東京大学大学院新領域創成科学研究科の杉本宜昭教授らの研究グループは、同大学物性研究所の尾崎泰助教授、福田将大助教らの研究グループと産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センターの小倉政彦主任研究員らの研究グループと共同で、ダイヤモンド表面を原子レベルで観察する技術を開発しました。

原子間力顕微鏡によってダイヤモンド表面を観察する模式図

ダイヤモンドは究極の半導体として、パワーデバイスや量子デバイスの材料として注目されています。微細加工技術で作製される微小なデバイスであるほど、原子レベルの欠陥がデバイス性能へ及ぼす影響が無視できなくなります。したがって、デバイスの性能を向上させるためには、ダイヤモンド表面を原子スケールで評価することが必要です。しかし、ダイヤモンド表面を個々の炭素原子まで識別するレベルまでの可視化は達成されていませんでした。その理由として、ダイヤモンドの導電性が低いことや表面の炭素原子が密集していることなどが挙げられています。

本研究グループは、原子間力顕微鏡（AFM）に活性なシリコンの探針を用いることで、ダイヤモンド表面を構成する個々の炭素原子の可視化に初めて成功（図１）、その機構をOpenMXによる第一原理計算によって明らかにしました（図２）。本手法によって原子スケールのダイヤモンドの分析への道が開けたため、今後ダイヤモンド薄膜の成長機構の解明や、ダイヤモンドデバイスの性能向上に大きく貢献することが期待できます。

本成果は、米国化学会が発行するNano Lettersに1月8日版にオンライン掲載されました。

図1: ダイヤモンドの構造モデルとAFM画像
（a）ダイヤモンドの（001）面の構造モデル。上図が表面を上から見た構造で、下図が横から見た構造。黒い丸が最表面の炭素原子で、ペアを作って安定化している。
（b）ダイヤモンドの（001）面のAFM像。個々の炭素原子が可視化されている。右上には炭素原子のペアが欠損している空孔が観察できる（白楕円）。
（原論文の図を改変したものを使用しています。）

図2: 第一原理計算に用いたダイヤモンドの(001)面とAFMの探針のモデル
探針先端のシリコン原子（青）とダイヤモンド表面の炭素原子（黒）が化学結合している様子を示している。最表面の炭素原子が真空側から近づいた原子と相互作用できる領域を青く示している（矢印）。斜めに結合を作ることがわかる。

東京大学大学院新領域創成科学研究科発表のプレスリリース

論文情報

• 雑誌名：Nano Letters
• 題　名：Atomic observation on diamond (001) surfaces with near-contact atomic force microscopy
• 著者名：Runnan Zhang, Yuuki Yasui, Masahiro Fukuda, Taisuke Ozaki, Masahiko Ogura, Toshiharu Makino, Daisuke Takeuchi, Yoshiaki Sugimoto*
• DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05395

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