ダイヤモンド表面を原子レベルで可視化 デバイス性能向上に貢献：原子間力顕微鏡を用いて観察

東京大学は、産業技術総合研究所（産総研）と共同で、ダイヤモンド表面を原子レベルで可視化する技術を開発した。ダイヤモンド薄膜が成長する機構の解明や、ダイヤモンドデバイスの性能向上に貢献できるとみている。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

ダイヤモンド薄膜の成長機構解明やダイヤモンドデバイスの性能向上に貢献

　東京大学は2025年1月8日、産業技術総合研究所（産総研）と共同で、ダイヤモンド表面を原子レベルで可視化する技術を開発したと発表した。ダイヤモンド薄膜が成長する機構の解明や、ダイヤモンドデバイスの性能向上に貢献できるとみている。

　究極の半導体といわれるダイヤモンドは「キャリア移動度」や「熱伝導率」「絶縁破壊電界」といった特性に優れており、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る。ただ、ダイヤモンド薄膜の表面にある点欠陥などが原因で、デバイスの性能が低下するなどの課題もあった。

　ダイヤモンド表面の炭素原子を可視化するため、これまでは走査トンネル顕微鏡などを用いて観察していた。しかし、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もあり、個々の炭素原子までは可視化できなかったという。

　研究グループは今回、超高真空環境で動作する原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、ダイヤモンド表面にある個々の炭素原子を可視化することに成功した。実験では、産総研が有する高品質ダイヤモンド薄膜成長技術を活用し、試料となるダイヤモンド（001）面を作製した。表面には1.39Åの間隔でペアを組んだ炭素原子が並んでいる。

　この試料に対し、活性なシリコンの探針を用いてAFM観察を行った。表面からわずか数Åの距離まで探針を近づけたところ、個々の炭素原子を観測できたという。

ダイヤモンドの構造モデルとAFM画像［クリックで拡大］ 出所：産総研

　研究グループは「OpenMX」による第一原理計算を行い、ダイヤモンド表面にある個々の炭素原子が可視化される機構についても調べた。この結果、ペアを組んだ炭素原子は、近づけた探針先端のシリコン原子と化学結合することが分かった。そして、実験で検出された炭素原子からの強い信号を再現することができた。

第一原理計算に用いたダイヤモンドの（001）面とAFMの探針モデル［クリックで拡大］ 出所：産総研

　今回の研究成果は、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による研究グループと、東京大学物性研究所の尾崎泰助教授らによる研究グループおよび、産総研 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によるものである。