原子分解能・走査型化学プローブのための能動的非線形バネをもつアクチュエータ

• Project/Area Number: 17040001
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小野 崇人 東北大学, 大学院工学研究科, 助教授 (90282095)
• Project Period (FY): 2005 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥14,800,000 (Direct Cost: ¥14,800,000); Fiscal Year 2006: ¥7,600,000 (Direct Cost: ¥7,600,000); Fiscal Year 2005: ¥7,200,000 (Direct Cost: ¥7,200,000)
• Keywords: アクチュエータ / 微小電気機械 / 圧電アクチュエータ / 走査型プローブ顕微鏡 / 質量分析 / 走査型化学顕微鏡 / 原子分解能 / 電界放出

Research Abstract

走査型化学顕微鏡は、プローブで単一の原子や分子を拾い、その原子を質量分析器に飛ばして化学分析し原子を同定するための顕微鏡である。このプローブでは、表面をみてターゲット分子を拾い、分析器に分子をとばすために、プローブを大きく変位させるアクチュエータの技術が必須である。ダイナミックモードAFMとの併用により、原子分解能で表面像を観察し、化学分析を可能にする。しかし、プローブを大きく動かすアクチュエータは、剛性が小さく、原子間力顕微鏡との併用が困難である。小型のアクチュエータで発生できる力は弱く、プローブのバネ定数を極めて小さくしないと、駆動できないのが問題である。アクチュエータのバネ定数が小さいと、プローブが原子間力で表面に張り付き、動作が不安定になると共に、十分な分解能が得られない。これらの問題を解決するため、アクチュエータの剛性を能動的に変化するアクチュエータを開発した。
原子分解能をもつ走査型化学顕微鏡を実現するには、走査型プローブへの以下のマイクロ・ナノ駆動機構の集積化が不可欠である。(1)ダイナミックモードで原子像を得るための、20N/m以上のバネをもつ駆動機構。(2)原子を化学分析する際に大きく動作させるための、30μm以上の大変位駆動機構。そこで本研究では、非線型バネを有した圧電アクチュエータを開発し、走査型化学顕微鏡に集積化した。この大変位機構は、化学分析のためにプローブ探針を電界放出用電極近傍に持ってくるために非常に重要な役割を果す。また、表面像を観察する際には、バネを硬くし、ダイナミックに振動させて、その共振周波数の変化あるいは振幅の変化を利用してイメージングできる。このアクチュエータ構造で、50μmの大きな変位を達成した。また、先端に圧電の振動センサを集積化し、原子間力顕微鏡に応用できることを示した。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication and characterization of an integrated Schottky emitter array for multi-bean lithography applications (2007)
  • Author(s): C.H.Tsai
  • Journal Title: IEEE Microelectromechanical systems 20 Pages: 373-376
• [Journal Article] Microcantilever with integrated actuator for nanoscale analysis (2006)
  • Author(s): T.Ono
  • Journal Title: Actuator A4.5 Pages: 163-166
• [Journal Article] Microassembling of silicon-based microstructures based on field-assisted glass melting and bonding (2006)
  • Author(s): H.Seki
  • Journal Title: Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology B32 Pages: 1-4
• [Journal Article] Fabrication and characterization of high aspect ratio microcoils using silicon lost molding process (2006)
  • Author(s): Y.Jiang
  • Journal Title: Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology B15 Pages: 1-4
• [Journal Article] Fabrication and characterizations of a monolithic PZT microstage (2006)
  • Author(s): H.Xu
  • Journal Title: Microsystem technology 12 Pages: 883-890
• [Journal Article] Microcantilever with integrated actuator for nanoscale analysis (2006)
  • Author(s): Y.Kawai
  • Journal Title: International conference on nanoscience and technology 119 Pages: 1-2
• [Journal Article] High-Density Ferroelectric Recoding Using Diamond Probe with Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy (2006)
  • Author(s): Hirokazu Takahashi, Atsushi Onoe, Takahito Ono, Yasuo Cho, Masayoshi Esashi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 45・3A Pages: 1530-1533
• [Journal Article] Piezoelectric actuator integrated cantilever with tunable spring constant for atom probe (2006)
  • Author(s): Y.Kawai, T.Ono, E.Meyer, Ch.Gerber, M.Esashi
  • Journal Title: Proceedings of IEEE workshop on Micro Electro Mechanical Systems 19 Pages: 778-781
• [Journal Article] Imaging of acoustic emission from vibrating micro/nano structures (2006)
  • Author(s): T.Ono, S-J.Kim, M.Esashi
  • Journal Title: Proceedings of IEEE workshop on Micro Electro Mechanical Systems 19 Pages: 242-245
• [Journal Article] Reversible electrical modification on conductive polymer for proximity probe data storage (2005)
  • Author(s): Shinya Yoshida, Takahito Ono, Shuichi Oi, Masayoshi Esashi
  • Journal Title: Nanotechnology 16 Pages: 2516-2520
• [Journal Article] Piezoactuator-integrated monolithic microstage with six degrees of freedom (2005)
  • Author(s): De-Yuan Zhang, Takahito Ono, Masayoshi Esashi
  • Journal Title: Sensors and Actuators A 122 Pages: 301-306
  • NAID: 120002338942
• [Journal Article] Si multiprobes integrated with lateral actuators for independent scanning probe applications (2005)
  • Author(s): Yoomin Ahn, Takahito Ono, Masayoshi Esashi
  • Journal Title: Journal of Micromechanics and Microengineering 15 Pages: 1224-1229