走査型トンネル顕微鏡

走査型トンネル顕微鏡（STM）

走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）は、1982年にゲルト・ビーニッヒとハインリッヒ・ローラーによって開発された計測装置です。この顕微鏡は、非常に鋭い探針を用いて導電性の物質の表面や、その上に吸着した分子の電子状態や構造を観察することができます。STMという名称は、探針と試料の間で発生するトンネル電流に由来しています。

原理

STMの基本的な原理は、非常に近接した探針と試料間で発生するトンネル効果です。この装置では、探針が試料の表面に接近すると、衝突前にトンネル電流が流れ始めます。この電流を測定することで、試料表面の電子状態密度を把握することができます。探針と試料の距離には指数関数的な減衰があるため、原子一つ程度の近距離でトンネル電流の値が大きく変わります。この特性により、原子レベルでの精密な観察が可能になります。

探針の動作には圧電素子を用いており、高い精度をもって探針を移動させることが可能です。観測されたトンネル電流は、表面の電子状態の波動関数から導かれるものであり、試料の凹凸を直接見ているわけではありません。また、導電性のない物質の観察はできない点も印象的です。

観測方法としては、探針と表面の距離を一定にした状態で電流を測定する方法や、逆にトンネル電流を一定に保ちながら距離を測る方法があります。この装置は大気中や液体中での観測も行えるため、様々な環境下で利用されます。さらに、非弾性トンネル電流を活用することで、表面分子の振動を励起したり、分子の結合を切断したりすることも可能です。

歴史

STMの開発は、1978年にIBMのチューリッヒ研究所でハインリッヒ・ローラーが始めた電気特性の研究に端を発します。彼はゲルト・ビーニッヒとの共同作業により、10nm以下の範囲で観察を行うための装置を開発しました。探針を試料に近づける際に偶発的な接触による破損を避けるため、ビーニッヒはトンネル効果を利用した非接触測定の手法を考案しました。この技術によって、彼らは画期的な精度での観測を実現しました。

1982年には、実際に原子一個分の段差を測定できることが確認され、STMの実用性が評価されるようになりました。1983年には長年の謎であったシリコンの(111)表面構造の解明に寄与し、この装置の信頼性が広く認められるようになりました。ビーニッヒとローラーはこの業績により、1986年にノーベル物理学賞を受賞しました。

装置機構

STMの探針は、精密な機械研磨や電解研磨によって鋭く研磨されます。また、初期の探針は先端半径が約100nmでしたが、技術の進歩により10nmの尖端を持つ探針が開発されました。STMの測定は振動に非常に敏感であるため、振動を抑えるための工夫が施されています。装置の初期には、超伝導磁気浮上が用いられていましたが、冷却に大量の液体ヘリウムが必要だったため、振動減衰装置へと改良が行われました。

STMは、現在でも多くの科学技術分野で重要な役割を果たしており、表面物理学や材料科学の研究に広く利用されています。

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