IBM研究者ら、AFMで絶縁層上の単一分子エネルギー準位を初測定

本日『Nature Nanotechnology』誌に発表されたブレークスルーにおいて、IBMの科学者たちは、絶縁表面上に配置された単一分子のエネルギー準位を初めて定量化しました。このマイルストーンは、実用的な単一分子電子デバイスの実現に一歩近づけます。

背景

1980年代以来、原子間力顕微鏡（AFM）は、鋭いチップと試料間のピコニュートン級の力を検出することを可能にしてきました。2009年、IBMと共同研究者たちは非接触AFMが表面上の個々の原子の電荷状態を決定できることを実証しました。この成果を基に、現在の研究は絶縁層上の単一分子へと技術を拡張し、この分野の長年の課題を克服しました。

手法

チームは、金属基板上に塩化ナトリウム（NaCl）—常食塩—の超薄膜多層を成長させました。この構造により、分子が導電性金属から隔離され、その電荷状態が安定して維持されます。AFMチップを用いて、研究者たちは微調整された電圧を印加しながら、チップと分子の間で単一電子がトンネリングする際に生じる微小な力を記録しました。

電子が分子へ跳び乗る、および分子から跳び去る両方向で要する時間を測定することで、科学者たちは各電荷状態遷移に必要なエネルギーを抽出しました。その結果、再構成エネルギー—電荷変化に対応するために系が消費しなければならないエネルギー量—が、この構成で単一分子上で初めて測定されました。

主な発見

研究は単一ナフタロシアニン（NPc）分子に焦点を当てました。AFMの力感度はゼプトアンペア（10^–21 A）レベルに達し、数秒ごとに単一電子を検出可能にしました。この前例のない感度により、電子付加と除去の両プロセスのエネルギー準位を決定できました。これは単一分子研究で以前は欠けていた能力です。

「両方向のエネルギー準位測定能力がこれまで欠けていました」とIBM物理学者レオ・グロスは述べます。「我々のAFM法により、絶縁体上の分子の全電荷状態景観をマッピングできるようになりました。」

「帯電による原子位置の変化がエネルギー準位を大きく変化させ、電子移動速度を数桁チューニングする可能性があります」と、論文の第一著者シャディ・ファタヤーは付け加えます。

意義

これらの知見は、半導体チップの欠陥評価、光起電力デバイス、有機半導体など、ナノスケール電子部品の設計に広範な影響を与えます。個々の分子が絶縁環境とどう相互作用するかを理解することで、エンジニアはデバイス製造の究極のスケールでの電荷輸送をより良く予測・制御できます。

Reorganization energy upon charging a single molecule on an insulator measured by atomic force microscopy, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson, and Gerhard Meyer, DOI: 10.1038/s41565-018-0087-1

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