メッキを用いたナノコンタクトの製作と量子化されたコンダクタンス及び BMR の測定

理学部四回生　布山美慕

参考文献

• A.Umeno et al.,Appl.Phys.Lett.86,14103(2005)• A.F.Morpurgo et al.,Appl.Phys.Lett,74,14(1999)• 小野嘉之著 ,量子力学的”オームの法則”• 高木春光 ,授業実践『ヨードチンキとビタミン Cで

金メッキ』• N.Grcia et al,Phys.Rev.Lett,82,14(1999)• S.Yuasa et al,Science,297,234(2002)• J.M.D.Coey et al.Phys.Rev.B,64,020407(2001)• 勝本信吾責任編集、パリティ編集委員会編 ,メゾスコ

ピック村のアリス• 福山秀敏編 ,メゾスコピック系の物理

実験の概要

実験　 1.ヨードチンキを用いた金メッキによるコンダクタ

ンスの量子化実験　 2.ニッケル線のナノコンタクトでの磁化実験

1. ヨードチンキを用いた金メッキによるコンダクタンスの量子化実験

　　金線を断線しメッキによって再度接続する。その際メッキ速度を制御し接続を数原子単位にすることで金線のコンダクタンスを量子化する。そのままメッキを続け量子化されたコンダクタンスが接続部分の原子数に対応する値を示しながら変化する様子を観測する。

2. ニッケル線のナノコンタクトでの磁化実験

　強磁性体であるニッケルで、メッキを用いてコンダクタンスが量子化される程度のナノコンタクトを作成し、磁場をかけ磁化させる。磁場の方向が結合を挟んで平行反平行のときのコンダクタンスの違いを観測する。

理論

1. コンダクタンスの量子化2.ナノ接合における Ballistic Magnetoresistance(BMR) 効果　　　 Ballistic 領域…電子が不純物などによる散乱を受

けず　　　　　　　に運動する領域。　　　　　　　　平均自由行程以下のナノコンタクトは

　　　　　　　 Ballistic 領域。　　 MR効果…磁気抵抗効果　　　　　　磁場をかけることで抵抗が変化する効果。

1. コンダクタンスの量子化電子の存在領域領域 1,2　電子溜め　電気化学ポテンシャルの差

ありその間の領域　量子ポイントコンタクト (QP

C)

電子のエネルギー

x

y

運動量が p~p+dp の間にある状態の数はスピンの自由度を含め 2dp/h 。電流 I は電子の電荷、状態の数、速度をかければ良いから、

は を満たす p の値Vが小さければ第二項は無く、コンダクタンスは

因子 2 はこの図の場合の伝導に寄与する分散曲線の数。よってコンダクタンスは　　　の整数倍に量子化。

2. ナノ接合における　 Ballistic Magnetoresistance(BMR)

効果

　　強磁性体に磁場をかけると一定の磁場以上で磁化しスピンが偏極する。また逆向きの磁場をかければスピンを逆向きに偏極することができる。ナノコンタクト中での不純物などによるスピンの散乱を無視できるならナノコンタクトを挟んで磁場が平行か反平行かによってコンダクタンスが変化することになる。

実験方法実験 1

　ヨードチンキを用いて金メッキをしながら金線間の抵抗値を測定する。電圧の制御でメッキ速度をコントロールして数原子単位での架橋を起こしコンダクタンスの量子化を見る。そのままメッキを続け量子化されたコンダクタンスが接続部分の原子数に対応した値を示すことを観測する。

実験 2

　硫酸ニッケルを用いてニッケルメッキをしながらニッケル線間の抵抗値を測定する。コンダクタンスの量子化が観測されたところでメッキを止め両方のコイルに電流を流す。電流の向きを反転させることでニッケル線にかかる磁場の方向を逆転させコンダクタンスの変化を観測する。

実験結果実験 1

時間に対してコンダクタンスを量子化した単位で示したもの。 2,3,4,5, の値が見られる。メッキのためかけた電圧は 650mV。

16000〜 19200 、 850mVでメッキ。20〜 25 までの量子化が見られる。

1.1Vでメッキ。整数値からずれた値での階段。いくつかの原子による単純な並列でない回路かもしくは散乱が考えられる。

2480〜 2750， 850mVでメッキ。16と 18 を繰り返す。原子が着いたり離れたりしている？

実験１の結果のまとめと考察

• 最初に設定した簡易な実験条件でコンダクタンスの量子化が観測された。

• 電圧の逆転によって金線を再び断線させることはできたがコンダクタンスの量子化は観測できなかった。

• 一定の電圧でメッキしていても原子単位での付着と剥離が繰り返されるなどしてコンダクタンスが振動することが有る。

• 以上からニッケル線でもサンプルの断線とメッキ速度の制御がうまくいけば同じ条件でのコンダクタンスの量子化、即ちナノコンタクトの作成が可能だと考えられる。

• メッキの電圧をかける為の回路の中もコンダクタンスの測定の為の電流が流れている可能性がある。

• もし電圧の制御によってコンダクタンスの振動を起こすことができればエレクトロニクス分野の部品として有用。

実験結果実験 2

650 mVでメッキ。4,5,6,14,21 の量子化。

前のデータと同じ。接続の瞬間。しかしコンダクタンス１ではなく２で飛んでいる。

750 mVでメッキ。24,25,27,29,32,34,38 が見られる。一つの準安定状態が 20秒程。

850 mVでメッキ。18,22,24,30 に量子化。一つの準安定状態が 300秒程。

実験２のまとめと考察

• ニッケル線を試料にしたメッキでもコンダクタンスの量子化が観測された。

• しかし金線での実験よりもメッキ速度の制御が難しく、また準安定状態が金より不安定だと考えられる。

• そのため量子化を確認するのみに終わってしまい、磁場をかける実験が行えなかった。よって磁気抵抗の観測実験は行えなかった。

• 量子化を確認し磁場をかける時間を確保するには電圧の制御だけでなく試料の断線状態が重要。金線よりメッキ速度の制御が難しい以上より精密な試料作りが望まれる。

実験 1,2 を通じてのまとめと考察

• 手作業による簡単な実験条件でコンダクタンスの量子化の観測は可能。

• しかし試料作り、メッキともに条件に曖昧さが残るため再現性は無く、実験２のニッケル線では安定したナノコンタクトの作成はできなかった。

• BMR などの理論や研究結果が確立されていない分野ではこのメッキによる実験で結果が出ても実験条件が曖昧なために確かに BMR が観測されたといえない恐れが有る。

• ナノコンタクトをメッキ技術で作成するなら試料、メッキ液、電圧、試料の設置条件を精確に定めて行うことが必要。又実際にどのような構造で原子が架橋していくのか、他のナノコンタクト製造方法との比較が必要。