研究テーマ:　結晶表面の原子ステップのダイナミクス
Research: Dynamics of atomic steps on crystal surfaces

共同研究者: 齋藤幸夫さん(慶応大学)， 佐藤正英さん(金沢大学)， 入澤寿美さん(学習院大学)， 松本喜以子さん(成蹊大学)， 三浦均さん(名古屋市立大学)， 本間芳和さん(当時NTT)， 日比野浩樹さん(NTT)， 須藤孝一さん(阪大産研)， 加藤亮さん， 西野賢一朗さん， 近藤信二さん， 川口将司さん， 岸和宏さん．

未来開拓プロジェクト「原子スケール表面・界面ダイナミクス」での「吸着原子の ドリフトによる微斜面ステップの不安定化」についての報告に最近の研究の簡単なまとめ(2001/3: pdf file, 144KB)があります．

移動する粒子源によるパターン形成[Pattern formation with a moving source]

日比野さんたちのSi(111)微斜面へのGa蒸着の実験に触発されて始めた研究です．移動する直線状粒子源に誘導されて櫛状パターンが現れ，周期が粒子源速度で制御できます．周期を決めるのは基本的にはMullins-Sekerka不安定化ですが，粗大化の限界を決めているのはなんと初期ゆらぎの強度です．非線形性とゆらぎがどのような機構で競合，協働するかを明らかにすることが目標です．

• Period of a comblike pattern controlled by adatom supply and noise
  M. Kawaguchi, H. Miura, K. Kishi, M. Sato and M. Uwaha,
  Phys. Rev. E 91, 012409 (9pages) (2015)

• Change in the Branch Period of the Step Pattern Formed by a Moving Linear Source ---Initial Coarsening and Effect of an Abrupt Change in the Velocity---
  S. Kondo, M. Kawaguchi, M. Sato, M. Uwaha
  J. Cryst. Growth, 362, Issue 1, (2013) 6-12
  

• Pattern formation of a step induced by a moving linear source
  S. Kondo, M. Sato, M. Uwaha and H. Hibino
  Phys. Rev. B 84, 045420(7pages) (2011)
  

• Formation of finger-like step patterns on a Si(111) Vicinal Face
  M. Sato, S. Kondo and M. Uwaha
  J. Cryst. Growth, 318, Issue 1, (2011) 14
  
• Instability of Steps during Ga Deposition on Si(111)
  H. Hibino, H. Kageshima and M. Uwaha
  Surf. Sci., 602 No.16 2421-2426 (2008)
  2成分系での新しいステップパターン形成の機構と思われる．

ランダムな2次元的ステップパターンの緩和[Relaxation of two-dimensional random step patterns]

結晶表面上のランダムなステップパターンの緩和過程の研究．迷宮模様の緩和は合金のスピノダル分解と似ているが結晶成長固有の特徴が現れ，ゆらぎが絶妙な役割を果たしていることが見える．

• Relaxation dynamics of labyrinthine submonolayer films
  K. Sudoh, M. Okano, T. Irisawa, K. Katsuno Matsumoto, and M. Uwaha
  Surf. Sci., 609, L1-L4 (2013).
  

• Smoothing of an Atomically Rough Vicinal Surface ---STM Observation and MC Simulation---
  T. Irisawa, K. Matsumoto, K. Sudoh, H. Iwasaki and M. Uwaha
  Surf. Sci., 602, Issue 17, 2880-2885 (2008).
  

微斜面の2次元的パターン形成[2D pattern formation]

• Smoothing of an Atomically Rough Vicinal Surface ---STM Observation and MC Simulation---
  T. Irisawa, K. Matsumoto, K. Sudoh, H. Iwasaki and M. Uwaha
  Surf. Sci., 602, Issue 17, 2880-2885 (2008).
  微斜面の2次元ステップパターンの緩和にステップでの拡散エネルギー障壁が大きな影響を及ぼす．

• Drift-Induced Step Instabilities on Si(111) Vicinal Face near 1X1-7X7 Transition Temperature
  Kenta Ikawa, Masahide Sato, and Makio Uwaha
  J. Phys. Soc. Jpn. 76 No.6 (2007) 064602-1-7
  

• Effect of Two-Dimensionality on Step Bunching on a Si(001) Vicinal Face
  Masahide Sato, Makio Uwaha and Yukio Hirose
  J. Phys. Soc. Jpn., 75, No. 4, (2006) 043601-1-4
  Si(001)でのステップ束の成長速度が2種の面でなぜ反転するかの謎はパターンの2次元性を取り入れることによって解決された．

• Evaporation and impingement effects on drift-induced step instabilities on a Si(001) vicinal face
  M. Sato, M. Uwaha and Y. Saito,
  Phys. Rev. B 72 (2005) 045401-1-9.
  入射や蒸発によってパターンがどのように変化するかの解析．

• "Instabilities of Steps Induced by the Drift of Adatoms and Effect of the Step Permeability",
  M. Sato, M. Uwaha and Y. Saito, Phys. Rev. B 62 (2000) 8452.
  吸着原子のドリフトによる蛇行やバンチングの起きる条件やパターンの特徴などの総合的な研究のまとめが載っている．

• "Instabilities of Permeable Steps Induced by the Drift of Adatoms",
  M. Sato, M. Uwaha and Y. Saito, Surf. Rev. Lett. 7 (2000) 607-611.

