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2013年9月16日 (月)

電流を測ると物体間の化学結合力がわかる―ナノ材料、ナノデバイス設計の際の指針策定に期待

2013年9月3日
大阪大学 研究成果リリース
 
詳細は、リンクを参照して下さい。
 
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リリース概要
 
 大阪大学大学院工学研究科の杉本宜昭
准教授、大阪大学産業科学研究所の
森田清三特任教授らのグループは、
名古屋大学大学院工学研究科の阿部真之
准教授、チェコ科学アカデミーのグループ、
マドリッド自治大学のグループらとの
共同研究により、近接する2つの物体間に
働く力とその間を流れる電流との間に、
単純な関係があることを発見し、
そのメカニズムを解明しました。
 
 様々なナノ材料やナノデバイスを設計
する際の指針となることが期待されます。
 
 
 
研究の背景と研究成果
 
 2つの物体を近づけて接触させると、
その間に斥力が働き、それ以上近づける
ことができません。
 
 全ての物質は、原子から構成されており、
接触面で原子同士が反発するためです。
 
 実は、接触する直前では、図1に示す
ように、2つの物体間には引力が働き、
引き合います。
 
 原子間に働く引力は大変微弱なため
体感することはできませんが、
この化学結合力により原子は互いに
つながり、物質を構成しています。
 
 一方、2つの物体に電圧をかけると、
物体間の距離が大変近いときは、
接触していなくても、その間に電流が
流れることが知られています。
 
 これは、量子力学※1により説明される
電流で、トンネル電流と呼ばれています。
 
 化学結合力とトンネル電流は共に、
2つの物体の原子間の電子雲※2の重なり
により生じ、この一見異なる2つの物理量
についての同等性が、量子力学の基本問題
として長く議論されてきました。
 
 そこで、研究グループは、2つの物体を
接近させて、近接する2つの原子間に働く
化学結合力とトンネル電流を精密に測定
しました。
 
 原子間力顕微鏡※3という微弱な力を
測定できる装置を使って、半導体である
シリコンに対して実験を行いました。
 
 すると、トンネル電流は、化学結合力の
二乗に比例するという、単純な関係性が
あることがわかりました(図2参照)。
 
 これは、量子力学で予測されていた
にも関わらず、これまで検証されて
いなかった、世界で初めての実験結果です。
 
 この関係性は、エネルギーが等しい
電子雲同士が重なり合った際に、
量子力学から期待される関係であり、
理論計算により、実験で用いた半導体では、
確かにこの条件が成り立っていることを
明らかにしました。
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 興味深い話しです。
 
 理論と実験は互いを磨き合う関係
なんですね。
 
 今回は理論で予測されていた関係を実証
できた。
 
 これで、
>この関係性は、様々な分子や材料を
>設計し合成するための指針となるので、
>新しい材料やデバイスなどの開発など、
>我々の生活に関わる成果に結びつくと
>期待できます。
 となる。

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