原子間力プローブによる力学的相互作用の理論

• Project/Area Number: 11226201
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 塚田 捷 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (90011650)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡崎 進 岡崎国立共同研究機構, 計算科学研究センター, 教授 (70194339) ; 田村 了 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (20282717) ; 渡辺 聡 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (00292772)
• Project Period (FY): 1999 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥59,000,000 (Direct Cost: ¥59,000,000); Fiscal Year 2002: ¥13,600,000 (Direct Cost: ¥13,600,000); Fiscal Year 2001: ¥18,400,000 (Direct Cost: ¥18,400,000); Fiscal Year 2000: ¥11,000,000 (Direct Cost: ¥11,000,000); Fiscal Year 1999: ¥16,000,000 (Direct Cost: ¥16,000,000)
• Keywords: 非接触原子間力顕微鏡 / 表面構造 / 分子間相互作用 / 表面間相互作用 / 探針・表面相互作用力 / 原子間力プローブ / 摩擦素過程 / タンパク質分子 / ナノ力学

Research Abstract

非接触原子間力顕微鏡(nc-AFM)の機構を理論的に解明し、第一原理計算に基づく像の定量的解析法を開発した。すでに完成させた第一原理法による理論シミュレーションプログラムを適用して、Si(111)√<3>×√<3>-Ag表面のnc-AFM像を理論的に再現し、その温度依存性を説明することに成功した。この表面は室温では二つの構造が熱的に揺らいでいるが、その動的揺らぎの探針による影響を考慮すると、実験像の温度依存性を良好に再現することが示された。また温度が低い場合に、探針の高さによって表面の二つの構造間の変化が誘導されることが示された。清浄および水素終端Si(100)表面について、像の理論シミュレーションを実行した。水素終端したSi探針では探針が水素終端Si(100)表面に接近する時、明暗が反転する。これは、探針と表面の水素原子の間の力が引力から斥力に転じる傾向のためである。清浄Si(100)表面の場合、活性なSi探針の接近によって表面ダイマーが突然反転する現象を見出し、このような探針によって誘起される表面原子の不可逆構造変化とエネルギー散逸の関係を、理論的に明らかにした。さらにSi(111)探針の頂点にAg原子が吸着する場合、側面がより安定な構造であることを見出した。カンチレバー振動の動力学における電気回路制御系を含めてモデル化する理論を開発し、これを用いた数値シミュレーションを実行した。探針振動の散逸像と幾何学的凹凸像とのずれの起原や、その走査速度依存性などについての理解が得られた。探針と表面の間に両端を固着されたタンパク質分子の分子動力学シミュレーションプログラムを開発し、これを用いてポリアニリン分子の力-延伸曲線を数値シミュレーションした。実験で得られる特徴的な構造を、ある程度再現した。

