研究課題

AFM/STMによる力刺激に対する分子系の応答の解明

研究目的

 近年、原子間力顕微鏡(AFM)を用いた有機分子の研究が、目覚しく発展している。AFMは、鋭い探針を試料表面でスキャンさせ、探針にかかる微弱な力を測定することによって、表面の原子を観察する顕微鏡である。AFMは、分子内の構造や結合手を可視化することを可能にし、分子軌道を可視化する走査型トンネル顕微鏡(STM)とは、相補的な手法として、重要な位置を占めつつある。  本研究では、単分子接合の電気伝導度と結合様式との関係を明らかにすることを目的とする。AFM/STMによって、探針ー分子ーSi基板の分子接合を流れる電流と、探針にかかる相互作用力を同時に測定する。相互作用力を測定することによって、探針ー分子間の結合様式を直接知ることができる。そして、探針の状態を様々に変えることによって、探針と分子との間の結合様式が変化したときに(例えば、化学結合力⇔物理力)、電気伝導度がどのように変化するのかを詳しく調べる。

領域内での役割と必要性

 分子と電極の結合様式は、電気伝導度を支配する重要なファクターである。これまで、単分子接合は、ブレイクジャンクション法やSTMなどを用いて、調べられてきた。電気伝導度の電極間距離依存性のカーブを数多く取得して、ヒストグラムをとることによって、単分子の傾向が捉えられている。一方で、1本の電気伝導カーブに目を向けると、測定ごとに、様々な形をとることが知られている。この電流信号の‘ゆらぎ’を理解することが、当該領域の重要な目的の1つである。この‘ゆらぎ’の原因として、分子と電極との間の結合様式の違いが考えられる。本研究では、分子内の個々の原子にもアクセスできるAFMの利点を活かして、接合の位置を精密に定める。さらに、相互作用力のカーブによって、探針と分子間の距離を規定する。したがって、引力領域と斥力領域を見分けた上で、電気伝導度を評価することが可能である。次に、探針と分子が、化学結合しているのか、物理結合しているのかを、力の大きさから、直接識別することができる。さらに、同じ化学結合でも、探針の構造によって、活性度が異なるので、化学結合の強さと電気伝導度との関係も明らかにできる。このように、分子接合の結合様式を評価しながら、電気伝導度を測定することにより、‘ゆらぎ’の原因を明らかにすることができ、当該領域の推進に貢献できると考える。

研究内容

AFM 2.jpg AFM/STMによって、探針ー分子ーSi基板の分子接合を流れる電流と、探針にかかる相互作用力を同時に測定する。相互作用力を測定することによって、探針ー分子間が、化学結合力で強く結ばれているのか、または、物理力で弱くつながっているだけなのかを直接知ることができる。探針と分子との間の、この結合様式は、探針の状態によって、変えることができるので、電気伝導度が結合様式に、どのように依存するのかを詳しく調べる。

追加情報

研究課題番号:16H00959   科研費データーベースはこちら
AFM/STMによる単分子接合の電気伝導度と結合様式の関係の解明(2014-2015 研究課題番号: 26110516)

メンバー

研究代表者:杉本  宜昭(東京大学 新領域創成科学研究科 准教授)
連携研究者:塩足  亮隼(東京大学 新領域創成科学研究科 助教)

Papers List

2015

[14] Identification of Si and Ge atoms by atomic force microscopy

J. Onoda; K. Niki; Y. Sugimoto
Phys. Rev. B, 92, 155309, 2015
DOI: 10.1103/PhysRevB.92.155309

[13] Chemical structure imaging of a single molecule by atomic force microscopy at room temperature

K. Iwata; S. Yamazaki; P. Mutombo; P. Hapala; M. Ondracek; P. Jelinek; Y. Sugimoto
Nature Communications, 6, 7766, 2015/7/16
DOI: 10.1038/ncomms8766

[12] Accurate extraction of electrostatic force by a voltage–pulse force spectroscopy

E. Inami; Y. Sugimoto
Physical Review Letters, 114, 246102, 2015/6/19
DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.246102

