STMの魅力とは？知っておきたい基礎知識

序章：原子の個別観測という革命

私たちの世界は、原子という極小の粒子で構成されています。古くから人々は、物質の根源である原子を直接見てみたいと願ってきました。しかし、原子はあまりにも小さく、通常の光学顕微鏡ではその姿を捉えることはできません。電子顕微鏡の登場により、ようやくナノメートルスケールでの観察が可能になりましたが、それでも個々の原子を明確に識別し、その振る舞いをリアルタイムで追跡することは困難でした。

この限界を打ち破り、私たちのミクロの世界に対する理解を根底から変えた技術、それが「走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope）」、略称STMです。1981年にIBMチューリッヒ研究所のゲルハルト・ビニッヒ（Gerd Binnig）とハインリッヒ・ローラー（Heinrich Rohrer）によって発明されたSTMは、物質の表面を構成する個々の原子を「見る」ことを可能にしました。さらに驚くべきことに、単に原子を見るだけでなく、原子を一つずつ操作する能力までをも私たちにもたらしたのです。

STMの登場は、物理学、化学、材料科学、そしてナノテクノロジーといった様々な分野に革命をもたらしました。それまで理論上の存在として扱われることも多かった原子や分子が、実験的に操作可能な実体として私たちの目の前に現れたのです。この直接的な観測と操作能力こそが、STMの最大の魅力と言えるでしょう。

本稿では、まずSTMがなぜこれほどまでに魅力的で、科学技術の発展に不可欠なツールとなったのか、その「魅力」の核心に迫ります。そして、その驚異的な能力を支える物理原理、装置の構成要素、操作方法、そして実験を行う上で知っておくべき基礎知識を詳細に解説します。STMの原理は、量子力学という非直感的な物理現象を利用しており、その理解には丁寧な解説が必要です。本稿を通じて、STMがどのようにして原子の世界を映し出し、私たちがナノの世界を探索し、制御することを可能にしたのか、その全体像を深く理解していただけることを目指します。

第1章：STMの魅力 – なぜそれほど特別なのか？

STMが科学者や技術者にとって、そして私たち一般の人間にとっても魅力的に映るのはなぜでしょうか。それは、他のどのような装置も成し遂げられなかった、いくつかの画期的な能力を持っているからです。

1.1. 個々の原子を見る：究極の解像度

STMの最も直感的で強力な魅力は、「個々の原子を見る」という能力です。光学顕微鏡が数マイクロメートル（10⁻⁶メートル）が限界であるのに対し、電子顕微鏡はナノメートル（10⁻⁹メートル）スケール、透過型電子顕微鏡（TEM）や走査型透過電子顕微鏡（STEM）は原子カラムや特定の結晶面であれば原子分解能に達しますが、STMは表面の個々の原子の像を、比較的容易に、そして立体的に得ることができます。

この「見る」というのは、厳密には原子そのものを光や電子線で直接像として結ぶのではなく、原子表面の電子の広がり（正確には局所状態密度）を反映した表面形状として捉えるということです。それでも、その結果得られる画像は、まるで原子が整然と（あるいは不規則に）並んでいる様子を上から眺めているような、驚くほど鮮明なものです。金属や半導体の表面、グラファイトのような層状物質の表面など、導電性の試料であれば、表面の原子配列、欠陥、吸着した分子などを、個々のレベルで詳細に観察できます。

これにより、これまで平均化された情報しか得られなかったマクロな性質や、間接的な推測に頼るしかなかった表面現象が、原子スケールで直接検証可能になりました。例えば、触媒反応が表面の特定の原子配置でどのように起こるのか、材料の強度や電子特性が表面の欠陥とどう関連しているのか、といった問いに、直接的な原子レベルの証拠をもって答えることができるようになったのです。

1.2. 原子を動かす：ナノ世界の彫刻家

STMは単なる観察ツールにとどまりません。そのもう一つの、そしておそらくさらに驚くべき能力は、「原子を操作する」ことです。探針を原子に近づけたり、特定の電圧パルスを与えたりすることで、表面上の原子や分子を移動させたり、意図した位置に配置したりすることが可能なのです。

この原子操作能力は、1990年にIBMの研究者によって発表された、35個のキセノン原子を並べて「IBM」という文字を描いた有名な実験によって世界に知られました。これは単なる技術デモンストレーションにとどまらず、人類が初めて意識的に個々の原子を配置することに成功した象徴的な出来事でした。

原子操作によって、これまで不可能だった原子レベルでの構造構築が可能になりました。例えば、量子ドットや量子細線のようなナノ構造を意図的に作製し、その電気的特性や磁気的特性を原子配置との関連で研究することができます。これは、全く新しい機能を持つナノデバイスを設計・作製するための究極のボトムアップアプローチを提供します。STMは、まさにナノ世界の彫刻家のような役割を果たすことができるのです。

