第 5 章 観察測定の結果
5.2 二ホウ化ジルコニウム薄膜表面の観察と解析 [4, 5]
清浄な二ホウ化ジルコニウム表面上にシリセンが形成していることを確認す るために、STMおよびnc-AFMを用いて表面の観察を行った。UHV中で試料を
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800 oでアニールした後に、室温まて冷却させてから観察を行った。Fig. 5.7 (a)
は nc-AFM トポグラフィック像で、わずかにドメインバウンダリーの線状構造
が見られ、清浄表面にシリセンが形成していることが示されている。(b)はテラ ス上の一部を拡大して、STMフィードバックでnc-AFM/STM同時計測して得ら れた表面像である。STM トポグラフィックおよび<IT>ドメインバウンダリーと Si 原子を観察することができる。隣合ったドメイン同士、Si 列の位相が揃う場 合と位相がずれる構造がある。
Figure 5.7 UHV中で800 oCで加熱して清浄化したZrB2(0001)/Si(111) 表面観察. (a) nc-AFM像. fc = 29.158 kHz, Δf =-2.0 Hz, A=1.4 nm, Vs=0 V, 150×150 nm2. (b) nc-AFM/STM観察像. fc = 27.598 kHz, Iset =-19 pA, A=1.4 nm, Vs=+400 mV, 8×8 nm2.エピタキシャルシリセンの形成が確 認できる.
シリセンの構造を詳しく説明する。Fig. 5.8はnc-AFM走査で得られたトポグ
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ラフィック、Δf、エネルギー散逸像である。トポグラフィック、Δf 像が原子分 解能を示しており、画像の上半分は汚れが付着している。下半分にはSi 原子と ドメインバウンダリーが確認できる。このABライン上での断面プロファイルを 見ると、ドメインバウンダリーの原子が低く、それ以外での原子はドメインバ ウンダリーのSi原子位置に比べて60 ~ 80 pm程度高くなっている。一方、Δfの 断面プロファイルでは周波数の変化が他の部分に比べて大きい。またエネルギ ー散逸像を見るとドメインバウンダリーでより明るいコントラストを示し、探 針の振動エネルギーの散逸が大きいことを示している。したがってドメインバ ウンダリーのSi原子は探針が近接したときに、Si-Si結合の範囲内で動いている と推察される。ドメインバウンダリーでのSi 原子の挙動がエネルギー散逸を大 きくしており、またΔfの変化が大きくなった要因である。上半分の汚れた表面 とシリセンを比較しても、エネルギー散逸像ではシリセン全体が明るいコント ラストを示している。
シリセン表面は、Si－Si結合の範囲内で探針の近接によって働く引力を受けて 動きやすく、特にドメインバウンダリーでそれが顕著であると言える。表面全 体として動きやすいということは、シリセンの直下にあるZrB2(0001)表面との結 合もわずかに伸び縮みしやすいことを示している。
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Figure 5.8 (a) シリセンのnc-AFMトポグラフィック, Δf, エネルギー 散逸像像 (b) トポグラフィックおよびΔfのABライン上での断面プ ロファイル. fc = 29.158 kHz, Δf =-3.5 Hz, A=700 pm, Vs=0 V, 8×8 nm2.
1つのSi原子上でΔf –zカーブと同時に取得されたチャージアンプ出力を示す。
Fig. 5.9 (a)はチャージアンプ出力、(b)はΔf –zカーブである。青線は遠方から試
料表面に近接する方向への動きで、緑線は試料表面から離れる動きである。
Δfが負から正になる点で探針と試料が接触している。Δf –zカーブには2つの 接触がある。ひとつはシリセンとの接触で、次の接触はシリセンを介した
ZrB2(0001)表面との接触であると推察される。測定前、探針先端は絶縁膜で覆っ
た状態で使用した。絶縁膜で覆っているにも関わらず、探針先端と試料が接触 したときにチャージアンプ出力に変化が見られる。Δf –zカーブ取得時の探針は z 軸方向にゆっくりと動いているので減衰特性をもつチャージアンプ出力は通
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常、応答しない。しかし探針と試料が接触した点わずかに出力が負側にシフト し、Δfが2つ目の引力領域に切り替わった点でわずかに正側にシフトしている。
その後、同じように負側と正側にシフトして、総合してオフセット値に収束す るような応答を取っている。Fig. 5.10より、探針-シリセンの衝突位置から次の 衝突までの距離と、構造計算によるシリセンのSi原子からZr原子までの距離が よく一致する。したがってこれは探針とシリセン間およびシリセンとZrB2(0001) 表面間で起る微小な電荷移動相互作用を検出していることが推察される。
Figure 5.9 シリセン上での(a) チャージアンプ出力と(b) Δfの距離依 存特性.
Figure 5.10 第一原理計算によるZrB2(0001)上のシリセン[5]. Si原子
（SiA, SiB, SiC）とZr原子間の距離はzA = 0.2124 nm, zB = 0.3026 nm, zC
= 0.2727 nm.
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参考文献
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[2]T. Arai and M. Tomitori, Appl. Surf. Sci. 157 (2000) 207.
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[5] A. Fleurence, R. Friedlein, T. Ozaki, H. Kawai, Y. Wang and Y. Y-Takamura, Phys.
Rev. Lett. 108 (2012) 245501.
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