Si酸化膜表面におけるポテンシャル分布のnc-AFMによるナノスケール測定

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本研究では、非接触型原子間力顕微鏡(nd-AFM)に接触電位差法(CPD)の機能を付加することで、表面の局所領域におけるポテンシャル分布を原子一個の分解能で検出し、その構造と直接対応させつつ、定量的に評価することを目的とした。nc-AFM(P測定において、探針-試料間に直流成分に交流成分を重畳した電圧を印加すると検出される力の勾配に変調が生じるが、加える直流電圧が両電極間の接触電位差(CPD)に等しい場合には変調成分は現れない。そこで、この変調成分をロック・イン検出し、その値がゼロになるようにバイアス電圧の直流成分をフィードバック制御しつつ、試料表面上を走査すれば、直流電圧の変化からCPDの二次元分布を得ることができる。この原理に基づくCPD測定機構を作製し、平成14年度に改良を行ったnc-AFMシステムに組み込む事を行った。作製したnc-AFM/CPDシステムを用いて、表面の局所領域における構造評価とポテンシャル分布測定を行い、その空間分解能・エネルギー分解能を評価した。測定対象としてGe/Si(105)-1×2表面を用いた。まず、本表面の高分解能AFM観察を行い、従来STMを用いても観察困難であった最表面の原子配列を直接画像化するに成功した。さらに、これと同時にCPDを用いて本表面におけるポテンシャルの二次元分布を測定し、本構造の重要な安定化機構が電荷の再分布を直接確認することに成功した。これにより我々の作製したAFM/CPDシステムが、原子オーダー(<1nm)の空間分解能かつ約10meVのエネルギー分解能を有することが示された。