1.3. 表面電子状態の探査：見えない性質を明らかにする

STMは単に表面の「形」を見るだけでなく、その表面の「電子的な性質」も同時に探ることができます。これは「走査型トンネル分光（Scanning Tunneling Spectroscopy, STS）」と呼ばれる機能です。探針と試料間の距離を一定に保ったまま、両者間の電圧を変化させて流れるトンネル電流を測定することで、試料表面の特定の場所における電子の状態密度に関する情報が得られます。

材料の機能は、その構造だけでなく、電子がどのように配置され、どのように振る舞うかによって決まります。STSは、表面のどこに電子が存在しやすいか、どのようなエネルギー状態の電子が存在するかといった情報を原子分解能で提供します。例えば、半導体の表面状態、超伝導体のエネルギーギャップ、分子軌道の空間分布などを、個々の原子や分子のレベルで調べることが可能です。

画像情報（表面形状）と分光情報（電子状態）を同じ位置で同時に取得できるSTSは、表面における物理的・化学的現象を深く理解するための非常に強力なツールとなります。表面再構成に伴う電子状態の変化、表面欠陥が局所的な電子構造に与える影響、吸着分子の電子状態など、画像だけでは分からない表面の性質を明らかにすることができます。

1.4. 多様な環境への対応：極低温から高温、磁場下まで

初期のSTMは、安定したトンネル電流を得るために超高真空（UHV）環境が必要でした。しかし、技術の進歩により、液体ヘリウム温度（極低温）から高温、強い磁場下、さらには大気中や液体中でも動作するSTMが開発されています。

極低温STMは、原子の熱運動を抑えることでより安定した原子像を得たり、コンド効果や超伝導など低温でしか現れない量子現象を観察したりするのに不可欠です。磁場下STMは、表面の磁気構造やスピンに関わる現象を原子スケールで探るために用いられます。これらの環境対応型のSTMは、物性物理学や材料科学における基礎研究の最前線で重要な役割を果たしています。

1.5. ナノテクノロジーへの貢献：基礎から応用まで

STMはナノテクノロジーの黎明期を支え、その後の発展を牽引した技術の一つです。原子・分子を直接見て操作できる能力は、ナノスケールの現象を理解し、ナノ構造を設計・作製する上での基礎を提供しました。

ナノワイヤー、ナノチューブ、量子ドット、グラフェンなどの様々なナノ材料の研究において、STMは表面構造や電子状態を原子分解能で評価する上で不可欠なツールとなっています。また、自己組織化によるナノ構造形成メカニズムの解明や、単分子デバイスの特性評価などにも用いられています。原子操作によって作製されたナノ構造は、将来の超高密度情報記録媒体や量子コンピュータの要素技術として期待されています。

このように、STMは単に顕微鏡という枠を超え、原子・分子レベルでの観測、操作、および物性測定を可能にする多機能ツールとして、科学技術のフロンティアを切り開いてきました。個々の原子を見る、動かす、そしてその性質を探るという、その革命的な能力こそがSTMの最大の魅力なのです。

第2章：STMの基礎知識 – 驚異の仕組みを理解する

STMが原子の世界を映し出す驚異的な能力は、量子力学の原理と精密なエンジニアリングの組み合わせによって実現されています。ここでは、STMの動作原理と基本的な構成要素について詳細に解説します。

2.1. 動作原理：量子トンネル効果

STMの核心となる原理は、「量子トンネル効果（Quantum Tunneling Effect）」です。これは、量子力学においてのみ起こりうる非常に非直感的な現象です。

古典力学では、粒子はエネルギー障壁を越えるのに十分なエネルギーを持っていない限り、その障壁を通過することはできません。例えば、坂を登るのに十分な運動エネルギーがないボールは、坂の途中で止まって戻ってきてしまいます。

しかし、量子力学の世界では、粒子は波としての性質も持っています。この波としての性質により、粒子はエネルギー障壁を越えるのに十分なエネルギーを持っていなくても、非常に低い確率で障壁を「すり抜ける」ことができます。これが量子トンネル効果です。

STMでは、この量子トンネル効果が、探針（非常に尖った金属の針）と試料表面の間で起こります。探針と試料が互いに非常に接近している（通常1ナノメートル未満）場合、両者の間に形成される真空の隙間がエネルギー障壁となります。このとき、探針の先端から試料、あるいは試料から探針へと、電子がこの真空の隙間をトンネル効果によって移動することができます。これが「トンネル電流」です。

重要な点は、このトンネル電流の大きさは、探針と試料表面の間の距離に対して指数関数的に依存するということです。距離がわずか0.1ナノメートル（原子約1個分）変化するだけで、トンネル電流は1桁も変化します。この極めて強い距離依存性こそが、STMが原子分解能を達成できる鍵です。わずかな距離の変化（つまり表面の凹凸、原子の存在）が、検出可能な大きな電流変化として現れるため、表面の原子レベルの起伏を非常に高感度に捉えることができるのです。

