マルチチップ走査トンネル顕微鏡

マルチチップ走査トンネル顕微鏡(マルチチップ STM )は、走査トンネル顕微鏡(STM) をイメージングから「ナノスケールのマルチメーター」のようなナノスケールでの専用の電気測定に拡張します。材料科学、ナノサイエンス、ナノテクノロジーでは、サンプルの特定の位置で電気特性を測定することが望ましいです。この目的のために、複数のチップが独立して動作するマルチチップ STM が開発されました。サンプルのイメージングとは別に、マルチチップ STM のチップは、サンプルの目的の位置への接触を形成し、局所的な電気測定を実行するために使用されます。

マイクロエレクトロニクスがナノエレクトロニクスへと進化するにつれ、ナノスケールで電子輸送測定を行うことが不可欠になっています。標準的なアプローチは、最終的なナノ電子デバイスでも使用されるリソグラフィー法を使用してナノ構造に接触することです。ただし、研究開発段階では、ナノ電子デバイスまたは一般にナノ構造に接触する他の方法の方が適している場合があります。ナノ構造に接触する別のアプローチでは、マクロスケールで使用されるマルチメーターのテストリードに類似した、マルチチップ走査トンネル顕微鏡のチップを使用します。このアプローチの利点は次のとおりです。(a)真空下にある「成長したままの」ナノ構造をその場で接触させることで、接触のために実行されるリソグラフィー手順によって引き起こされる汚染から繊細なナノ構造を保護することができます。(b) リソグラフィー接触は固定されているため、接触チップの柔軟な配置とさまざまな接触構成を簡単に実現できます。(c) 鋭いチップによるプローブは非侵襲的 (高抵抗) ですが、リソグラフィー接触は通常侵襲的 (低抵抗) です。^[1]走査型トンネル顕微鏡（STM）をナノ構造または表面での電気輸送測定に使用するには、複数の探針が必要です。このため、ナノプロービングで上記の利点を活用できるマルチ探針走査型トンネル顕微鏡が使用されています。マルチ探針STMに関するレビュー記事が、以下の参考文献セクションに掲載されています。

マルチチップ走査トンネル顕微鏡は、通常、各チップをサンプル上の目的の位置に個別に配置するための 4 つの STM ユニットで構成されています。チップの熱ドリフトを減らすために、4 つの STM ユニットはできるだけ小さくコンパクトにする必要があります。光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡(SEM) のいずれかでチップの動きを観察できることが重要です。これにより、チップを互いに近づけ、目的の測定位置に配置できます。マルチチップ STM のチップは通常、垂直方向に対して 45° 以下に取り付けられ、すべてのチップをサンプル上の 1 つの領域に配置しやすくします。

最初のマルチチップSTMが導入された後、^[2]いくつかの自家製機器が設計され、今日ではいくつかの市販の機器も利用可能になっています。

マルチチップSTM技術の拡張は、原子間力顕微鏡（AFM）操作へのアップグレードです。ナノエレクトロニクスのアプリケーションでは、サンプルのほとんどは、表面の導電性「ターゲット」領域と、非導電性領域で構成されています。チップを導電性領域に誘導するには、光学顕微鏡またはSEMによるチップの位置決めの代わりに、またはそれに加えて、AFMイメージングが非常に役立ちます。^[3]

ナノスケールで電気測定を行う場合、STM チップがサンプルに接触する際の接触面積が非常に小さいため接触抵抗が非常に大きくなることが多いため、マルチチップ STM による抵抗測定では4 点測定が不可欠であることに留意する必要があります。これは、ナノスケールの物体を測定する場合にはさらに重要です。なぜなら、これらの物体への接触は必然的にナノスケールになるからです。2 点抵抗測定では、2 つの電流注入チップが電圧プローブとしても使用されます。したがって、測定された抵抗 R = V/I には、2 つの接触抵抗 R _Cの寄与も含まれます。4 点測定では、電流注入回路は電圧検出回路から分離されています。電圧測定を大きな内部抵抗 R _Vで実行すれば、接触抵抗の影響は無視できます。これが 4 点測定の主な利点です。

マルチチップSTMで電気測定を行うには、4つ以上のチップと、必要に応じて配置する機能が必要です。4つのチップすべてを使用して、電流と電圧の協調測定を実行する必要があります。電子機器により、各チップを（バイアスされた）電流プローブまたは電圧プローブとして操作できます。異なるチップ（および/またはサンプル）間に異なるIVランプが適用されます。最も単純なケースでは、2つの外側のチップ間に電流を注入し、内側のチップ間の電位差を測定します（古典的な4点測定）。これは温度の関数としても測定されます。 ^[4] ただし、チップまたはサンプルをゲート電極として使用するなど、さまざまな種類の他の測定も実行できます。

シリコンカーバイド（SiC）基板上に成長した幅40nmのグラフェンナノリボンの局所輸送特性を、マルチチップSTMを用いて研究した。グラフェンナノリボンは、平均自由行程が最大数μmで室温でも弾道伝導などの優れた輸送特性を示す。 ^[5]このようなエピタキシャルグラフェンナノリボンは、基礎科学において重要であるだけでなく、室温での弾道輸送特性を利用できる高度なナノエレクトロニクスにおいて数千個も容易に製造できるため重要である。

