関連項目

走査型トンネル顕微鏡 (STM)
走査型プローブ顕微鏡 (SPM)
* 原子間力顕微鏡 (AFM)

もう一度検索