また、トンネル電流の大きさは、探針と試料間の電圧（バイアス電圧）と、試料表面の局所的な電子の状態密度にも依存します。バイアス電圧は、電子がどちらの方向（探針から試料か、試料から探針か）に流れやすいかを決め、流れる電子のエネルギー準位の範囲を決定します。試料表面の特定のエネルギー準位に電子が存在する場所（局所状態密度が高い場所）では、トンネル電流が流れやすくなります。

2.2. 装置の基本構成

STM装置は、その原理を実現するために、以下の主要な構成要素から成り立っています。

探針（Tip）： STMの「目」となる部分です。通常、タングステン（W）やプラチナ・イリジウム合金（PtIr）などの金属で作られた、非常に鋭利な針です。理想的には、先端が原子1個分の半径を持つような鋭さが必要です。探針の品質（鋭さ、安定性）が、STM画像の解像度と品質を決定する上で極めて重要です。探針は電解研磨や機械的な切断などによって作製されます。
試料（Sample）： 測定対象となる物質です。STMはトンネル電流を利用するため、原理的に導電性の試料である必要があります。金属、半導体、グラファイトなどが一般的な試料です。絶縁体や厚い酸化膜で覆われた試料は、そのままでは測定できません。試料表面は、清浄で平坦であることが望ましいです。原子レベルの平坦さを得るために、超高真空中で加熱したり、劈開（へきかい：結晶を特定方向に割ること）したりといった特別な表面処理が施されることが多いです。
スキャナー（Scanner）： 探針を試料表面に対して正確に、かつ微細に動かすための機構です。主に圧電素子（Piezoelectric element、電圧を加えると変形するセラミックス）で構成されます。圧電素子に加える電圧を精密に制御することで、探針をX方向、Y方向（表面を走査するため）およびZ方向（表面からの距離を制御するため）にナノメートル以下の精度で動かすことができます。チューブ状の圧電素子を用いたスキャナーが一般的で、1つのチューブでX, Y, Z方向の動きを制御できます。
フィードバックシステム（Feedback System）： トンネル電流を一定に保つ、あるいは探針の高さを一定に保つための電子回路と制御システムです。測定されたトンネル電流を、あらかじめ設定した目標値（設定電流）と比較し、その差がゼロになるようにZ方向のスキャナーを制御します。これが「定電流モード」におけるフィードバック制御です。
防振システム（Vibration Isolation System）： STMは原子レベルの精度で距離を制御するため、外部からのわずかな振動（床の振動、音、ポンプの振動など）が測定に致命的な影響を与えます。そのため、装置全体を外部振動から遮断する、強力な防振システムが不可欠です。空気ばね、磁気浮上、振り子構造、アクティブな（能動的な）電子制御による防振など、様々な方法が組み合わせて用いられます。装置全体を地下室に設置したり、専用の防振台の上に置いたりすることもあります。
真空システム（Vacuum System）： 安定したトンネル電流を得るためには、探針と試料の間に清浄な真空環境が必要です。大気中の分子（酸素、水蒸気など）が表面に吸着すると、トンネルバリアが不安定になったり、表面が汚染されたりして、原子像が得られなくなります。特に原子操作や清浄表面の研究には、超高真空（UHV: Ultra-High Vacuum, 10⁻⁸ Pa以下）環境が用いられます。UHVシステムは、様々な種類の真空ポンプ（回転ポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプなど）と真空チャンバーから構成されます。ただし、最近では大気中や液中STMも開発されています。
制御・データ取得システム（Control and Data Acquisition System）： スキャナーに加える電圧を制御して探針を走査させ、同時にフィードバックシステムを制御し、測定されたトンネル電流や探針のZ方向の動きのデータを収集するコンピューターとソフトウェアです。収集されたデータは画像として表示され、解析されます。

これらの要素が組み合わさることで、STMは探針を試料表面に原子数個分の距離まで近づけ、トンネル電流を流しながら表面を走査し、その原子レベルの起伏や電子状態をマッピングすることが可能になります。

