Formation of atomically flat clean surface of ferroelectric and the investigation of the properties of the surface

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申請者らが、世界に先駆けて発見した、強誘電体の表面層の基礎物性とこの現象が、最も顕著に現れる強誘電体の基礎である分域構造を解明することを目的として以下の研究を行った。これまでの実験では、清浄化と平坦化の不十分さのため、表面電子の捕獲がおこり、このために本来の電子層の特性が得られていないと考えた。このため、まず、これまで報告がない原子レベルに平坦な強誘電性単結晶(BaTiO_3)を形成した。次に、この表面を清浄化し、さらに原子レベルで清浄さを検出する方式を確立した。この原理は、超清浄な表面の化学結合の活性を超高真空原子間力顕微鏡で測定することである。この表面について、のような表面の形状(AFM)と、圧電応答顕微鏡(PFM)による分域構造、電位分布(KFM)を超高真空中で測定(図7)すると、従来の理論の50分の1程度の電位しかなく、従来の分域理論では説明できないことがわかった。一方、これと独立に、従来の理論の枠組みを用いて、実験の分域構造を定量的に説明すること検討したところ、上記実験と独立に、外因的でな電荷の遮蔽により強誘電体の電荷が50分の1程度に遮蔽する機構が必要であること示した。これらの実験と理論はほぼ定量的に一致し、前述の強誘電体の表面電子層の結果を支持した。