JP2005238420A

JP2005238420A - 固体中のイオンおよび／または原子の操作方法

Info

Publication number: JP2005238420A
Application number: JP2004054736A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yano; 哲司矢野; Shuichi Shibata; 修一柴田
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】本発明は、微小領域での固体中へのイオン、原子の導入、または固体からの引抜きを行うことにより、固体表面近傍に任意の場所および任意のサイズで、走査型プローブ顕微鏡の解像能で異質な微小領域を形成でき、しかも上記の熱拡散法、イオン注入法におけるようなマスクの形成は不要である、固体中のイオンおよび/または原子の操作方法を提供する。
【解決手段】固体表面に微細電極を接触させて対向電極との間に電界を印加し、固体中のイオンおよび/または原子を固体内部から固体表面に、または固体表面から固体内部に移動させ、組成の異なる微小領域を固体表面近傍に形成させることを特徴とする固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
【選択図】なし

Description

本発明は固体中のイオンおよび/または原子の操作方法に関し、さらに詳しくは固体内部もしくは表面の組成制御方法に関する。

従来、固体中のイオンもしくは原子の操作方法として、導入しようとする元素を含有する異物質と接触させて熱することによって導入する熱拡散方法、導入しようとする元素をイオン化・加速して固体に打ち込むイオン注入法、等が知られている。これらの方法は、半導体プロセス等ですでに実用化され、所望のイオンもしくは原子を固体中に導入して機能化する技術として有用であるが、微小な領域に対して行うためには、表面にマスクを密着形成して導入領域を限定する等の複雑な処理工程が必須となる。そのため、任意の場所に適宜導入するような場合には適用できない。また逆に、固体中の任意の微小な領域からイオン、原子を引抜いて、状態（たとえば屈折率等）の異なる領域を形成させるのに適した方法は報告されていない。

そして、近年、データ記録媒体における高密度化・微細化に代表されるように、微小領域に対する簡易な修飾技術が強く求められている。そこでは、たとえば、ナノメーターオーダーで均一な固体の表面もしくは内部に同じナノメーターオーダーの、異なる性質を有する微小領域を任意に形成することが望まれる。現在の磁気記録方式においては、記録媒体は磁区を形成するために多結晶質である必要があるが、記録サイズが結晶粒と同じ程度まで小さくなってくると、信号の記録・読み込みにエラーを生じ易く、形成されている磁区の並び方に大きく影響を受けてしまう（非特許文献１）。したがって、記録の高密度化を達成するためには、ナノメーターオーダーで均一な媒体の任意の場所に性質の異なる領域をナノメーターオーダーのサイズで形成できる技術が必要である。

J.Mater.Sci.: Mater.in Electro.,13(2002)509

本発明は、微小領域での固体中へのイオン、原子の導入、または固体からの引抜きを行うことにより、固体表面近傍に任意の場所および任意のサイズで、走査型プローブ顕微鏡の解像能で異質な微小領域を形成でき、しかも上記の熱拡散法、イオン注入法におけるようなマスクの形成は不要である、固体中のイオンおよび/または原子の操作方法を提供する。

本発明は、固体表面に微細電極を接触させて対向電極との間に電界を印加し、固体中のイオンおよび/または原子を固体内部から固体表面に、または固体表面から固体内部に移動させ、組成の異なる微小領域を固体表面近傍に形成させることを特徴とする固体中のイオンおよび/または原子の操作方法を要旨とする。

本発明においては、このように微細電極の先端径をナノメーターオーダーとし、固体表面の任意の領域に接触させることにより、微小領域の解像能を原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡の解像能に維持し得、さらに電界を利用して固体中のイオンおよび/または原子を移動させて、上記接触部近傍において他の領域とは組成分布の異なる領域を形成しうる。

本発明のイオンおよび/または原子の操作方法においては、固体表面に微細電極を接触させて対向電極との間に電界を印加し、固体中のイオンおよび/または原子を固体内部から固体表面に、または固体表面から固体内部に移動させ、組成の異なる微小領域を固体表面近傍に形成させる。

上記固体としては、ガラス、結晶性無機固体材料（たとえばＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）等）もしくは有機固体材料（たとえば、ポリスチレン、ポリプロピレン等のプラスチックス等）が挙げられ、目的とする用途に応じて選ばれ、形状も特に制限されないが、通常厚さ５ｍｍ以下のガラス基板が一般的である。このようなガラスとしては、たとえば酸化物系、フッ化物系等が用いられ、好ましくはＳｉＯ₂を主成分の一つとして含むケイ酸塩ガラス、ＡｌＦ₃を含むフッ化アルミニウム系ガラス等が挙げられる。

固体表面と接触する微細電極は、形成しようとする微小領域に応じて、その先端のサイズは１ｎｍ〜１０μｍ、そして１ｎｍ〜１μｍ、さらには１ｎｍ〜２００ｎｍ程度から選択される。その材質は、固体表面から固体内部に導入するときには、その種類を限定される（たとえば、Ａｇを導入する場合にはAｇ）が、逆にイオンおよび/または原子を固体内部から固体表面に移動させるときには導電性であれば特に制限されない。このような微細電極としては、たとえば金属細線が挙げられるが、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等の走査型プローブ顕微鏡の導電性の原子間力顕微鏡プローブが解像能の点から好適に使用される。この導電性の原子間力顕微鏡プローブとしては、材質が銀、金、白金、イリジウム等の導電性細線である場合にはそのまま用いることができるが、材質がケイ素等の非導電性である場合にはその表面に金、銀等の導電性材料を被覆して導電性を付与して用いることができる。