2.3. 測定モード：定電流モードと定高モード

STMには主に二つの基本的な測定モードがあります。それぞれ利点と欠点があり、測定対象や目的に応じて使い分けられます。

定電流モード（Constant Current Mode）：
- 最も一般的なモードです。
- フィードバックシステムが常にトンネル電流を一定の値に保つように働きます。
- 探針が表面の盛り上がった部分（原子など）に近づくとトンネル電流が増加しようとしますが、フィードバックシステムがZ方向のスキャナーを制御して探針をわずかに引き上げ、電流を設定値に戻します。
- 逆に探針が表面の窪んだ部分に来ると電流が減少するため、探針は表面に近づけられます。
- このように、探針が表面をX-Y方向に走査する際に、トンネル電流を一定に保つために必要だった探針のZ方向の動き（高さの軌跡）を記録します。
- 得られる画像： このZ方向の動きの記録が、表面の等局所状態密度面の形状（地形的な情報として解釈されることが多い）に対応する画像となります。原子の盛り上がりや表面の段差などが明瞭に観察できます。
- 利点： 表面の起伏が大きい試料でも、探針が表面に衝突することなく安全に測定できます。広範囲の走査に適しています。
- 欠点： フィードバックが応答する時間が必要なため、走査速度が比較的遅くなります。
定高モード（Constant Height Mode）：
- フィードバックシステムをオフにするか、応答を遅くし、探針のZ方向の位置を（ほぼ）一定に保ったままX-Y方向に走査します。
- 探針の高さは一定であるため、表面の凹凸や電子状態の分布によってトンネル電流が変化します。
- 得られる画像： このトンネル電流の強弱をマッピングした画像が得られます。これは、探針の高さにおける表面の局所状態密度の分布を反映した画像となります。表面の構造だけでなく、電子的な不均一性も強調して表示されることがあります。
- 利点： フィードバックの応答時間が不要なため、定電流モードよりも高速に走査できます。表面の電子状態のコントラストを強調しやすい場合があります。
- 欠点： 表面の起伏が大きい試料では、探針が表面に衝突して損傷したり、試料表面を削ってしまったりするリスクが高くなります。非常に平坦な表面（例：HOPGの劈開面）の観察に適しています。

どちらのモードで得られた画像も、原子スケールのコントラストを示し、原子の存在位置を示すことが多いですが、厳密には表面の「形状」そのものではなく、「トンネル電流が流れやすい場所」、すなわち特定のエネルギー準位における「局所状態密度」の分布を反映している点を理解しておくことが重要です。特に異なる原子種が混在する表面や、表面に吸着した分子の観察では、電子状態の分布が形状のように見えることがしばしばあります。

2.4. 画像の解釈：何を見ているのか？

STM画像は、単に「原子そのもの」を写した写真ではありません。それは、探針の先端の原子と試料表面の原子との間の量子力学的な相互作用（トンネル電流）をマッピングしたものです。具体的には、バイアス電圧で定義されるエネルギー範囲における、試料表面の局所状態密度（LDOS: Local Density of States）の空間分布を反映しています。

定電流モードの画像は、厳密には一定のトンネル電流が流れるような探針の高さの等高線マップです。この高さは、試料表面の地形と、その場所のLDOSに依存します。多くの金属や半導体の表面では、原子核がある場所の近くで電子密度が高くなるため、この等高線は原子の配置とよく一致し、あたかも原子の形状を見ているかのように解釈できます。

しかし、表面再構成によって原子の並び方がバルク内部と異なっていたり、表面に異なる種類の原子や分子が吸着していたりする場合、LDOSの分布は単純な原子位置とは異なるパターンを示すことがあります。例えば、特定の分子のSTM画像は、その分子の最外殻電子軌道の空間分布を反映して複雑な形に見えることがあります。

定高モードの画像は、一定の高さでのトンネル電流のマップであり、これはその高さにおけるLDOSの分布を直接的に反映します。LDOSが高い場所では電流が大きく、LDOSが低い場所では電流が小さく表示されます。

したがって、STM画像を正確に解釈するためには、単に凹凸を見るだけでなく、それが表面の物理的な形状、あるいは電子状態のどちら、あるいは両方を反映しているのかを理解する必要があります。多くの場合、理論計算（第一原理計算など）による表面構造や電子状態の予測と比較検討することで、より確実な解釈が可能になります。

2.5. 試料の準備：成功の鍵

STM測定を成功させるためには、高品質な試料表面の準備が不可欠です。前述の通り、STMは導電性の表面しか測定できず、しかもその表面は原子レベルで清浄かつ平坦であることが望ましいです。

一般的な試料準備法には以下のようなものがあります。

劈開（Cleaving）： 層状結晶（グラファイト、MoS₂など）や、ある特定の面に沿って割れやすい単結晶（シリコン、砒化ガリウムなど）を、測定直前に超高真空中で割る方法です。これにより、原子レベルで清浄で平坦な面を露出させることができます。グラファイト（Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG）は、STMの分解能テストや探針の作製にもよく用いられる代表的な試料です。
スパッタリングとアニーリング（Sputtering and Annealing）： 金属単結晶などの表面を、アルゴンイオンなどの不活性ガスイオンで物理的に削り（スパッタリング）、その後高温で加熱する（アニーリング）ことで、表面の不純物を取り除き、原子が再配列して清浄で構造が整った表面を形成させる方法です。シリコンなどの半導体表面も、UHV中で高温加熱することで再構成構造を形成させ、清浄表面を得ます。
蒸着（Evaporation）： 真空中で材料を加熱・蒸発させ、清浄な基板上に薄膜として堆積させる方法です。基板の構造を反映した単結晶薄膜を得ることができます。
化学的処理： 特定の目的（例：有機分子の吸着）のために、溶液を用いた化学的な表面処理を行うこともありますが、STM測定にはその後の乾燥と清浄化が重要になります。

