国立大学法人千葉大学
千葉大学大学院工学研究院の山田豊和准教授と、同大学大学院融合理工学府博士後期課程の関温杜氏の研究グループは、スピントロニクス（注1）分野において広く利用されている鉄（Fe）を用い、これまで実現が困難とされてきた体心立方結晶表面上に、一次元原子ストライプ構造を人工的に形成できることを世界に先駆けて実験的に実証しました。本研究では、一般的な薄膜作製技術（スパッタ法）の基本原理であるアルゴンイオン照射に着目し、ごく少量のアルゴンイオンをFe(001)表面へ照射することで、アルゴンイオンと表面近傍の鉄原子との非平衡相互作用を巧みに利用し、結晶の格子定数に対応した周期をもつ準安定な一次元原子ストライプ構造を人工的に形成できることを発見しました。本成果は、次世代スピントロニクスデバイスやナノデバイスの高性能化に向けた新たな基盤技術として期待されます。
本研究成果は、2026年8月6日付で、国際学術誌Applied Surface Scienceにオンライン掲載されました。
（論文はこちら：10.1016/j.apsusc.2026.168058）
図：体心立方（BCC）構造をもつ鉄（Fe(001)）表面に、ごく少量のアルゴンイオンを照射することで形成された原子スケールの一次元ストライプ構造。STM観察により、約0.6 nmの周期と約30 pmの凹凸をもつストライプ構造を確認した。（中央：逆フーリエ変換処理後のSTM形状像、右：STM電流像）。
■研究の成果
原子レベルで一次元ストライプ構造を形成する技術は、物質の配列や電子・磁気異方性の制御に欠かせず、表面科学やナノテクノロジー分野で重要な役割を果たしています。これまで、金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）などの面心立方（FCC: face-centered cubic）結晶では、一次元原子溝構造が自発的に形成されることが知られていました。一方、体心立方（BCC: body-centered cubic）結晶では形成は困難と考えられていました。
本研究では、本学で開発した走査トンネル顕微鏡（STM）（注２）を用いて超高真空・室温環境で観察した結果、Fe(001)表面に対して表面原子数の10分の1以下という極めて少量のアルゴンイオンを照射するだけで、これまで知られていなかった一次元原子ストライプ構造が形成されることを発見しました。
詳細な解析から、本構造はイオン吸着による表面応力増大、イオン衝突ではじき出され拡散する鉄原子の結晶方位〈100〉方向への優先移動という非平衡プロセスにより形成されることが判明しました。その結果、表面原子が表面法線方向へ約30 pm（鉄の格子定数287 pmの約10％）変位して表面応力が緩和し、格子定数に応じた周期の一次元ストライプ構造が自己組織的に形成されます（図参照）。さらに、室温で安定に存在する一方、加熱によって消失することから、熱力学的な平衡構造ではなく、非平衡プロセスによって形成される準安定構造であることが判明しました。
■今後の展望
本成果は、BCC結晶表面における新たなナノ構造形成手法を示すものであり、物質の配列や配向、異方性の制御に新たな可能性を拓くものです。今後は、スピントロニクスデバイスや原子レベルデバイスの高機能化・実用化への応用が期待されます。
■用語解説
注1）スピントロニクス：電子の電荷だけでなく、磁石の性質である「スピン」も利用して情報を処理・記録する技術分野。従来よりも高効率・高密度なデバイスの実現が期待されている。
注２）走査トンネル顕微鏡(STM)：原子レベルまで尖らせた探針で試料表面をなぞるようにすることで、物質表面を原子分解能で観察できる顕微鏡。原子より小さい1 pm (ピコメートル = 10⁻¹²メートル) の精度で、物質の形状観察や電子状態計測が行える。
■論文情報
タイトル：Atomic-scale one-dimensional winding stripes on Fe(001) induced by Low-dose Ar-ion sputtering
著者：Haruto Seki and Toyo Kazu Yamada
雑誌名：Applied Surface Science
DOI：10.1016/j.apsusc.2026.168058
■研究プロジェクトについて
本研究は、JSPS科研費 23H02033、その他複数の民間財団の研究助成金の支援を受け実施しました。
企業プレスリリース詳細へ
PR TIMESトップへ
