走査型プローブ顕微鏡は、 図1 のように、鋭い針（探針）を物質表面に近づけ、表面に沿うように走査することにより、表面の個々の原子を観察する顕微鏡です。この顕微鏡を使うと、表面の1つ1つの原子を自由に動かすことができます。全ての物質は原子から構成されているので、この原子操作技術によって、様々なナノ材料・ナノデバイスを創製できると期待されています。

これまで、探針に依存して、原子を効率的に動かせる場合と動かせない場合とがあることが知られており、原子操作を用いたナノデバイスの作製の効率化が阻まれていました。

そこで、研究グループは、原子操作の効率が探針にどのように依存するのかを系統的に調べました。 図2 では、シリコン表面での原子操作の例を示しています。まず、様々な探針を用いて原子操作の実験を行い、原子移動の確率を計算しました。1000回以上もの原子移動を含むデータを取得し、原子移動の確率を導出するのは世界で初めてです。次に、それぞれの探針と表面の原子との間に働く相互作用力を精密に測定しました。その結果、探針を同じだけ対象の原子に近づけても、その原子を動かせる探針と動かせない探針があることが判明しました。さらに、 図3 に示すように、原子操作が行えるか否かと、相互作用力の大きさとの間に相関があることを発見しました。具体的には、探針とシリコン原子との間の相互作用力の大きさが1.5 nN（1ナノニュートンは1ニュートンの10億分の1の大きさの力）よりも大きいときは、その原子を動かすことができるのに対し、1.5 nNよりも小さいときは、原子を動かせませんでした。これらの結果と理論計算により、表面の原子を動かすためには、探針先端がより化学的に活性である必要があることがわかりました。探針先端の修飾も含めた制御が効率的な原子操作に有効であることを示唆しています。

原子操作の研究は、ほとんど極低温で行われてきたのに対して、本研究では室温環境で行っているのが、意義深い点です。探針先端の活性度を制御して、効率的な原子操作が可能になれば、理論計算に基づいたナノ構造の設計を行い、試作と評価によって、機能を持つナノ材料、ナノデバイスの開発等、実用に向けた研究につながっていくと期待できます。

本研究成果はAmerican Chemical Societyの『ACS Nano』のオンライン版に掲載されました。
Role of Tip Chemical Reactivity on Atom Manipulation Process in Dynamic Force Microscopy
Yoshiaki Sugimoto, Ayhan Yurtsever, Masayuki Abe, Seizo Morita, Martin Ondracek, Pablo Pou, Ruben Perez, and Pavel Jelinek

図1　走査型プローブ顕微鏡

図2　矢印で示した1個のシリコン原子を移動させている。

図3　原子移動の確率と相互作用力のカーブ
上：原子が動かせる探針の結果。探針を近づけると原子移動の確率を100%まで上げることができる。この探針は、相互作用力が大きく、活性である。
下：原子が動かせない探針の結果。探針を近づけても、原子移動の確率は0%のままである。この探針は、相互作用力が小さく、不活性である。