試料表面に不純物や酸化膜が存在すると、トンネル電流が不安定になったり、全く流れなくなったりします。また、表面が荒れていると探針が頻繁にクラッシュしたり、得られる画像がアーティファクトだらけになったりします。そのため、試料準備はSTM実験における最も時間と労力がかかる部分の一つであり、成功の鍵を握っています。特に原子操作を行う場合は、極めて清浄で安定した表面が必要となります。

2.6. 実験環境の重要性

STMの性能は、その設置される環境に大きく左右されます。原子レベルの分解能を実現するためには、探針と試料の相対的な位置をナノメートル以下の精度で制御・安定化する必要があります。これを妨げる要因を徹底的に排除することが重要です。

振動： 前述の通り、最も大きな問題です。床の振動、音、部屋の空調、遠くの工事など、あらゆる振動が探針-試料間距離を変動させ、画像を歪ませたりノイズとして現れたりします。多段階の防振システムが必須です。
熱ドリフト： 温度変化による装置の膨張や収縮も、探針-試料間距離を変動させます。特に長時間にわたる測定や原子操作では大きな問題となります。実験室の温度を一定に保ったり、STM本体を低温（液体ヘリウム温度など）に冷却したりすることで、熱ドリフトを最小限に抑えます。
電磁ノイズ： 外部からの電磁波（携帯電話、電気機器など）も、トンネル電流の測定やフィードバックシステムに影響を与えることがあります。装置全体を電磁シールドで覆うなどの対策が取られます。
清浄度： 表面研究を行う上で、試料表面や探針の清浄度は極めて重要です。超高真空環境は、表面への不純物吸着を防ぎ、長期にわたって安定した清浄表面を保つために不可欠です。

これらの環境要因を厳密に制御することが、原子分解能のSTM画像を得るための前提となります。高性能なSTM装置は、しばしばこれらの環境制御システムと一体となって設計されています。

第3章：STMの応用と発展 – 原子操作から分光まで

STMは基本的な原子像観察にとどまらず、様々な機能を付加することで、その応用範囲を大きく広げています。ここでは、STMの高度な機能や応用例について解説します。

3.1. 原子操作：ナノ構造のボトムアップ構築

第1章でも触れた原子操作は、STMの最も象徴的な機能の一つです。原子操作にはいくつかの手法があります。

プッシュ法 (Pushing): 探針を試料表面上の原子や分子の横に近づけ、探針を表面と平行に移動させることで、原子や分子を文字通り「押して」移動させる方法です。比較的強く吸着した原子にも使えますが、探針や試料を傷つけるリスクもあります。
プル法 (Pulling): 探針を表面上の原子や分子の上に位置させ、探針をわずかに引き上げながら横に移動させる方法です。探針と原子の間に働く相互作用（ファンデルワールス力や化学結合力）を利用して原子を引っ張ります。
印加電圧パルス法 (Voltage Pulse): 探針を原子の真上に位置させ、瞬間的に高い電圧パルスを印加する方法です。このパルスによって生じる電場や電流が、原子を表面から脱離させたり、表面上の別の位置に移動させたりします。原子を一個ずつ精密に移動させるのに適しています。
誘導法 (Lateral Manipulation): 探針を目的の原子の近くに置き、探針と原子の間に適切な相互作用（距離と電圧で調整）を生じさせ、探針を目的の最終位置まで移動させることで、原子を「引きずり」ながら移動させる方法です。IBMの「IBM」文字作製で用いられたのがこの方法です。

これらの原子操作技術を組み合わせることで、表面上に人工的な原子配列を自由に作製することができます。例えば、量子コラール（Quantum Corral）と呼ばれる円形の原子配置は、その内部に閉じ込められた電子が定常波を形成する様子をSTMで観察できるため、電子の波動性を視覚的に理解する上で非常に有名です。原子操作は、原子レベルでの物性制御や、将来的な原子エレクトロニクスに向けた基礎研究として活発に行われています。

3.2. 走査型トンネル分光（STS）：電子状態の直接観測

前述の通り、STSはSTMの重要な機能の一つです。STM画像が表面の構造（とLDOSの合計）を示すのに対し、STSは表面の電子状態密度をエネルギー分解能と空間分解能の両方で測定できます。

STSでは、まず定電流モードで目的の測定点に探針を移動させます。次に、フィードバックループを一時的に中断し、探針と試料間の距離を一定に保ったまま、バイアス電圧 $V$ をある範囲で掃引（変化）させ、その際に流れるトンネル電流 $I$ を測定します。これにより、$I-V$ カーブ（電流-電圧特性曲線）が得られます。

