走査トンネル顕微鏡による精密測定の最近の話題

摘要

走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscopy、STM）は、表面原子を観察することが出来る顕微鏡として知られ、透過型／走査透過型電子顕微鏡（TEM/STEM）と並hで、原子レベルでの材料評価が可能な手法として、材料開発·評価に用いられている。TEM/STEMでも、局所的な化学分析手法としての電子エネルギー損失分光（EELS）があるように、STMでも走査トンネル分光（STS）と呼ばれる手法により、表面での電子状態に関する知見が得られることは良く知られている。STSを用いると、光電子分光（PES）で得られるような電子状態密度（DOS）を原子スケールの空間分解能で得ることができる。エネルギー範囲は、フェルミ準位から±数eV程度で、PESでは測定できない非占有準位も検出可能である。また、DOSの面内分布測定が可能であることから、量子力学で言うところの波動関数が観察できる点も大きな特長である。PESの場合、測定のエネルギー分解能は光源と検出器のエネルギー分解能によって決定されるが、STSでは、探針内での電子占有におけるフェルミ分布の拡がりがエネルギー分解能を決定しており、探針温度Tに依存する。分解能はおおよそ3kTであり（kはボルツマン定数）、室温では0.1eV、液体He温度（4.2K）で1meV、3He冷凍機で到達できる0.4Kでは0.1meVとなる。したがって、いかに低温での測定を実現するかが、STSにおける高エネルギー分解能測定の鍵となる。我々の研究グループでは、STSによる高エネルギー分解能測定を一つの柱として、低温でのSTM/STS測定を中心に研究を進めている。本発表では、高精度測定の一端として、超伝導の近接効果、ポテンショメトリ測定について紹介する。