プローブ顕微鏡用高速アクチュエータの開発

• Project/Area Number: 19016016
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 菅原 康弘 Osaka University, 大学院・工学研究科, 教授 (40206404)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥7,600,000 (Direct Cost: ¥7,600,000); Fiscal Year 2008: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2007: ¥4,000,000 (Direct Cost: ¥4,000,000)
• Keywords: アクチュエータ / 走査型プローブ顕微鏡 / 圧電体 / 制御工学 / Q値制御 / 共振現象 / 逆伝達関数補償 / フィードバック / 走査型プロプブ顕微鏡 / Q 値制御

Research Abstract

溶液中で機能している個々のモータータンパク質分子の時々刻々と変化する微細動態を高速に撮像できる原子間力顕微鏡(AFM)の開発が求められている。原子間力顕微鏡の撮像レートを大幅に向上させるためには、機械的要素であるスキャナーの性能向上が最も重要な課題である。スキャナーの構成要素として圧電体が用いられているが、圧電体自身の共振により、圧電体の応答速度が大幅に低下するため、これまで十分な性能を有する高速スキャナーは開発されていない。そこで、共振を軽減できる高速スキャナーを新たに設計・製作し、このスキャナーが超精密な位置決め精度で超高速に動作することを実証することを目的とした。具体的に行った研究課題は以下のようになっている。
1. 高性能な高速スキャナーの設計・製作
前年度に試作したプローブ顕微鏡用高速スキャナーの特性評価結果と今後の改善方法の指針を元に、スキャナーの構造自体に起因する共振と圧電体自身が持つ共振を軽減できる高速スキャナーを新たに設計・製作する。
2. 超精密な位置決め精度で超高速に動作するスキャナーの実現
アクティブダンピング法や逆伝達関数補償法、変位フィードバック法のためのパラメータを最適化し、300kHzの帯域幅で超高速に駆動できるスキャナーを実現した。
3. 高速撮像の実証
高速スキャナーを現有の高速原子間力顕微鏡に組み込み、高速撮像できることを実証した。

Research Products

• [Journal Article] Influence of Si Cantilever Tip with/without tungsten coating on NC-AFM Imaging of Ge(001)Surface (2009)
  • Author(s): Y. Naitoh, Y. Kinoshita, Y. J. Li, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Nanotechnology (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of atomic force microscope with wide-band magnetic excitation for study of soft matter dynamic (2009)
  • Author(s): M. Kageshima, T. Chikamoto, T. Ogawa, Y. Hirata, T. Inoue, Y. Naitoh. Y. J. Li., and Y. Sugawara
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments 80(2)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic-Scale Imaging of B/Si(111)√<3>×√<3> Surface by Noncontact Atomic Force Microscopy (2008)
  • Author(s): M. Kinoshita, Y. Naitoh, Y. J. Li, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys 47(10B) Pages: 8218-8220
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-speed Phase-Modulation Atomic Force Microscopy in Constant-Amplitude Mode Capable of Simultaneous Measurement of Topography and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, N. Kobayashi, H. Nomura, Y. Naitoh, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys 47(7B) Pages: 6121-6124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study of oxidized Cu(110)surface using noncontact atomic force microscopy (2008)
  • Author(s): S. Kishimoto, M. Kageshima, Y. Naitoh, Y. J. Li, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Surf. Sci 602 Pages: 2175-2182
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase Modulation Atomic Force Microscopy(PM-AFM)in Constant Excitation Mode Capable of Simultaneous Imaging of Topography and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, N. Kobayashi, Y. Naitoh, M. Kageshima, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 92(12)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Investigation on Force Sensitivity in Q-Controlled Phase-Modulation Atomic Force Microscopy in Constant-Amplitude Mode (2008)
  • Author(s): N. Kobayashi, Y. J. Li, Y. Naitoh, M. Kageshima and Y. Sugawara
  • Journal Title: J. Appl. Phys 103(5)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theore tical Investigation on Force Sensitivity in Q-Controlled Phase-Modulation Atomic Force Microscopy in Constant-Amplitued Mode (2008)
  • Author(s): N, Kobayashi・Y, J.Li・Y, Naitoh・M, Kageshima・Y, Sugawara
  • Journal Title: J. Appl. Phys (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase Modulation Atomic Force Microscopy (PM-AFM) in Constant Excitation Mode Capable of Simultaneous Imaging of Topography and Energy Dissipation (2008)
  • Author(s): Y, J.Li・N, Kobayashi・Y, Naitoh・M, Kageshima・Y, Sugawara
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elimination of Instabilities in Phase Shift Curves in Phase Modulation Atomic Force Microscopy in Constant Amplitude Mode (2007)
  • Author(s): Y, Sugawara, et. al.
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 90 Pages: 1941041-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Multi-functional High-speed Phase Modulation AFM with Topography, Energy Dissipation and Elasticity (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, et.al.
  • Organizer: 16th International Conference on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Development of Simultaneous Imaging Method of Viscoelasticity in Multifrequency High-Speed Atomic Force Microscopy (2008)
  • Author(s): T. Takahashi, et.al.
  • Organizer: 16th International Conference on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Local Potential Mapping Using Surface Photovoltage in Liquid (2008)
  • Author(s): N. Kobayashi, et.al.
  • Organizer: 16th International Conference on Scanning Probe Microscopy
  • Place of Presentation: 熱川ハイツ
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Development of Multi-functional High-speed Phase Modulation AFM in Liquids (2008)
  • Author(s): Y. J Li, et.al.
  • Organizer: 5th International Symposium on Surface Science and Nanotechnology
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2008-11-10
• [Presentation] Development of High-speed Phase Modulation AFM in CA mode in Liquid (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, et.al.
  • Organizer: 11^<th> International Conference on Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 2008-09-16
• [Presentation] Development of Multi-functional High-speed Phase Modulation AFM in Liquid (2008)
  • Author(s): Y. J. Li, et.al.
  • Organizer: International Conference on Nanoscience+Technology 2008
  • Place of Presentation: Keystone, USA
  • Year and Date: 2008-07-25
• [Presentation] 不安定性のない振動振幅一定・位相変調方式AFMの提案 (2007)
  • Author(s): 菅原康弘, ら
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-06
• [Presentation] Q値制御法を用いた振動振幅一定モード位相変調方式AFMの解析 (2007)
  • Author(s): 小林成貴, ら
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-06
• [Book] ナノテクのための物理入門 (2007)
  • Author(s): 菅原康弘
  • Total Pages: 239
  • Publisher: 共立出版
• [Remarks]
  • URL: http://nanophysics.ap.eng.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://www.eng.osaka-u.ac.jp/ap1/g3/sugawaralab/