トンネル電流 $I$ は、探針と試料間の距離 $z$、バイアス電圧 $V$、そして試料および探針の局所状態密度 $\rho_s, \rho_t$ に依存します。簡単に言うと、$I$ は、探針のフェルミ準位 $E_{F,t}$ から $E_{F,t} + eV$ のエネルギー範囲における試料のLDOS $\rho_s(E, \vec{r})$ と、同様の範囲における探針のLDOS $\rho_t(E, \vec{r})$ の畳み込み積分に関係します。

特に、トンネル電流の電圧による微分 $dI/dV$ は、探針のLDOSが電圧範囲で比較的平坦であると仮定した場合、試料表面のその場所におけるLDOS $\rho_s(E_{F,t} + eV, \vec{r})$ に比例することが知られています。

$$
\frac{dI}{dV} \propto \rho_s(E_{F,s} + eV, \vec{r})
$$

ここで $E_{F,s}$ は試料のフェルミ準位です。したがって、$dI/dV$ をバイアス電圧 $V$ に対してプロットした曲線は、試料表面の特定の場所における電子の状態密度をエネルギーの関数として表します（エネルギー軸は $eV$ に対応）。

STSによって得られる情報：
* バンドギャップ： 半導体や絶縁体の場合、$I-V$ カーブや $dI/dV$ スペクトルに電流がほとんど流れない電圧範囲が現れます。この電圧範囲の幅がバンドギャップの大きさに対応します。
* 表面状態： バルクとは異なる表面特有の電子状態（表面準位）を検出できます。
* 分子軌道： 吸着分子のエネルギー準位に対応するピークが $dI/dV$ スペクトルに現れます。
* 超伝導ギャップ： 超伝導体の場合、超伝導ギャップに対応する特徴的なピークとゼロ電流領域が $I-V$ カーブや $dI/dV$ スペクトルに現れます。

さらに、$dI/dV$ を特定のバイアス電圧で測定しながら表面を走査することで、$dI/dV$ マップ（スペクトルマッピング）を得ることができます。これは、そのエネルギーにおけるLDOSの空間分布を示す画像となり、表面の電子状態の不均一性を視覚的に捉えることができます。例えば、異なる原子種が混在する合金表面や、表面欠陥周辺での電子分布などを調べることができます。

STSは、表面の原子構造（画像）と電子状態（分光）を同じ場所で同時に測定できるという点で、表面科学や物性物理学において極めて強力な手法となっています。

3.3. 様々な環境下でのSTM

極低温STM (LT-STM): 液体ヘリウム温度（4.2 K）やそれ以下の温度で動作するSTMです。熱ドリフトを最小限に抑えることで、非常に長時間の安定な測定や原子操作が可能になります。また、コンド効果、超伝導、量子相転移など、極低温で発現する量子現象を原子スケールで研究するために不可欠です。
高磁場STM: 強い磁場中で動作するSTMです。表面の磁気構造（スピン偏極トンネル電流の測定）、超伝導体における磁束量子の観察、スピンに関わる量子現象の研究などに用いられます。通常、極低温と組み合わせて使用されます（LT-STM/SF-STM: Low Temperature STM / Superconducting Magnet STM）。
高温STM: 試料を高温に加熱した状態で動作するSTMです。表面原子の拡散、表面相転移、触媒反応のその場観察などに用いられます。
大気圧STM / 液中STM: 特殊な探針やフィードバック機構を用いることで、大気中や溶液中でも動作するSTMも開発されています。これにより、電気化学反応や生物試料（DNA、タンパク質など）の観察など、より広い応用が可能になっています。ただし、大気中や液中では原子分解能の維持が難しくなる場合があります。

3.4. STMの応用例

STMは基礎科学から応用技術まで、幅広い分野で活用されています。

表面科学: 表面再構成、表面吸着、触媒反応メカニズム、薄膜成長初期過程の研究。
物性物理学: 低次元電子系（量子井戸、量子細線、量子ドット）の電子状態、超伝導、電荷密度波、コンド効果などの量子現象の原子・ナノスケールでの解明。
材料科学: ナノ材料（グラフェン、カーボンナノチューブ、金属ナノ粒子、トポロジカル物質など）の構造と物性評価、表面欠陥の影響研究、新しい機能性材料の開発。
化学: 表面における分子の吸着構造、表面化学反応、単分子の電子状態・特性評価。
ナノエレクトロニクス: ナノスケールデバイスの特性評価、原子レベルでの回路作製に向けた基礎研究。
生命科学: DNAやタンパク質などの生体分子の構造観察（主に液中STM）。

