原子ステップの運動による3次元結晶構造物のマクロスケール変形機構の解明

阐明原子台阶运动引起的三维晶体结构的宏观变形机制

• 批准号: 17740197
• 负责人: 須藤 孝一
• 金额: $ 1.86万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17740197/
• 关键词: 表面; ステップ; 緩和; 走査プローブ顕微鏡; 表面拡散; 微細構造

今年度は、シリコン表面の1次元グレーティング構造の熱緩和とSrTiO_3(001)表面上の穴の減衰メカニズムについて研究を行った。これらの現象の観察を通じて、立体的な結晶構造物の変形における物質輸送のしくみに関する重要な知見を得た。以下に具体的な研究成果をまとめる。Si(001)基板上に形成した、深さ2μm、周期が0.8〜4.Oμmの1次元矩形グレーティングを高温で加熱した時の、断面構造の時間変化と表面におけるステップ構造の時間変化を走査電子顕微鏡(SEM)及び走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて調べた。巨視的な断面プロファイルの時間発展は、Mullinsの連続体理論に基づいたシミュレーションで再現できることが分かった。一方、STMでグレーティングの表面を観察したところ、ステップ運動によって巨視的な変形が起こっていることが確認された。比較的振幅が大きな段階では、グレーティングの波長よりも小さな周期構造が形成されていることが分かった。また、減衰の後期では、グレーティングの頂上に形成される(001)ファセットが加熱時間にほぼ比例して成長して行くことが分かった。これらのSTM観察結果は、連続体モデルでは理解できない、ステップ運動による変形の特徴であることを明らかにした。また、SrTiO_3(001)表面上にSTMナノ加工技術を利用してナノスケールの穴を形成し、その緩和過程をSTMでその場観察した。多層穴の緩和過程では、穴の縁は広がりながら、底から一層づつ埋まっていくことが分かった。さらに、この観察結果は、拡散律則を仮定した連続体ステップモデルのシミュレーションで再現できることを示した。一連のSTMその場観察結果より、ナノスケールの多層構造では、層間での原子の輸送機構とステップ問の相互作用が、その構造変化において本質的な役割を果たしていることを見いだした。

今年，我们研究了硅表面一维光栅结构的热弛豫和SrTiO_3(001)表面空穴的衰减机制。通过对这些现象的观察，我们获得了关于三维晶体结构变形过程中质量传输机制的重要知识。具体研究结果总结如下。在 Si(001) 衬底上形成的深度为 2 μm、周期为 0.8~4.0 μm 的一维矩形光栅在高温加热时，其截面结构随时间的变化以及使用扫描电子显微镜（SEM）和扫描隧道显微镜（STM）观察表面的台阶结构。研究发现，宏观横截面轮廓的时间演化可以通过基于 Mullins 连续介质理论的模拟来重现。另一方面，当使用STM观察光栅表面时，证实由于步进运动而发生了宏观变形。发现在振幅比较大的阶段，会形成小于光栅波长的周期结构。研究还发现，在衰变后期，光栅顶部形成的（001）面的生长与加热时间大致成正比。这些 STM 观测结果揭示了由步进运动引起的变形特征，而这是使用连续介质模型无法理解的。此外，利用STM纳米加工技术在SrTiO_3(001)表面形成纳米级孔，并利用STM原位观察弛豫过程。研究发现，在多层孔的弛豫过程中，孔的边缘在从底部逐层填充的同时不断扩大。此外，我们表明，可以通过使用假设扩散定律的连续阶跃模型进行模拟来重现这一观察结果。基于一系列原位STM观察，我们发现在纳米级多层结构中，层间原子输运机制和逐步相互作用在结构变化中发挥着重要作用。

项目成果

Step Dynamics in Relaxation of Sharp Corners on Crystal Surfaces

晶体表面尖角松弛的阶跃动力学

• 发表时间: 2006
• 期刊: Surface Science (in press)
• 作者: M.Ikuta;A.Yabushita;F.S.Rondonuwu;J.Akahane;Y.Koyama;T.Kobayashi;K.Kato;E.Nishibori;S.Hosoi;M.Bartel;T.Sonehara;S.Kohara;M.Itoi;Y.Taguchi;K.Hirata;Y.Horibe;T.Sasaki;K.Kato;C.J.Howard;K.Adachi;高田 昌樹;坂田 誠;M.Kotsugi et al.;M.Kotsugi et al.;M.Kotsugi et al.;M.Kotsugi;M.Kotsugi et al.;小嗣 真人;Yamaguchi Takahide 他;Yamaguchi Takahide 他;Yamaguchi Takahide 他;Yamaguchi Takahide 他;山口尚秀;山口尚秀;M.Yamamoto;H.Goto;K.Sudoh
• 通讯作者: K.Sudoh