反射高速陽電子回折法によりシリセンの構造決定に成功

～世界最高強度の陽電子ビームを用いてシリコン新素材の構造が明らかに～

平成25年11月21日

大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
独立行政法人 日本原子力研究開発機構
国立大学法人 東京大学

【概　要】

高エネルギー加速器研究機構(以下「KEK」)物質構造科学研究所(以下「物構研」)の兵頭俊夫特定教授らのグループと日本原子力研究開発機構(以下「原子力機構」)先端基礎研究センターの河裾厚男研究主幹のグループ、および東京大学物性研究所(以下「東大物性研」)の松田巌准教授による共同研究および共同利用研究(研究代表：原子力機構・深谷有喜研究副主幹)は、結晶最表面の原子配置を精度よく決定できる反射高速陽電子回折法を用いて、銀単結晶表面上に形成したシリコンの原子1層からなる"シリセン"の構造を調べました。その結果、炭素原子1層からなる平面状のグラフェン^※4と異なり、凹凸のある構造(バックリング構造)であることを初めて実験的に確認しました。

金属的な性質のグラフェンと異なり、シリセンはシリコン原子が平面内で僅かな凹凸を持つために半導体的な性質を持つと理論的に予測されており、電子デバイスへの多様な応用が模索されています。本成果は、この理論予測を裏付けるとともに、KEKにおける高強度・高輝度・エネルギー可変単色陽電子ビームが、結晶最表面の原子配置に極めて敏感であり、かつ、十分な強度と品質を持っていることを実証するものです。

本成果は、米国物理学会が発行するフィジカルレビューB誌最新号(第88巻20号)に掲載されました。
http://prb.aps.org/abstract/PRB/v88/i20/e205413

【背　景】

炭素(C)原子1層だけが亀の甲状に並んだシート、グラフェンは、2004年の発見(2010年ノーベル物理学賞)以来、基礎科学的な興味および高速電子デバイスへの応用を可能とするために広く研究されています。これに触発されて、炭素と同じ14族の元素であるシリコン(Si、ケイ素)についても、同様なシート状の構造をしたシリセンができないか、活発な探索がされてきました。同時に理論的な研究も行われ、ダイアモンド型構造以外に層状構造(グラファイト型構造)を持つ炭素と違って、ダイアモンド型構造しかないシリコンでは、1層だけ取り出すことができてもグラフェンのように全くの平面ではなく、凹凸のある構造(バックリング構造)をしているはずだとされています。

近年、蒸発させたシリコンを温度を制御しながら銀単結晶表面に付着(蒸着)させることにより、シリセンを作る方法が見いだされました。走査トンネル顕微鏡(STM)像による観察により、それが4×4構造の対称性を持っていることは確認されました。一方、理論計算によると銀単結晶表面上のシリセンも凹凸のある構造をしている(図1)ことが予測されていましたが、その詳細やシリコン原子と基板の銀原子との距離などの実験的な情報は得られていませんでした。

グラフェンやシリセンのような電子デバイス材料の研究開発には、物質表面の構造や機能を原子レベルで解析できる手法が必須です。原子力機構では、1998年以来アイソトープ²²Na^※5陽電子源を用いた反射高速陽電子回折(以下「RHEPD」)の開発に成功し、物質表面の研究に応用してきました。一方KEKでは、加速器から発生する陽電子ビームを物質科学に応用するための低速陽電子実験施設においてビーム強度増強のための改造が行われ、2010年にこれまでの10倍の強度増強に成功し、世界最高強度のエネルギー可変低速陽電子ビームを発生できる施設となりました。これは、²²Naを用いた陽電子源に比べ約100倍の強度に相当します。そこで、RHEPDの手法をさらに発展させるために、KEK及び原子力機構は、反射高速陽電子回折実験ステーションを共同で整備してきました。そして2011年には陽電子に独特の方法によるビームの輝度増強を実現し、データの質を向上させました。原子力機構で育てられてきた強力な表面解析手法の飛躍的な発展が、高強度陽電子ビームを利用できるKEKの施設に託されたと言えます。