これらの応用例は、STMが単なる「見る」ツールではなく、ナノ世界の構造、電子状態、そして動的なプロセスを理解し制御するための強力な手段であることを示しています。

第4章：STMの限界と課題

STMは画期的な技術ですが、万能ではありません。その原理や構造に起因するいくつかの限界や課題も存在します。

4.1. 導電性試料の必要性

STMはトンネル電流を利用するため、基本的に導電性の試料しか測定できません。絶縁体や厚い酸化膜で覆われた試料は、トンネル電流が流れないため直接測定できません。これがSTMの最も大きな制約の一つです。絶縁性表面や生体試料の観察には、後述する原子間力顕微鏡（AFM）などの他のプローブ顕微鏡が用いられます。

4.2. 清浄な表面と環境の要求

高性能なSTM測定、特に原子分解能イメージングや原子操作には、原子レベルで清浄な表面と、超高真空・防振・温度安定化といった厳しい環境が求められます。試料準備や装置の維持に高度な技術とコストがかかります。大気中や液中STMも存在しますが、UHV-STMに比べると分解能や安定性が劣る場合があります。

4.3. 探針の品質と影響

STM探針の形状と安定性は、画像の品質に直接影響します。理想的な単一原子先端を持つ探針を得るのは難しく、スキャン中に探針の先端形状が変化したり、試料表面の原子を取り込んでしまったりすることがあります（チップクラッシュやチップチェンジ）。これにより、画像にアーティファクトが生じたり、分解能が低下したりします。二重探針によるアーティファクトもよく知られています。探針の品質管理と、安定した探針を開発・作製する技術は、常にSTM研究における重要な課題です。

4.4. 走査速度

定電流モードではフィードバック応答に時間がかかるため、高速な走査は困難です。原子レベルの画像を撮るには、一般的に1枚の画像に数分から数十分を要します。このため、表面での高速なダイナミクス（例えば、原子の速い拡散や化学反応の瞬間的な変化）をリアルタイムで追跡することは難しい場合があります。定高モードは高速ですが、表面が平坦である必要があります。

4.5. 画像のアーティファクト

STM画像には、探針の状態、振動、熱ドリフト、電子的なノイズ、試料表面の汚染など、様々な要因によるアーティファクトが含まれる可能性があります。得られた画像が本当に試料表面の構造や電子状態を反映しているのか、それとも装置や環境の問題によるものなのかを見分けるには、経験と注意深い検討が必要です。

4.6. 複雑な表面構造の解釈

単純な周期構造を持つ表面であれば画像の解釈は比較的容易ですが、不規則な欠陥や複雑な分子構造、複数種類の原子が混在する表面などでは、得られた画像が表面のどの特徴を反映しているのかを正確に判断するのが難しくなる場合があります。前述のSTSや理論計算との組み合わせが重要になります。

これらの限界があるにもかかわらず、STMは他の方法では得られない独自の情報を提供するため、多くの研究分野で不可欠なツールとして活用され続けています。また、これらの限界を克服するための新しい装置開発や測定手法の研究も継続的に行われています。

第5章：STMの遺産 – SPMファミリーの誕生

STMの発明は、その後の顕微鏡技術に大きな影響を与えました。STMで確立された「鋭利な探針を試料表面に原子間距離まで接近させ、探針と試料間の相互作用を検出して表面を走査する」という基本的なアイデアは、様々な種類の「走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）」を生み出すきっかけとなりました。STMは、SPMファミリーの最初の、そして最も有名なメンバーと言えます。

SPMの代表的なものには以下のようなものがあります。

原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscope）： STMの発明者であるビニッヒらが1986年に開発しました。AFMは探針と試料表面の間に働く原子間力（ファンデルワールス力、クーロン力など）を検出します。探針の先端に取り付けられたカンチレバー（微小な片持ち梁）のたわみや振動の変化をレーザーなどで検出し、それを一定に保つように探針の高さを制御しながら走査します。AFMの最大の利点は、導電性の試料だけでなく、絶縁体や液体中の試料も測定できることです。固体表面の形状測定、高分子、細胞、DNAなどの生体試料観察、ナノ構造の機械的特性評価など、幅広い分野で利用されています。
磁気力顕微鏡（MFM: Magnetic Force Microscope）： 磁性材料でコーティングされた探針を使用し、探針と試料表面の間に働く磁気力を検出して表面の磁気構造をマッピングします。ハードディスクや磁気メモリなどの研究開発に用いられます。
ケルビンプローブ力顕微鏡（KPFM: Kelvin Probe Force Microscope）： 表面の仕事関数の分布を測定します。試料表面の電位の不均一性をナノスケールで評価でき、半導体デバイスや有機EL材料などの研究に有用です。
走査型近接場光学顕微鏡（SNOM / NSOM: Scanning Near-field Optical Microscope）： 探針の先端に開口部やナノ構造を設け、試料表面の非常に近傍（光の波長より短い距離）で光をやり取りすることで、光の回折限界を超えた高分解能の光学像を得ます。