Research Products

• [Publications] N.Miura: "Theoretical Analysis of Tip Effect on Noncontact Atomic Force Microscopy Image of Si(100))2×1 : Surface"Jpn.J.Appl.Phys. 41. 306-308 (2002)
• [Publications] Y.Kasahara: "Structure and electronic states of capped carbon nanotubes by a tight-binding approach"Phys.Rev.B. (印刷中)(発表予定).
• [Publications] M.Gautier: "Interplay between Nonlinearity, Scan Speed, Dapming and Electronics in Frequency Modulation Atomic-Force Microscopy"Phys.Rev.Lett.. 89. 1461041-1461044 (2002)
• [Publications] H.Kawai: "Time-Fluctuation of the Dimer Structure on a Ge(OO1) Surface Studied by a Monte Carlo Simulation and a First-Principles Calculation"J.Phys.Soc.Jpn.. 71. 2192-2199 (2002)
• [Publications] N.Sasaki: "Visualization of Thermally Fluctuating Surface Structure in Noncontact Atomic-Force Microscopy and Tip Effects on Fluctuation : Theoretical Study of Si(111)-√<3>×√<3>-Ag Surface"Phys.Rev.Lett.. 88. 0461061-0461064 (2002)
• [Publications] N.Watanabe: "Efficient method for simulating quantum electron dynamics under the time-dependent Kohn-Sham equation"Phys.Rev.E. 65. 0367051-0367056 (2002)
• [Publications] 塚田捷: "表面分析技術選書 ナノテクノロジーのための走査プローブ顕微鏡"丸善出版 表面科学会編. 20 (2002)
• [Publications] M.Gauthier: "Dynamics of the cantilever in noncontact dynamic force microscopy : The steady-state approximation and beyond"Physical Review B. 64. 085409-1-085409-9 (2001)
• [Publications] N.Sasaki: "Simulation of interaction force between Si tip and Si(111) 【square root】3×【square root】3-Ag surface of IET structure in noncontact AFM"Surface Science. 493. 188-193 (2001)
• [Publications] Y.Nakamura: "Theoretical study on the structural phase transition of Si(111)【square root】3×【square root】3-Ag surface"Surface Science. 493. 206-213 (2001)
• [Publications] Y.Gohda: "Total energy distribution of field-emitted electrons from Al(100) surface with single-atom terminated protrusion"Physical Review Letter. 87. 177601-1776014 (2001)
• [Publications] S.Miura: "Path integral molecular dynamics based on pair density matrix approximation : An algorithm for distinguishable and identical particle systems"J. Chem. Phys.. 115. 5353-5361 (2001)
• [Publications] T.Mikami: "Quantum effect of solvent on molecular vibrational energy relaxation of solute based upon path integral influence functional theory"J. Chem. Phys.. 115. 9797-9807 (2001)
• [Publications] R.Tamura: "Relation between transmission rates and the wave functions in carbon nanotube junctions"Phys.Rev.B. 61. 8548-8560 (2000)
• [Publications] Y.Yoshimoto: "Ge (001) surface reconstruction studied using a first-principles calculation and a Monte Carlo simulation"Phys.Rev.B. 61. 1965-1970 (2000)
• [Publications] N.Sasaki: "Theoretical simulation of noncontact AFM images of Si (111) √3×√3-Ag surface based on Fourier expansion method"Appl.Surf.Sci.. 157. 367-372 (2000)
• [Publications] K.Tagami: "First-Principles study of vibrational spectra on dihydride-terminated Si (001) /H surfaces"Surface Sci.. 446. L108-L112 (2000)
• [Publications] K.Tagami: "A Tight-Binding Study of Chemical Interaction of Nanotube Tip with Si (001) Surface"J.Phys.Soc.Jpn.. 69. 3937-3942 (2000)
• [Publications] M.Gauthier: "Damping Mechanism in Dynamic Force Microscopy"Phys.Rev.Lett.. 85. 5348-5351 (2000)
• [Publications] N. Sasaki and M. Tsukada: "New Method of Noncontact AFM Image Simulations"Jpn. J. Appl. Phys.. 38. 192-194 (1999)
• [Publications] N. Sasaki and M. Tsukada: "Theory for the effect of the tip-surface interaction potential on atomic resolution in forced vibration system of noncontact AFM"Appl. Surf. Sci.. 137/3-4. 339-343 (1999)
• [Publications] H. Aizawa, M. Tsukada, N. Sato and S. Hasegawa: "Asymmetric Structure of the Si(111)-√<3>×√<3>-Ag Surface"Surface Sci.. 429. 509-514 (1999)
• [Publications] M. Ganthier and M. Tsukada: "Theory of non-contact dissipation force microscopy"Phys. Rev. B. 60. 11716-11722 (1999)
• [Publications] M. Tsukada, N. Kobayashi, M. Brandbyge and S. Nakanishi: "Physics of Artificial Nano-Structures on Surfaces"Progr. Surf. Sci.. (in press).
• [Publications] N. Sasaki, H. Aizawa and M. Tsukada: "Theoretical simulation of noncontact AFM images of Si(111)_3×√<3>-Ag surface based on Fourier expansion method"Appl. Surf. Sci.. (in press).
• [Publications] N. Sasaki, H. Aizawa and M. Tsukada: "Fourier Expansion Method for Noncontact AFM Image Simulations - Application to Si(111)√<3>×_3-Ag Surface"J JAP L.. (in press).
• [Publications] 佐々木成朗、塚田捷: "原子間力顕微鏡における微視的凝着の理論"日本溶接学会誌. 2月号.
• [Publications] N. Yoshii, R. Miyauchi, S. Miura and S. Okazaki: "A Molecular dynamics study of equation of state of water using a fluctuating charge model"Chem. Phys. Lett.. (in press).
• [Publications] W. Shinoda and S. Okazaki: "Molecular dynamics study of the dipalmitoyl phosphatidylcholine bilayer in the liquid crystal phase : An effect of the potential force fields on the membrane structure"J. Mol. Liq.. (in press).
• [Publications] Y. Suwa, A. Yajima, M. Tsukada, S. Watanabe, M. Ichimura, T. Onogi and T. Hshizume: "Electronic Structures of Atomic Wires on a H-Terminated Si(100) Surface"Transactions Material Research Society of Japan. 24. 213-216 (1999)
• [Publications] Y. Suwa, T. Hitosugi, S. Matsuura, S. Watanabe, S. Heike, T. Hashizume and T. Onogi: "Theoretical Study of Diffusion of Ga Atoms on a H-Terminated Si Surface"Transactions Materials Research Society of Japan. 24. 2217-220 (1999)