【研究内容と成果】

研究グループは、シリコン(111)表面上に形成される7×7再構成表面上に20原子層の銀単結晶薄膜を成長させ、その上にシリコンを蒸着することでシリセンを作製しました。

次に、1原子層のシリセンを成長させて、RHEED^※2を用いて4×4対称性を確認しました。銀単結晶上に蒸着したシリコンは、シリセンとは異なる構造になることがあります。ここで作成したシリセンも、シリセンとは異なる√13×√13対称性を持つ構造が5％程度混在していましたが、解析結果への影響は無視できる程度のものです。

このシリセンについて、世界最高強度の陽電子ビームをエネルギー10 keVですれすれの視射角^※6で入射し、視射角を変えながら(θ＝0°～6°)RHEPDパターンを測定しました(図2)。シリセン表面構造の詳細な原子位置を決定するためデータ解析はパターンの正反射スポット強度を視射角の関数としてプロットしたロッキング曲線^※7によって行いました。

今回のロッキング曲線は、一波条件の測定と多波条件の測定を使い分けました。前者は、陽電子ビームを対称性の悪い方向から入射する測定で、表面に垂直な原子座標に敏感です。後者は、対称性の良い方向から入射する測定で、表面に平行な原子座標に敏感です(図3)。

本研究では、まず表面に垂直な原子座標に敏感な一波条件で測定したロッキング曲線(図4)を解析しました。その結果、確かにこのシリセンは凹凸構造をしていること、そして、上に変位しているシリコン原子の層と下に変位しているシリコン原子の層の間の距離(Δ)が0.83 Åであり、下の層のシリコン原子と銀単結晶表面との距離(d)が2.14 Åであることがわかりました。次に、表面に平行な原子座標に敏感な多波条件([112]方位からの入射)で測定したロッキング曲線(図5)を解析しました。その結果、4×4対称性を作っているシリコン－シリコン結合の間の角度(α、β)が112°と119°の2種類になることで凹凸構造を作っていることがわかりました。これらの値は、理論値(Δ＝0.78 Å、d＝2.17 Å、α＝110°、β＝118°)を支持する結果です。

【本研究の意義、今後の展望】

シリセンは、グラフェンと並び次世代省エネデバイスの作製の根幹をなす新物質の有力な候補とされています。今回、シリコンの新素材であるシリセンの詳細な原子配置が実験的に解明されたことにより、応用上重要な電気伝導特性などの物性の深い理解に貢献するものと期待されます。

また、高強度の高品質陽電子ビームを用いた回折法が物質最表面の構造決定に有効であることが示されました。特に絶縁体の最表面を決定する有効な手段として、今後多方面への起用が期待されます。

【参考図】

図1　銀単結晶表面上のシリセンの構造(上：平面図と下：側面図)
銀(灰色)の(111)表面上に成長させたシリコン(赤色、薄赤色)のシート状結晶。黄色で囲われた範囲が結晶格子の最小単位。側面からみると、ジグザクとした凹凸構造をしており、上位に6原子、下位に12原子あることが理論的に予測されていた。

図2　RHEPDパターンの測定
エネルギーと方向のそろった質の高い陽電子ビームを表面すれすれの視射角で入射し、反対側のマルチチャンネルプレート(MCP)で検出して信号を増幅し、その背後に置いた蛍光面を光らせてCCDカメラで撮影する。視射角θを変えながらこのようなパターンを測定し、θの関数として鏡面反射(正反射)スポットの強度をプロットするとロッキング曲線が得られる。

図3　RHEPD測定の一波条件と多波条件
一波条件では、対称性の悪い方向から陽電子を入射するので、陽電子から見た表面原子の配列が重なって平均化され、1枚の層に見えるため、ロッキング曲線は、面に垂直な方向の原子位置に敏感になる。一方、多波条件では、対称性の良い方向から入射するため、表面に平行な原子位置にも敏感になる。一波条件で決めた面に垂直な位置を前提として多波条件で面内の位置を決めることで、どちらの方向についても正確な位置を決めることができる。

