ピコメートルオーダの熱膨張の2次元分布計測システム

• Project/Area Number: 17656112
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小田川 裕之 東北大学, 大学院工学研究科, 助教授 (00250845)
• Project Period (FY): 2005 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2006: ¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000); Fiscal Year 2005: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
• Keywords: 熱膨張 / SNDM / 2次元分布計測 / 走査型非線形誘電率顕微法 / ピコメートル / 低膨張ガラス

Research Abstract

本研究は、誘電体及び金属のppb/℃レベルの極微小な線膨張係数を計測し、2次元分布を計測できる装置の基礎、及び、プロトタイプの開発を行うものであり、本年度は、次に示す成果を得た。
1.2次元的に走査して分布を計測可能な装置の作製と測定
(1)平成17年度で作製したメカニカルステージを用いた2次元分布計測システムを用いて、熱的な性質が異なるインジウムとニッケルのパウダーを混合して作製した試料を測定し、サブミリメートルの領域で、膨張率の違いを2次元分布として測定することに成功した。
(2)平成17年度で作製したシステムを、より微小領域で計測が可能にするため、走査系に原子間力顕微鏡を用いたシステムの研究を行った。探針に原子間力顕微鏡用のカンチレバーを用いるプローブの作製、レーザダイオードを用いた熱の印加機構を作製し、20kHz以上の断続した光を熱源として熱膨張を測定することに成功した。
(3)本研究の第一ステップとしては、試料表面に金属薄膜を蒸着し、試料内部に電界が進入しない状況で実験を行ったが、より微小な表面の変位を測定するには、金属薄膜を蒸着しない方法が望まれる。しかし、この場合熱による誘電率変化から生じる信号と熱膨張による信号の両方を含んだ計測となる。そこで、それぞれを分離して計測する方法を考案した。今後本研究を発展させ、実際にシステムを作製し有効性を確認する考えである。
2.分解能の実験的検討
作製したシステムを用いて、実験的に分解能を測定した。探針半径7μmの場合、探針-サンプル間距離3μmにおいて、現段階で1nm程度の熱膨張を測定できることが分かった。これは、探針半径25μmの場合3.6pmに相当するものであり、ピコメートルの熱膨張を測定できる可能性を示す結果である。