mile米乐官方网站 成功可视化金刚石表面上的单个原子

东京大学前沿科学研究生院杉本义明教授领导的研究小组与东京大学固体物理研究所尾崎泰志助理教授领导的研究小组以及米乐m6官方网站（AIST）先进电力电子研究中心高级研究员小仓正彦领导的研究小组合作，开发出了一种在原子水平观察金刚石表面的技术。

金刚石作为终极半导体以及功率器件和量子器件的材料而备受关注。在器件制造过程中，采用微细加工技术制造的器件越小，原子级缺陷对器件性能的影响就越不容忽视。为了提高器件性能，有必要在原子尺度上表征金刚石表面。

该研究小组是世界上第一个使用原子力显微镜成功可视化金刚石表面上的单个碳原子的研究小组。该方法为金刚石的原子尺度分析打开了大门，有望在未来为阐明金刚石薄膜的生长机制和提高金刚石器件的性能做出巨大贡献。

钻石是一个高级职业移动性（注1）·由于具有高热导率、高介电击穿电场等优异的特性，因此是有望成为最终半导体的材料。金刚石薄膜的表面存在气孔等。点缺陷（注2）和易位(注3)等被认为存在，这些是降低设备性能的因素。为了提高设备性能，有必要在原子尺度上可视化金刚石表面并了解其微观结构。到目前为止，尽管有几种显微技术可以进行原子尺度的结构分析，但金刚石表面上单个碳原子的可视化尚未实现。尤其是自古以来扫描隧道显微镜进行观察（注4），但尚未达到原子级分辨率。其原因包括金刚石的低电导率和其表面碳原子的密度。

该研究小组在超高真空环境中运作原子力显微镜（原子力显微镜，注5），我们成功地可视化了金刚石表面上的单个碳原子。

归 AIST 所有等离子体 CVD开发的高品质金刚石薄膜生长技术（注 6）通过优化薄膜生长条件能够创建原子级平坦的表面。在这项研究中，我们将使用这项技术来制造钻石。(001)侧(注7)被用作样品。在这个表面上，碳原子成对排列（图1（a））。成对碳原子之间的距离仅为 139 Å（埃，1 Å = 十亿分之一米），因此很难可视化单个碳原子。这次，我们使用有源硅探针进行 AFM 观察。当探针靠近表面几埃的距离时，可以观察到单个碳原子，如图 1(b) 所示。这种基于 AFM 的技术使得分析金刚石表面上的点缺陷成为可能。

固体物理研究所的 OpenMX 阐明了金刚石表面上单个碳原子可视化的机制第一性原理计算（注8）已执行。如图 2 所示，我们发现成对的碳原子有空间与尖端形成键。当他们将硅探针模型靠近金刚石表面模型时，他们再现了实验中检测到的碳原子的强信号。

既然我们已经证明可以在原子尺度上分析金刚石表面，我们可以为提高未来金刚石设备的性能做出贡献。例如，通过分析在各种条件下生产的金刚石薄膜并检查其平坦度和缺陷分布，可以阐明生产在原子水平上平坦且清洁的金刚石薄膜的条件。此外，利用本课题组开发的单原子元素识别方法*，还可以分析金刚石表面的掺杂剂和杂质原子的分布。预计这将使评估量子器件并利用缺陷探索新功能成为可能。

*新闻稿“原子尺度的终极化学分析 - 成功识别出附着在样品采集探针尖端的单个原子的元素”(2020/3/13)
https://wwwku-tokyoacjp/information/category/press/8097html

（注1）移动性

代表电子在固体中移动的难易程度。更高的移动性有利于更快的设备。[返回来源]

(注2)点缺陷

晶体中的原子呈周期性排列，但存在破坏周期性的缺陷，例如原子缺失或被不同类型的元素取代。这种原子级缺陷称为点缺陷。[返回来源]

（注3）错位

晶体中的线性缺陷。与点缺陷一起，这是器件性能恶化的原因。[返回来源]

(注4)扫描隧道显微镜

一种显微镜，通过将锋利的针（探针）靠近待观察物体（样品）并测量探针和样品表面之间流动的电流来观察样品的表面。只能观察导电样品。[返回来源]

(注5)原子力显微镜(AFM)

一种显微镜，通过将锋利的针（探针）靠近待观察物体（样品）并测量探针尖端的原子与样品表面上的原子之间作用的力来观察样品的表面。无论样品的电导率如何，都可以使用它。通过检测探针所附的板簧的偏转，可以测量探针尖端的原子与样品表面的原子之间的微小力和键能。[返回来源]

（注 6）等离子体 CVD

等离子体化学气相沉积（CVD）是一种利用微波等将原料气体转变为等离子体并激活化学反应来形成高质量薄膜的方法。[返回来源]

（注7）（001）侧

晶体的表面用指数（米勒指数）表示，该指数表示晶格中的晶体方向或晶面。金刚石（001）面是最简单的表面，常用于器件中。[返回来源]

(注8)第一性原理计算

从量子力学的基本方程出发，通过数值计算来计算材料的稳定结构和物理性质的方法。基于密度泛函理论的方法主要用于计算材料表面等大规模系统。超级计算机用于计算数百个原子的系统。[返回来源]