これらのSPM技術は、それぞれ異なる種類の探針と検出原理を用いることで、試料表面の様々な物理的性質（形状、電気伝導性、磁気特性、機械的特性、光学特性など）をナノスケールで測定することを可能にしました。STMは、このナノ世界の多角的な探査を可能にするSPM技術群の礎となった、まさに革命的な発明だったと言えます。

終章：未来への展望

STMの発明から40年以上が経過しましたが、その研究開発は今なお続いています。より高い安定性、より高速な走査速度、より精密な原子操作、そしてより広い環境（高温・高圧、液体中など）への対応を目指した装置開発が進められています。また、STMと他の測定技術（例：原子間力顕微鏡、光分光、電子エネルギー損失分光など）を組み合わせた複合装置の開発も行われています。

基礎研究の分野では、新しいナノ材料（トポロジカル絶縁体、二次元物質、分子性導体など）の物性研究において、STM/STSは不可欠なツールであり続けています。原子操作技術は、量子コンピュータやナノマシンといった将来技術の実現に向けた究極のナノファブリケーション手法として、その可能性が追求されています。単一分子レベルでの化学反応のメカニズム解明や、表面触媒における活性サイトの同定など、化学分野での応用もさらに深まっています。

STMの魅力は、単に原子が見えるという驚きに留まりません。それは、私たちが物質の最も基本的な構成要素である原子と、直接対話し、その振る舞いを理解し、さらには意図的に操作する能力を手に入れたことを意味します。これは、科学技術の歴史における偉大な一歩であり、ナノテクノロジーという新しい時代の幕開けを告げるものでした。

STMは、量子力学という非直感的な原理が、いかに私たちの世界を理解し、制御するための強力なツールとなりうるかを示す好例です。精密な工学技術と最先端の物理原理が見事に融合したSTMは、これからも原子の世界を探求し、新しい科学技術を創造していく上での羅針盤であり続けるでしょう。

まとめ

本稿では、走査型トンネル顕微鏡（STM）の魅力とその基礎知識について詳細に解説しました。

STMの魅力とは：
* 個々の原子を直接「見る」ことができる究極の解像度。
* 個々の原子を意図した場所に移動させたり配置したりできる原子操作能力。
* 表面の原子構造だけでなく、その場所の電子状態（局所状態密度）を測定できる走査型トンネル分光（STS）機能。
* 極低温、高磁場、高温、液体中など、多様な環境に対応できる柔軟性。
* ナノテクノロジーの発展に不可欠な、ナノスケールでの観測・操作・評価ツールとしての貢献。

STMの基礎知識：
* 動作原理: 量子トンネル効果を利用。探針と試料間のナノスケールの隙間を電子がトンネルする電流を検出。この電流の距離に対する指数関数的な依存性が原子分解能の鍵。
* 基本構成要素: 探針、試料、圧電素子を用いたスキャナー、トンネル電流を制御するフィードバックシステム、外部振動から遮断する防振システム、清浄環境を保つ真空システム、制御・データ取得システム。
* 測定モード: トンネル電流を一定に保ち探針のZ方向の動きを記録する定電流モード（表面形状に相当）、探針のZ高さを一定に保ち電流変化を測定する定高モード（局所状態密度分布に相当）。
* 画像の解釈: 画像は表面の形状だけでなく、局所状態密度の分布を反映。正確な解釈には注意が必要。
* 試料準備: 導電性試料が必要。原子レベルで清浄かつ平坦な表面を得るための特殊な準備（劈開、スパッタリング＋アニーリングなど）が重要。
* 実験環境: 振動、熱ドリフト、汚染を防ぐための厳しい環境制御（超高真空、防振、温度安定化）が必要。

STMの応用と発展：
* 原子操作による人工ナノ構造作製。
* STSによる表面電子状態の詳細な解析。
* 低温、高磁場など特殊環境での測定。
* 表面科学、物性物理、材料科学、化学、ナノエレクトロニクス、生命科学への幅広い応用。

STMの限界と課題：
* 導電性試料に限定される。
* 厳しい清浄度と環境安定性の要求。
* 探針の品質と安定性の問題。
* 比較的遅い走査速度（動的過程の追跡が困難）。
* 画像のアーティファクトの可能性。
* 複雑な表面構造の解釈の難しさ。

STMの遺産：
* 走査型プローブ顕微鏡（SPM）技術ファミリー（AFM, MFM, KPFMなど）の誕生の基礎となった。

STMは、人間の目が捉えられない極小の世界を可視化し、操作することを可能にした画期的な技術です。その原理は量子力学に基づき、実現には高度なエンジニアリングが必要ですが、これにより私たちは物質の根源に迫り、ナノテクノロジーという新しい領域を切り拓く力を手に入れました。STMはこれからも科学技術の最前線で活躍し続けるでしょう。