図4　銀単結晶上のシリセンに対するRHEPDパターン鏡面反射スポットのロッキング曲線(一波条件)　　
この測定が、面に垂直な原子位置に敏感なことを利用して、図1のΔとdを決めた。実験へのフィットを最適化させた計算の結果は、理論で予測された値とよく一致している。

図5　銀単結晶上のシリセンに対するRHEPDパターン鏡面反射スポットのロッキング曲線(多波条件)
この測定が、面に平行な原子位置に敏感なことを利用して、図1のαとβを決めた。図4で得られたΔとdの値を前提として実験へのフィットを最適化させた計算の結果は、理論で予測された値とよく一致している。

【用語解説】

※1　陽電子
素粒子の1種。電子の反粒子で、電荷が正であること以外は電子と全く同じ性質をもっている。通常は²²Naなどの放射性アイソトープから得られるが、高強度のビームを作るときは、電子リニアック(加速器の一種)等を用いる。

※2　反射高速陽電子回折(RHEPD)
結晶表面にすれすれの角で入射してその回折パターンから表面の電子配置を調べる反射高速電子回折(RHEED)の陽電子版。Reflection High-Energy Positron Reflectionの頭文字をとってRHEPDと略称される。日本の科学者によって提唱され(名古屋大学：一宮彪彦)、実証された(原子力機構：河裾厚男・岡田漱平)。RHEPDでは、エネルギー10 keV程度の質の良い陽電子ビームを試料表面にすれすれの角(視射角θ＝0°～6°)で入射する。表面構造の対称性を確認するだけなら、主要な上面構造解析法のどれを用いても簡単にできるが、詳細な原子位置を決定するのは容易なことではない。最表面に極めて敏感な陽電子ビームの利用により、この分野の発展が期待されている。

※3　シリセン
元素周期表においてシリコンが炭素と同じ14族にあることから、グラフェンと同じように存在するのではないかと期待されていた2次元層状物質。2012年に、銀(111)面上に作る方法が確立された。特性の研究はこれからであるが、グラフェンと同様の優れたエレクトロニクス特性が期待されている。

※4　グラフェン
炭素の層状物質であるグラファイトの1層のみから成る二次元物質。2004年に、グラファイトの層をセロハンテープではがすという意外な方法が発表されて話題になり、2010年にはその発見者にノーベル物理学賞が授与された。電子が高速で移動することや、電子スピンの状態が安定に保持されることがわかり、高速デバイスやスピントロニクスの材料として期待されている。

※5　²²Na
ナトリウム－22。通常のナトリウムの原子核が陽子11個と中性子12個から成るナトリウム－23であるのに対して、このアイソトープの原子核は陽子11個と中性子11個を含む。半減期2.6年でβプラス崩壊(陽電子を放出する崩壊)をして、安定な²²Ne(ネオン－22)になる。物性実験に利用する陽電子源として広く用いられている。

※6　視射角
光や粒子のビームを結晶表面に入射するとき、表面に垂直な法線とビームの間の角を入射角というのに対し、表面とビームの間の角を視射角という。入射角と視射角は互いに余角(合計が90°になる2角)の関係にある。表面すれすれに陽電子を入射するRHEPDでは、通常、視射角を用いて入射方向を表す。

※7　ロッキング曲線
入射方向を変えながら回折パターンを観測し、特定のスポットの強度を入射角または視射角の関数としてプロットした曲線。X線回折や電子線回折でも用いられ、表面構造や結晶構造を解析する。RHEPDのロッキング曲線では、一波条件の測定と多波条件の測定を使い分ける。前者は、陽電子ビームの入射方向を対称性の悪い方向から入射する測定で、表面に垂直な原子座標に敏感である。後者は、積極的に対称性の良い方向から入射する測定で、表面に平行な原子座標に敏感である。

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＜報道担当＞
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広報室 報道グループリーダー　岡田 小枝子
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関連サイト

日本原子力研究開発機構 先端基礎研究センター
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所(IMSS)
放射光科学研究施設　フォトンファクトリー
低速用電子実験施設
東京大学物性研究所

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