近日，东京大学研究生院新领域创成科学研究科的杉本宜昭教授等的研究小组，与东京大学物性研究所的尾崎泰助教授们的研究小组和日本产业技术综合研究所（AIST）先进力量电子研究中心的小倉政彦主任研究员们的研究小组共同，开发了以原子水平观察金刚石表面的技术。
金刚石作为终极半导体，作为功率器件和量子器件的材料受到关注。金刚石具有高载流子迁移率、高热导率、高绝缘击穿电场等优良特性，是被期待为终极半导体的材料。金刚石薄膜的表面有空位等的点缺陷和位错等存在，这些成为降低器件性能的主要原因。为了提高器件的性能，需要将金刚石表面以原子尺度可视化，了解微观结构。到目前为止，虽然有几个显微技术可以进行原子尺度的结构分析，但还没有实现金刚石表面的各个碳原子的可视化。特别是，自古以来就通过扫描隧道显微镜进行了观察，但并没有达到原子水平的分辨率。其理由有金刚石的导电性低和表面的碳原子密集等。
本研究小组通过使用在超高真空环境下工作的原子力显微镜（AFM），成功地将金刚石表面的各个碳原子可视化。
AIST所拥有的等离子CVD的高品质金刚石薄膜生长技术，通过优化薄膜生长条件，可以在原子水平上形成平坦的表面。在本研究中，使用了运用该技术制作的金刚石面作为试料。这个表面排列着成对的碳原子。组成一对的碳原子的间隔只有1.39埃（埃，1埃=100亿分之一米），使各个碳原子的可视化变得困难。此次，使用活性的硅的探针进行了AFM观察。将探针靠近表面仅几埃的距离进行观察，可以观察到各个碳原子。使用这种AFM技术，可以分析金刚石表面的点缺陷。
为了明确金刚石表面的各个碳原子被可视化的机理，在物性研究所进行了OpenMX的第一原理计算。研究人员发现成对的碳原子有与探针形成键的余地。并且，使由硅构成的探针的模型接近金刚石表面的模型的地方，再现了实验中检测出的来自碳原子的强信号。
本研究小组，通过使用原子力显微镜在世界首次成功了金刚石表面的各个碳原子的可视化。由于本方法为原子尺度的金刚石的分析开辟了道路，因此今后有望为阐明金刚石薄膜的生长机理、提高金刚石器件的性能做出巨大贡献。例如，通过分析在各种条件下制作的金刚石薄膜来调查平坦性和缺陷的分布，可以明确原子水平下平坦清洁的金刚石薄膜的试样制作条件。同时，根据本研究小组开发了的单一原子的元素鉴定法，也能解析金刚石表面的掺杂剂和杂质原子的分布。由此，可以期待利用缺陷的量子设备的评价和新功能探索成为可能。
有关这项技术的更多信息已于2025年1月8日发表在《Nano Letters》期刊中。（DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05395）