本発明においては、上記のように固体表面に微細電極を接触させて対向電極との間に電界を印加するが、この対向電極は材質、サイズ、形状に格別の制限はない。たとえばガラス基板の場合には、微細電極の接触面と反対側の片面に金、銀等の金属膜をスパッタ法により形成することにより得られるが、これらに限定されず、電極形成の一般的な方法によることができる。

本発明においては、このように微細電極の先端径をナノメーターオーダーとし、固体表面の任意の領域に接触させることにより、微小領域の解像能を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡の解像能に維持し得、さらに電界を利用して固体中のイオンおよび/または原子を移動させて、上記接触部近傍において他の領域とは組成分布の異なる領域を形成しうる。さらに、本発明においては、単なる組成分布に限らず、さらに非化学量論の領域を形成することもでき、たとえば発光特性等の光学的性質の異なる領域も形成しうる。たとえば、ハロゲン陰イオンを固体表面から内部に移動させて欠乏領域を形成させ、ついで金属イオンの価数変化を誘起させ、発光特性等の光学的性質を変えることができる。そして、本発明においては、複雑な工程、大掛かりな設備を必要としない利点を有する。

本発明により形成される、組成の異なる微小領域は、径１ｎｍ〜５０μｍ、そして径１ｎｍ〜１μｍ、さらには径１ｎｍ〜２００ｎｍ程度の略半球状であるが、微細電極の走査等の上記操作条件を選ぶことにより、さらに線もしくは曲線状の形状を付与しうる。

本発明において操作されるイオンおよび/または原子は、通常、正または負の１価の電荷をもちうるものであれば制限されず、たとえばLi、Na、K等のアルカリ金属；銀；塩素、臭素、フッ素のハロゲン；等が挙げられる。

本発明において、固体中の金属イオンの引抜きを行うと微細電極上での電気化学反応によりイオンは金属原子となり、固体表面上に析出する。この処理条件を調節することにより、たとえば数ｎｍから数百ｎｍのサイズの島状金属ドットを形成しうるので、高密度の記録媒体の１つとして利用しうる。また、他のイオンを導入させると、屈折率の異なる微小領域を形成しうるので、微小光学素子の作製に利用しうる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
厚さ２ｍｍのソーダ石灰ガラス基板の片面の全面に金属銀電極をスパッタ法により形成した。ついで、基板の温度を２００℃に昇温して保持し、銀コートして導電性を付与した原子間力顕微鏡プローブ（Ｓｉ）を微細電極として（先端径約４μｍ）、金属銀電極（対向電極）と反対側の面に接触させ、この微細電極と対向電極の間に微細電極が陰極になるように直流電圧３０Ｖを印加した。その結果、ガラス基板表面と接触している微細電極先端にガラス基板中のナトリウムが移動し、金属ナトリウムとしてガラス表面に析出した。走査型電子顕微鏡反射電子像観察の結果、ガラス基板の表面近傍にＮａイオンを含む島状生成物の形成（径約１．３μｍの略半球状）が確認された。
実施例２
厚さ２ｍｍのソーダ石灰ガラス基板の片面の全面に金属銀電極をスパッタ法により形成した。ついで、基板の温度を２００℃に昇温して保持し、走査型トンネル顕微鏡プローブ（Ａｇ）を微細電極として（先端径約３００〜５００ｎｍ）、金属銀電極（対向電極）と反対側の面に接触させ、この微細電極と対向電極の間に微細電極が陽極になるように直流電圧３０Ｖを印加した。その結果、ガラス基板表面と接触している微細電極先端からAgがイオン化してガラス基板内部に移動した。走査型電子顕微鏡反射電子像観察の結果、ガラス基板の表面近傍にＡｇイオン含有微小領域の形成（径約０．８μｍの略半球状）が確認された。
実施例３
厚さ０．５５ｍｍのフッ化アルミニウム系フッ化物ガラス基板の片面の全面に金属銀電極をスパッタ法により形成した。ついで、基板の温度を２５０℃に昇温して保持し、白金電極を微細電極として（先端径数μｍ）、金属銀電極（対向電極）と反対側の面に接触させ、この微細電極と対向電極の間に微細電極が陰極になるように直流電圧３０Ｖを印加した。その結果、微細電極が先端が接触しているガラス基板において、フッ素イオンがガラス基板内部を対向電極側へ移動した。光学顕微鏡観察の結果、ガラス基板の表面近傍にフッ素イオンが欠乏した暗色部の形成（径約１００μｍの略半球状）が確認された。

本発明は、微小領域での固体中へのイオン、原子の導入、または固体からの引抜きを行うことにより、固体表面近傍に任意の場所および任意のサイズで、走査型プローブ顕微鏡の解像能で異質な微小領域を形成でき、しかも上記の熱拡散法、イオン注入法におけるようなマスクの形成は不要である、固体中のイオンおよび/または原子の操作方法を提供しうる。

Claims

固体表面に微細電極を接触させて対向電極との間に電界を印加し、固体中のイオンおよび/または原子を固体内部から固体表面に、または固体表面から固体内部に移動させ、組成の異なる微小領域を固体表面近傍に形成させることを特徴とする固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
固体表面と接触する微細電極の先端のサイズが１ｎｍ〜１０μｍである請求項１記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
固体表面と接触する微細電極の先端のサイズが１ｎｍ〜１μｍである請求項１もしくは２記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
微細電極が走査型プローブ顕微鏡の導電性プローブである請求項１〜３のいずれか記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
対向電極が金属膜である請求項１〜４のいずれか記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
固体がガラス、結晶性無機固体材料もしくは有機固体材料基板である請求項１〜５のいずれか記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
形成される、組成の異なる微小領域が径１ｎｍ〜５０μｍの略半球状である請求項１〜６のいずれか記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。
形成される、組成の異なる微小領域が径１ｎｍ〜１μｍの略半球状である請求項１〜７のいずれか記載の固体中のイオンおよび/または原子の操作方法。