走査型トンネル顕微鏡（STM）とは：原理・歴史・応用の解説
走査型トンネル顕微鏡（STM）の原理・歴史・応用を分かりやすく解説。原子観察や量子トンネルの仕組み、実験技術と最新応用まで網羅。
走査型トンネル顕微鏡（STM）は、原子スケールで固体表面を観察・操作するための重要な走査型プローブ顕微鏡の一種です。1981年に開発され、IBMチューリッヒのGerd BinnigとHeinrich Rohrerによって発明されました。彼らは1986年にその発明によりノーベル物理学賞を受賞しています。STMは卓越した空間分解能を持ち、横方向で約0.1nmの解像度、深さ方向（垂直方向）で約0.01nmの分解能を達成できます。利用環境は真空だけでなく、空気中や各種液体・気体中、さらには低温から高温まで幅広く応用可能です（ただし測定条件によって装置や手法は異なります）。
原理（トンネル効果）
STMは、金属製（一般にタングステンや白金-iridiumなど）の鋭い探針を測定対象の金属や半導体表面に非常に近づけ、探針と試料間に
かかるときに生じる量子トンネル現象を利用しています。真空や絶縁層があっても、電子（電子）はその障壁を量子的にトンネルして流れることができ、その流れる電流（トンネル電流）を検出します。トンネル電流は探針—試料間距離dに対して非常に感度が高く、概ね指数関数的に減衰します（距離が1 Å増えると電流が約1桁減る、という経験則があります）。この強い距離依存性により、原子スケールの高い垂直分解能が得られます。動作モード
- 定電流モード（constant current）：探針と表面間のトンネル電流を一定に保つように探針の高さをフィードバック制御し、そのときの探針高さを走査して表面位相図（トポグラフィ）を得る。最も一般的なモードで、表面の形状を反映しつつ電子状態の影響も受ける。
- 定高さモード（constant height）：探針の高さを固定して表面上を高速に走査し、電流の変化を直接記録する。スピードが速く微細構造の検出感度が高いが、突起により探針が衝突するリスクがある。
- 分光（STS：走査トンネル分光法）：特定の位置でバイアス電圧を掃引してトンネル電流–電圧（I–V）特性を測定し、局所的な電子状態（局所電荷密度＝LDOS）を調べる。
主要構成要素と実験条件
- 探針（チップ）：先端半径が小さいほど高解像。一般的にタングステンやPtIr線を電気化学エッチングで鋭く形成する。
- ピエゾ走査機構：ナノ～ピコメートル精度で探針を三次元に動かす。温度変化やキャリブレーション誤差に注意が必要。
- 振動・電気雑音の低減：外来振動や電気ノイズが像をぼかすため、減振台、電磁シールド、低雑音電源などが必須。
- 測定環境：超高真空（UHV）での清浄表面測定が一般的だが、液中STMや空気中STMも発展している。
- 電気パラメータ：典型的なトンネル電流はpA〜nA、バイアスはmV〜数V程度。
歴史的意義と発展
1981年の発明以来、STMは表面科学の基礎ツールとなり、原子イメージングや単一原子・分子の操作を可能にしました。有名な応用例として、原子単位での物質移動による文字や図形の描画（IBMによる"IBM"ロゴなど）や、単一原子を操作して作る量子構造などがあります。さらに、走査トンネル分光法によって高温超伝導体や表面状態の局所電子特性が詳しく調べられるようになりました。
主な応用分野
- 表面原子・原子配列の直接観察（結晶表面、吸着分子など）
- 走査トンネル分光（STS）による局所電子状態解析
- 単一原子・分子の移動・配置（ナノ構造作製、原子スケールの「ライティング」）
- スピン偏極STM（SP-STM）：磁性原子・ナノ構造のスピン構造観察
- 電気化学反応や生体分子の液中観察（液中STM）
- 不均一表面での触媒研究、半導体デバイス界面解析
制約と課題
- 導電性のある試料が基本：絶縁体表面はそのままでは観察できない（絶縁体の表面を観察するには導電性薄膜を敷くか、非接触AFMなど別手法を用いる）。
- 表面清浄性と探針の品質が結果に大きく影響するため、前処理（クリーニング、UHV処理、探針整形など）が重要。
- 走査速度と像の品質のトレードオフ、また熱ドリフトやピエゾの非線形性による補正が必要。
現代の発展
近年はSTMと他手法の組合せ（例えば低温STM、光励起STM、時間分解STM、SP-STM）や、量子スケールの電子デバイス設計への応用が進んでいます。また、機械学習を用いた像解析や自動化による高スループット測定も注目されています。
まとめると、STMはトンネル現象を利用して極めて高い空間分解能で表面の原子構造と局所電子状態を調べられる強力なツールであり、基礎物理・表面化学・ナノテクノロジー分野で幅広く用いられています。適切な試料準備、探針の調整、振動・ノイズ対策が高品質な観察の鍵です。
金の表面に再構築したイメージ。
手順
まず、先端を4～7オングストローム程度、検査対象物に非常に近づけます。次に、先端を検査対象物の上で非常に注意深く動かします。この動かしたときの電流の変化を測定することができます（コンスタント・ハイト・モード）。また、常に同じ電流が流れるような先端の高さも測定できる（定電流モード）。高さ一定モードの方が速い。
インストゥルメンテーション
STMの部品は、走査チップ、チップを動かすもの、チップの振動を止めるもの、そしてコンピュータです。
STMのパーツ
プラチナ・イリジウム製のスタイラスを用いてMoS2を走査するセントアンドリュース大学のシンプルな走査型トンネル顕微鏡ヘッドのクローズアップ写真。
関連ページ
文学
- Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
- Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961, p.57-59.
- Chen, C. J.:走査型トンネル顕微鏡における金属表面の原子分解能の起源, Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Phys. Rev. Lett.50, 120 - 123 (1983)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Phys. Rev. Lett.49, 57 - 61 (1982)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp.178-180 (1982)
- R.V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, volume 15, issue 9, pages 1135-1151, 2004
質問と回答
Q:走査型トンネル顕微鏡とは何ですか?
A:走査型トンネル顕微鏡（STM）とは、微小な物体の形状を観察する方法です。表面上の原子の写真を作ったり、原子を別の場所に移動させたりすることができます。
Q:STMは誰が発明したのですか?
A: STMは1981年にチューリッヒにあるIBMでゲルト・ビニッヒとハインリッヒ・ローラーによって発明されました。
Q: いつ発明されたのですか?
A:1981年にチューリッヒにあるIBMで発明されました。
Q:STMで何ができるのですか?
A: STMは、表面上の原子の写真を作成し、原子を別の場所に移動させることができます。
Q:彼らはSTMの発明で賞を取ったのですか?
A:はい、1986年にノーベル物理学賞を受賞しています。
Q:どこで受賞したのですか?
A:1986年の発明でノーベル物理学賞を受賞しています。
Q:この賞は何年に受賞したのですか?
A:1986年に発明したことでノーベル物理学賞を受賞しました。
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