走査型トンネル顕微鏡を用いた強電場化での新物質ナノ構造の作製

使用扫描隧道显微镜在强电场中制造新材料纳米结构

基本信息

批准号：
10750042
负责人：
小野崇人
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至 1999
项目状态：
已结题

项目摘要

走査型トンネル顕微鏡では探針を基板に極めて接近させて動作させるため、ギャップ間では小さな電圧でも非常に大きな電界強度になる。この大きな電界では物質は蒸発したり、気体が電離したりする。シリコンを蒸発・堆積さナノワイヤーを成長させることに成功した。特にシリコンの蒸発速度を上げるため、微量の金が重要な役割を果たす。金原子は、シリコン間の結合を切り蒸発しやすくするためである。また、基板を加熱することでも電界蒸発速度を上げることができる。この電界蒸発を利用したナノ細線成長の手法を走査型プローブ顕微鏡の片持ち梁の先端にナノワイヤーを成長させて、探針を作製することに応用した。一方、強い電場下では、大気圧中で探針-基板上にマイクロプラズマが発生することを見いだした。ガラス上にに金属薄膜を形成した基板では、マイクロプラズマガラスを利用して金属薄膜を加工することに成功した。この方法で、金属薄膜に100nm以下の微小な開口を作製し、近接場のリソグラフィーに応用した。同様の技術はマイクロプローブ上に金属の微小開口を形成し、近接場光学顕微鏡用のプローブを形成できた。またプラズマによる熱のため、ガラスを局所的に溶融させ微小部品のガラスへの接合を可能にした。強電場とマイクロプラスマの関係を調べるためのテストデバイスを作製し、その形状に対する放電状態の変化を調べた。マイクロ放電は電極を構成する材料に強く依存することを見いだした。金属でできた電極では、マイクロ放電は多数見られ、一方シリコンでできた電極上ではマイクロ放電は起きにくい。

在扫描隧道显微镜中，探针的工作位置非常靠近基底，因此即使很小的电压也会在间隙中产生非常大的电场强度。这个大电场导致物质蒸发和气体电离。我们通过蒸发和沉积硅成功地生长了纳米线。特别是，微量的金在提高硅蒸发速率方面发挥着重要作用。这是因为金原子破坏了硅之间的键并促进蒸发。场蒸发速率也可以通过加热基板来增加。这种利用场蒸发生长纳米线的方法被应用于在扫描探针显微镜悬臂尖端生长纳米线以创建探针。另一方面，我们发现在大气压下的强电场下，尖端和基底之间会产生微等离子体。对于在玻璃上形成金属薄膜的基板，我们成功地使用微等离子体玻璃加工金属薄膜。利用这种方法，我们在金属薄膜上创建了小于 100 nm 的微观开口，并将其应用于近场光刻。类似的技术被用来在微探针上形成一个小金属孔径，从而可以形成用于近场光学显微镜的探针。此外，等离子体产生的热量会局部熔化玻璃，从而可以将微型零件粘合到玻璃上。我们创建了一个测试装置来研究强电场和微等离子体之间的关系，并研究放电状态根据其形状的变化。我们发现微放电很大程度上取决于构成电极的材料。在金属制成的电极上观察到许多微放电，而在硅制成的电极上则不太可能发生微放电。