[11] Interplay between switching driven by the tunneling current and atomic force of a bistable four-atom Si quantum dot

S. Yamazaki; K. Maeda; Y. Sugimoto; M. Abe; V. Zobac; P. Pou; L. Rodrigo; P. Mutombo; R. Perez; P. Jelinek; S. Morita
Nano Letters, 15, 4356, 2015
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00448

[10] Room-temperature-concerted switch made of a binary atom cluster

Eiichi Inami; Ikutaro Hamada; Keiichi Ueda; Masayuki Abe; Seizo Morita; Yoshiaki Sugimoto
Nature Communications, 6, 6231, , 2015/February/06
DOI: 10.1038/ncomms7231

[9] Pt atoms adsorbed on TiO2(110)(1x1) studied with noncontact atomic force microscopy and firstprinciples simulations

Delia Fernández-Torre; Ayhan Yurtsever; Jo Onoda; Masayuki Abe; Seizo Morita; Yoshiaki Sugimoto; Rubén Pérez
Phys. Rev. B, 91, 075401, , 2015/February/02
DOI: 10.1103/PhysRevB.91.075401

2014

[8] Initial and secondary oxidation products on the Si(111)-(7x7) surface identified by atomic force microscopy and first principles calculations

*Jo Onoda; Martin Ondráček; Ayhan Yurtsever; Pavel Jelínek; Yoshiaki Sugimoto
Appl. Phys. Lett., 104, 133107, , 2014/March/31
DOI: 10.1063/1.4870629

[7] Subsurface charge repulsion of adsorbed H-adatoms on TiO2(110)

Jo Onoda; *Chi Lun Pang ; *Ayhan Yurtsever; Yoshiaki Sugimoto
J. Phys. Chem. C, 118, 25, 13674 - 13679, 2014/May/12
DOI: 10.1021/jp503402w

[6] Mechanical gate control for atom-by-atom cluster assembly with scanning probe microscopy

Yoshiaki Sugimoto; Ayhan Yurtsever; Naoki Hirayama; Masayuki Abe; Seizo Morita
Nature Communications, 5, 4360, , 2014/July/11
DOI: 10.1038/ncomms5360

[5] Improved study of electric dipoles on the Si(100)-2x1 surface by non-contact scanning nonlinear dielectric microscopy

Masataka Suzuki; Kohei Yamasue; Masayuki Abe; Yoshiaki Sugimoto; Yasuo Cho
Appl. Phys. Lett., 105, 101603, , 2014/September/8
DOI: 10.1063/1.4895031

[4] (2nx1) Reconstructions of TiO2(011) Revealed by Noncontact Atomic Force Microscopy and Scanning Tunneling Microscopy

*Chi Lun Pang; *Ayhan Yurtsever; Jo Onoda; Yoshiaki Sugimoto; Geoff Thornton
J. Phys. Chem. C, 118, 40, 23168 - 23174, 2014/September/08
DOI: 10.1021/jp507422s

[3] Atomic-dipole-moment induced local surface potential on Si(111)-(7x7) surface studied by non-contact scanning nonlinear dielectric microscopy

Kohei Yamasue; Masayuki Abe; Yoshiaki Sugimoto; Yasuo Cho
Appl. Phys. Lett., 105, 121601, , 2014/September/22
DOI: 10.1063/1.4896323

[2] Direct observation and mechanism for enhanced field emission sites in platinum ion implanted/post-annealed ultrananocrystalline diamond films

Kalpataru Panda; Kamatchi J. Sankaran; Eiichi Inami; Yoshiaki Sugimoto; Nyan Hwa Tai; I-Nan Lin
Appl. Phys. Lett., 105, 163109, , 2014/October/20
DOI: 10.1063/1.4898571

[1] Identifying the absolute orientation of a low-symmetry surface in real space

Stefan Kuhn; Markus Kittelmann; Yoshiaki Sugimoto; Masayuki Abe; Angelika Kühnle; Philipp Rahe
Phys. Rev. B, 90, 195405, , 2014/November/5
DOI: 10.1103/PhysRevB.90.195405