• "Pattern Formation in the Instability of a Vicinal Sirface by the Drift of Adatoms",
  M. Sato and M. Uwaha, Phys. Rev. E 60 (1999) 7120.
  蒸発とドリフトのある微斜面の時間発展を記述する2次元の非線形微分方程式を導きその解の様子を調べた．図は不安定化したときに見られるパターン，左がバンチング，右は蛇行とバンチングのが同時に起きる場合．

• "Wandering and Bunching Instabilities of Steps Described by Nonlinear Evolution Equations",
  M. Uwaha and M. Sato, Surf. Rev. Lett. 5 (1998) 841.
  ステップの蛇行とバンチングについての1997年段階でのレヴュー．
  
  

• Motion of step pairs during drift-induced step bunching on a Si(001) vicinal face
  Masahide Sato, Makio Uwaha and Tetsu Takahashi
  J. Cryst. Growth, 303, No.1 (2007) 85-89
  バンチングを起こした二つの面でのステップ対のふるまいの違い．

• Growth of Step Bunches on a Si(001) Vicinal Face with Drift of Adatoms
  M. Sato, T. Mori, M. Uwaha and Y. Hirose, J. Phys. Soc. Jpn., 73, No.7, (2004) 1827-1832

• "Step bunching with alternation of structural parameters",
  M. Sato, M. Uwaha, T. Mori and Y. Hirose, J. Phys. Soc. Jpn 72 (2003) 2850-2855.
  Si(001)微斜面でのバンチングで，拡散係数の異方性の交替とステップの種類の変化によるカイネティ九係数の交替の効果がどのように影響するかを調べた．

• "Step bunching induced by drift of adatoms with anisotropic surface diffusion",
  M. Sato, M. Uwaha and Y. Saito, J. Cryst. Growth 237-239 P.1 (2002) 43-46.
  Si(001)微斜面でのバンチングのモンテカルロシミュレーション．

• "Growth Law of Step Bunches Induced by the Ehrlich-Schwoebel Effect in Growth",
  M. Sato and M. Uwaha, Surf. Sci. 493 (2001) 494.
  ES効果によって成長中にできるステップ束の成長則のシミュレーション．

• "Growth of Permeable Step Bunches Formed by Drift of Adatoms",
  M. Sato, M. Uwaha and Y. Saito, Surf. Sci. 493 (2001) 480.
  このpdfファイルは2ページ足りない．出版社に連絡したので直してくれるでしょう． (直すと返事が来たのにいつになっても直らない．)

• "Growth of Step Bunches Formed by the Drift of Adatoms",
  M. Sato and M. Uwaha, Surf. Sci. 442 (1999) 318.
  吸着原子の流れによって生ずるステップ束の成長則を調べたシミュレーション．蒸発の有無によってベキ則の指数が変化する．

• "Hierarchical Bunching of Steps in a Conserved System",
  M. Sato and M. Uwaha, J. Phys. Soc. Jpn. 67 (1998) 3675.
  蒸発が無視できるときのドリフトによるバンチングの成長則，階層的バンチングの描像により(やや解析的に)導いた．(下図)
  

• "Kinematical Bound States of Steps Caused by Asymmetry in Step Kinetics",
  M. Sato and M. Uwaha, J. Phys. Soc. Jpn. 66 (1997) 1054-1062.
  
• "Nonlinear Effect in Step Bunching Caused by Electric Current"
  M. Sato and M. Uwaha, J. Phys. Soc. Jpn. 65 (1996) 1515-1518.
  吸着原子のドリフトによるステップのバンチングがBenney方程式で記述できることを示した．

• "Sep Bunching as Formation of Soliton-Like Pulses in Benney Equation",
  M. Sato and M. Uwaha, Europhys. Lett. 32 (1995) 639.
  定常的なバンチングの実現を，初めてBenney方程式を導き非線形効果によるパターン形成の問題として理論的に説明した．

• "Morphological Instability Caused by Asymmetry in Step Kinetics",
  M. Sato and M. Uwaha, Phys. Rev. B 51 (1995) 11172-11175.

• "Fluctuations and Instabilities of Steps in the Growth and Sublimation of Crystals",
  M. Uwaha Y. Saito and M. Sato, J. Cryst. Growth 146 (1995) 164-170.

• "Evolution of a Train of Interacting Steps in a Surface Diffusion Field",
  M. Uwaha, J. Cryst. Growth 128 (1993) 92-96.

