桑原研究室（原子制御プロセス領域）

教授 桑原　裕司 准教授 齋藤　彰 助教 赤井　恵

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「原子・分子の世界を見る、操る」

先端の科学技術を用いることで、10億分の1メートル（１ナノメートル）の世界で原子・分子を実際に見て、触ったり、動かしたりすることが可能になりました。原子・分子を組み立てることによって、自然界には存在しないような人工の極微細ナノスケール構造物を作成することが可能なのです。またそのような小さな世界ではこれまで知られていないような、さまざまな特殊な物理現象、電子状態や電子輸送特性、量子効果が期待できます。
我々の研究室では原子・分子が持つ微小な物理・化学量を精緻に計測する為の新たな装置開発を行っています。またこれらの知識を元に新たな概念に基づいた新規なデバイス開発を行っており、原子・分子を使った究極の「ものづくり」を目指しています。このようなナノ新材料を人工的に創成することは、これからの高度情報社会に向けての大切なイノベーションフロンティアであると考えています。

フォトンSTMグループ

トンネル電流誘起発光分析は、走査トンネル顕微鏡におけるトンネル電流によって誘起された原子・分子レベルのナノスケール領域から 放出される発光を分析するためのナノ光物性評価手法です。この分析手法によって、通常の光学測定では観測不可能なナノスケール領域からの発光現象を捉えることが可能となります。我々の研究室では、カーボンナノチューブなど、将来の光学デバイスへの応用が期待される ナノスケール構造体の発光特性解析や、有機薄膜からの発光を捉えることによって有機薄膜デバイスの動作において重要となる界面の電荷注入現象の解析などを行っています。

放射光STMグループ

数十億電子ボルトに加速された電子や陽電子が加速度運動をする際に発生する、広い範囲の波長を持った高強度で方向の揃った光、 すなわちシンクロトロン放射光を探索の手先として、物質・材料の原子レベルでの物性・機能評価を行っています。実験は大型放射光施設SPring-8を利用します。 高輝度放射光とナノスケール微細構造との相互作用を、実空間でかつ原子スケールで観察できるシステムを開発しました。 Si(111)7×7表面上に作製したGeナノアイランドの元素識別に成功しており、現在様々な観察表面に対する測定、評価を行っています。

独立駆動2探針STMグループ

独立に駆動する二つのSTM探針を用いた局所領域での電気伝導測定装置を独自に開発し、ナノスケール極微細構造の機能探索を目指しています。 特に大気圧常温下での電気伝導特性評価に焦点を置き、現在までにポリジアセチレン分子薄膜で、一次元電気伝導においてこれまでにない高い導電率を計測し、 また二次元の均質な導電性薄膜における局所電気伝導の可視化など、従来の測定では不可能であったナノ～数マイクロメートル領域での導電性測定に成功しています。

有機・分子デバイスグループ

絶縁基板上に100ナノメートル程度の間隔で微細な電極を配したナノギャップ電極というものを用いて導電性有機分子の電気計測や、それを応用した新しい概念を持つ分子デバイスの開発を目標に研究を行っています。我々は半導体微細加工技術を利用して絶縁基板表面に金属を埋め込み、表面に分子オーダーで段差の無いナノギャップフラット電極を作製しており、分子本来の構造を保持したまま自己組織化などのボトムアッププロセスを有効に利用して 電極間に分子を配置することができるといった特色を持っています。この電極の上に様々な有機薄膜、単結晶を配置してこれまでには実現できなかったような短いチャネルのナノサイズ分子デバイスを開発しています。

CAICISSグループ

CAICISS（同軸型直衝突イオン散乱分光法）グループでは、強誘電体表面の原子スケール平坦化、およびその構造解析を研究テーマとしています （特にメモリやSAW素子基板、光学素子等に広く用いられるLiNbO3、LiTaO3）。我々は簡便な手法でこれらの超平坦化に成功しました（図）。 さらに、この表面に低エネルギーイオンビームを入射し、散乱粒子強度の角度依存性（入射角および方位角）を測定することで、原子層レベルで表面近傍の構造がわかります（CAICISS）。 これらの情報は、基板表面における電極の成長制御や、メモリ高密度化などに役立ちます。

構造色グループ

物質の微細構造と光との相互作用により、色素なしで生じる色は「構造色」と呼ばれ、色素にない独特な色合いを持ちます。 中でも南米に産する「生きた宝石」モルフォ蝶の翅（左図）は構造色の代表例で、最近ではCMにも登場しています。 しかしその美しい色には、干渉色でありながら虹色でなく「広角に青く見える」ミステリーがあり、 古くから多くの研究者の興味を掻き立ててきました。その鍵は「表面」の「ナノ構造」にあります。 私たちはこの謎のメカニズムを解析することで、モルフォ蝶独特の色彩を工学的に再現し、 視覚に訴える各種産業に応用することを目的としています。