マルチチップSTMは、直径約100nmの自立型GaAsナノワイヤの抵抗マッピングに使用できます。ナノワイヤは「成長したまま」直立しており、基板に付着しているため、リソグラフィ技術でナノワイヤに接触することはできません。図に示す測定構成では、ナノワイヤの最適なSEM画像化を容易にするために、サンプルを45°傾けています。ナノワイヤに接触した3つのチップは、4点抵抗測定を実現します（サンプルは4番目の接点です）。チップ1はナノワイヤに電流を注入し、サンプルは電流ドレインとして機能します。チップ2とチップ3は電圧プローブとして機能します。これらのナノワイヤの構造を調べるのは、たとえば高解像度電子顕微鏡を使用すると比較的簡単ですが、ナノワイヤに沿ったドーピングプロファイルによって決定される電気的特性にアクセスするのは困難です。ナノワイヤに沿って測定された4点抵抗から、ナノワイヤに沿ったドーピングプロファイルを取得できます。^{[6] [7] [8]}

ナノ構造の電荷輸送特性に関する貴重な洞察を与える方法は、走査トンネル電位測定法（STP）です。^[9] STP はマルチチップ STM で実行でき、調査対象のフィルム、ナノ構造、または表面を電流が流れる間に電位ランドスケープをマッピングできます。電位測定マップは、欠陥が局所的な電気輸送に与える影響など、基本的な輸送特性に関する洞察を与えます。実装は図に示されており、外側のチップが調査対象のナノ構造または表面に電流を注入し、中央のチップが同時に地形を測定し、流れる電流によって誘導される各画像ポイントの電位も記録します。このようにして、たとえばシリコン表面で測定された電位マップを、数 μV の電位分解能で取得できます。図の電位マップは、最大の電位降下が原子ステップの端で発生することを示しています。これらのデータから、単一の原子ステップまたはドメイン境界の抵抗を取得できます。さらに、電流がボイドなどのナノスケールの欠陥の周囲を流れる場合は、流れる電流によって発生する電位マップを測定できます。^[10]

ナノデバイスがどんどん小さくなるにつれて、表面積と体積の比（つまり、表面にある原子の割合）は絶えず増加しています。現代のナノ電子デバイスでは、バルクを介した伝導性と比較して表面伝導性の重要性が高まっているため、望ましくないリーク電流がデバイスのパフォーマンスに与える影響を最小限に抑えるため、または表面を機能ユニットとして使用するために、表面伝導性を確実に測定する必要があります。対応する調査のモデルシステムは、Si（111）-7×7表面です。課題は、表面伝導性による寄与をバルク伝導性から切り離すことです。研究者は、マルチチップSTMを使用して、線形構成で距離に依存する4プローブ測定を使用して表面伝導性を測定する方法を開発しました。^{[4] [11] [12]}

マルチチップSTMは、 Bi ₂ Te ₂ Se表面のスピン偏極4プローブ走査トンネル顕微鏡を使用して、トポロジカル絶縁体のスピン電圧を検出する方法として使用されています。スピン依存電気化学ポテンシャルは、抵抗寄与から分離されています。この成分は、スピン運動量ロックされたトポロジカル表面状態（TSS）を通る2D電荷電流から生じるスピン化学ポテンシャルとして識別されます。この新しい方法では、磁気チップを使用して、材料の表面上の電子のスピン挙動を観察します。^[13]

• 走査トンネル顕微鏡
• 原子間力顕微鏡
• 4端子センシング
• ナノプロービング
• 走査型電子顕微鏡

• Hofmann, P & Wells, JW (2009). 「表面高感度コンダクタンス測定」J. Phys. Condens. Matter . 21 (1): 013003. doi :10.1088/0953-8984/21/1/013003. PMID  21817212.
• 中山哲也久保 雄;新谷、Y;樋口Ｓ；長谷川 哲;ジャン、C;奥田 哲;桑原 裕子高見 K ＆ 青野 M (2012) 「多探針走査型プローブ顕微鏡の開発と応用」上級メーター。24 (13): 1675 ～ 1692 年。土井：10.1002/adma.201200257。PMID  22378596。
• Li, AP; Clark, KW; Zhang, X & Baddorf, AP (2013). 「4プローブ走査トンネル顕微鏡によるナノメートルスケールの電子輸送の空間的解明」Adv. Funct. Mater . 23 (20): 2509–2524. doi :10.1002/adfm.201203423.
• Xu, T & Grandidier, B. (2015).走査プローブ顕微鏡による半導体ナノワイヤの電気的特性評価、半導体ナノワイヤ - 材料、合成、特性評価およびアプリケーション、Ed.: J. Arbiol および Q. Xiong、Elsevier。p . 277。ISBN 978-1-78242-253-2。
• Nakayama, T; Shingaya, Y & Aono, M (2016). 「ナノアーキテクトニック材料科学のためのマルチプローブ走査プローブ顕微鏡」Jpn. J. Appl. Phys . 55 (11): 1102A7. doi : 10.7567/JJAP.55.1102A7 .