• "Kinematical Binding Transition of Steps in a Surface Diffusion Field",
  M. Uwaha, Phys. Rev. B 46 (1992) 4364.
  今から見れば単純な話だが，昇華によるステップ対の形成をステップ間斥力まで入れて最初に調べた論文．
  
  

Drift-Induced Step Instabilities Due to The Gap in the Diffusion Coefficient
M. Sato, M. Uwaha and Y. Saito, J. Cryst. Growth (2005) 275/1-2 e129-e134.
Si(001)微斜面での蛇行とバンチングのモデル．

"Step wandering due to the gap in diffusion coefficient on the upper and the lower terraces"
R. Kato, M. Uwaha and Y. Saito, Surface Science, 550 (2004) 149-165
Si(111)面の7X7と1X1の表面構造相転移点付近で成長中に見られる蛇行に，2種のテラス間の拡散係数と平衡原子密度の違いがどのように影響するかを調べた． ステップの運動と相境界の運動が独立に取り入れられている．

"Repulsion-mediated step wandering on a Si(001) vicinal face"
Masahide Sato, Makio Uwaha, Yukio Saito and Yukio Hirose, Phys. Rev. B 67, 125408 (2003)
Si(001)のような拡散の異方性が交替する面で，ステップ上段向きに吸着原子のドリフトがあれば，ステップの位相をそろえた蛇行が起きる． 原因はステップ間斥力による拡散流で，今まで知られていない新しい機構である． この結果は実験とも一致する．

"Step wandering induced by homoepitaxy on Si(1 1 1) during "1×1" x "7×7" phase transition"
H. Hibino, Y. Hommaa, M. Uwaha and T. Ogino, Surface Science, 527 (2003) L222-L228
Si(111)面の7X7と1X1の表面構造相転移点付近で成長中に見られる蛇行の発見． 右図で温度は(a)はTc+2K，(b)はTc-3K，(c)はTc-13K． 下の論文の研究の動機となったもの．

"Step wandering due to the gap in diffusion coefficient on the upper and the lower terraces"
R. Kato, M. Uwaha, Y. Saito and H. Hibino, Surface Science, 522 (2003) 64
Si(111)面の7X7と1X1の表面構造相転移点付近で成長中に見られる蛇行を，2種のテラス間の拡散係数の違いとして解析した． パターン形成に関しては，MBE成長や通電加熱の際の蛇行と共通した非線形方程式が導かれる．

"Step wandering induced by the drift of adatoms in a conserved system",
Masahide Sato, Makio Uwaha, Yukio Saito, and Yukio Hirose, Physical Review B 65 (2002) 245427
Si(111)微斜面などでは通電加熱によって位相のそろったステップの蛇行パターンが観察される． この理論的解析による非線形発展方程式の発見法的導出やモンテカルロ・シミュレーション．

"Morphological Instability of Atomic Steps Observed on Si(111) Surfaces",
Y. Homma, P. Finnie and M. Uwaha, Surface Science 492 (2001) 125
下記の94年の論文の実験的な検証をふくむステップの蛇行不安定化(右の図)の初めての定量的な解析．

"Change of Wandering Pattern with Anisotropy in Step Kinetics",
M. Sato and M. Uwaha, J. Cryst. Growth 198/199 (1999) 38-42.
スティフネスとカイネティクスの異方性が蛇行パターンをどう変えるかを調べた．

"Control of Chaotic Wandering of an Isolated Step by the Drift of Adatoms",
M. Sato M. Uwaha and Y. Saito, Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 4233.
電流を流す向きを変えるとステップのカオス的蛇行が周期構造に変わり，外場の調節によってカオスが制御できるという話． 図で，(a) ドリフトなし，(b) 下段向き(図では上向き)ドリフト，(c) 上段向きドリフトによるカオス，(d) 斜めのドリフトによる周期パターン．

"Power Law Behavior of the Step Roughening with Surface Diffusion",
K. Nishino, M. Uwaha and Y. Saito, Surf. Sci. 374 (1997) 291.
表面拡散場の中でステップの指数関数的ラフニングのベキ則を調べた．

"Anisotropy Effect on Step Morphology Described by Kuramoto-Sivashinsky Equation",
Y. Saito and M. Uwaha, J. Phys. Soc. Jpn. 65 (1996) 3576.
結晶の異方性を取り入れた非線形発展方程式を導出し，それによってカオスが抑えられることを示した.

"Wandering Instability of an Isolated Step with Direct Electric Current"
M. Sato and M. Uwaha, J. Phys. Soc. Jpn. 65 (1996) 2146-2151.
吸着原子のドリフトによってステップの蛇行が起きることを初めて示した．

"Fluctuation and Instability of Steps in a Diffusion Field",
Y. Saito and M. Uwaha, Phys. Rev. B 49 (1994) 10677.
成長中のステップのゆらぎは増幅され昇華中のゆらぎは抑制されることを見出した92年の論文のテラス幅分布の変化などをふくむ詳細な解析．

"Fluctuation of Steps in a Surface Diffusion Field",
M. Uwaha and Y. Saito, J. Cryst. Growth 128 (1993) 87-91.

"Kinetic Smoothing and Roughening of a Step with Surface Diffusion"
M. Uwaha and Y. Saito, Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 224.
ステップの熱平衡ゆらぎは等分配則によって一定と決まっているが，結晶の成長や昇華のさいに表面拡散場の効果によってこれが増幅されたり抑制されたりすることを示した．

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