千葉大学大学院工学研究院の山田豊和准教授と、同大学大学院融合理工学府博士後期課程の関温杜氏の研究グループは、スピントロニクス（注1）分野において広く利用されている鉄（Fe）を用い、これまで実現が困難とされてきた体心立方結晶表面上に、一次元原子ストライプ構造を人工的に形成できることを世界に先駆けて実験的に実証しました。本研究では、一般的な薄膜作製技術（スパッタ法）の基本原理であるアルゴンイオン照射に着目し、ごく少量のアルゴンイオンをFe(001)表面へ照射することで、アルゴンイオンと表面近傍の鉄原子との非平衡相互作用を巧みに利用し、結晶の格子定数に対応した周期をもつ準安定な一次元原子ストライプ構造を人工的に形成できることを発見しました。本成果は、次世代スピントロニクスデバイスやナノデバイスの高性能化に向けた新たな基盤技術として期待されます。
本研究成果は、2026年8月6日付で、国際学術誌Applied Surface Scienceにオンライン掲載されました。
（論文はこちら：10.1016/j.apsusc.2026.168058）
図：体心立方（BCC）構造をもつ鉄（Fe(001)）表面に、ごく少量のアルゴンイオンを照射することで形成された原子スケールの一次元ストライプ構造。STM観察により、約0.6 nmの周期と約30 pmの凹凸をもつストライプ構造を確認した。（中央：逆フーリエ変換処理後のSTM形状像、右：STM電流像）。
■研究の成果
原子レベルで一次元ストライプ構造を形成する技術は、物質の配列や電子・磁気異方性の制御に欠かせず、表面科学やナノテクノロジー分野で重要な役割を果たしています。これまで、金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）などの面心立方（FCC: face-centered cubic）結晶では、一次元原子溝構造が自発的に形成されることが知られていました。一方、体心立方（BCC: body-centered cubic）結晶では形成は困難と考えられていました。
本研究では、本学で開発した走査トンネル顕微鏡（STM）（注２）を用いて超高真空・室温環境で観察した結果、Fe(001)表面に対して表面原子数の10分の1以下という極めて少量のアルゴンイオンを照射するだけで、これまで知られていなかった一次元原子ストライプ構造が形成されることを発見しました。
詳細な解析から、本構造はイオン吸着による表面応力増大、イオン衝突ではじき出され拡散する鉄原子の結晶方位〈100〉方向への優先移動という非平衡プロセスにより形成されることが判明しました。その結果、表面原子が表面法線方向へ約30 pm（鉄の格子定数287 pmの約10％）変位して表面応力が緩和し、格子定数に応じた周期の一次元ストライプ構造が自己組織的に形成されます（図参照）。さらに、室温で安定に存在する一方、加熱によって消失することから、熱力学的な平衡構造ではなく、非平衡プロセスによって形成される準安定構造であることが判明しました。
■今後の展望
本成果は、BCC結晶表面における新たなナノ構造形成手法を示すものであり、物質の配列や配向、異方性の制御に新たな可能性を拓くものです。今後は、スピントロニクスデバイスや原子レベルデバイスの高機能化・実用化への応用が期待されます。
■用語解説
注1）スピントロニクス：電子の電荷だけでなく、磁石の性質である「スピン」も利用して情報を処理・記録する技術分野。従来よりも高効率・高密度なデバイスの実現が期待されている。
注２）走査トンネル顕微鏡(STM)：原子レベルまで尖らせた探針で試料表面をなぞるようにすることで、物質表面を原子分解能で観察できる顕微鏡。原子より小さい1 pm (ピコメートル = 10⁻¹²メートル) の精度で、物質の形状観察や電子状態計測が行える。
■論文情報
タイトル：Atomic-scale one-dimensional winding stripes on Fe(001) induced by Low-dose Ar-ion sputtering
著者：Haruto Seki and Toyo Kazu Yamada
雑誌名：Applied Surface Science
DOI：10.1016/j.apsusc.2026.168058
■研究プロジェクトについて
本研究は、JSPS科研費 23H02033、その他複数の民間財団の研究助成金の支援を受け実施しました。
企業プレスリリース詳細へ
PR TIMESトップへ
情報提供 
