A novel scanning probe microscope for simultaneous measurement of magnetic and surface images using an MI sensor as an STM probe
| Project/Area Number |
22K04131
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | Sendai National College of Technology |
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Principal Investigator |
林 忠之 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (80310978)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立木 実 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (50318838)
何 東風 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (60391223)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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| Keywords | 走査磁気顕微鏡 / 磁気インピーダンスセンサ / プローブ / アモルファスワイヤ / 磁気像 / 走査トンネル顕微鏡 / 空間分解能 / 磁場分解能 / 走査プローブ顕微鏡 / MIセンサ / 磁気インピーダンス効果 |
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| Outline of Research at the Start |
磁気インピーダンス(MI)センサによる磁場分布と走査トンネル顕微鏡(STM)による試料表面形状を同時に計測できる新奇な走査プローブ顕微鏡を創成する。
MIセンサのFeCoSiBアモルファスワイヤの先端をマイクロ化学研磨法で探針(プローブ)化し、その導電性を生かしてトンネル電流を得る斬新なアイデアを採用する。プローブ先端で試料の磁束を局所的に集束するため、その先端径であるナノメートルオーダの空間分解能が実現できる。
従来の磁気プローブ顕微鏡では未踏の、高磁場分解能・高空間分解能・室温から極低温までの温度レンジ・高磁場中測定というハイスペックな微細磁場測定が可能となる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気記録の高密度化やスピントロニクスの新たな発展にともなう磁性材料研究分野や、高温超伝導低損失電力ケーブル開発、量子コンピュータ・粒子加速器といった最先端超伝導デバイス研究分野において、ナノメートルオーダの微細磁気評価の重要性が高まっている。
微弱な磁場分布を、定量的に高空間分解能をもって評価でき、かつ試料の極低温までの温度スキャンと測定中の磁場スキャンを可能とする新奇な走査プローブ顕微鏡の開発を進めた。 磁気インピーダンス(MI)センサによる磁場分布と走査トンネル顕微鏡(STM)による試料表面形状を同時に計測できる走査プローブ顕微鏡(STM-MI顕微鏡)である。
MIセンサのFeCoSiBアモルファスワイヤの先端を探針(プローブ)化し、その導電性を生かしてトンネル電流を得る。プローブ先端で試料の磁束を局所的に集束するため、その先端径に匹敵した空間分解能が実現できる。
2023年度の実績は、① 磁場分解能向上のためのMIセンサ改良、② グラジオメータ化によりシールドレス環境での磁場測定ができるMIセンサエレクトロニクス開発、③ MIセンサのSTMアタッチメント改良、④ STM-MIによる室温大気試料の表面形状像と磁気像の同時描出である。
先端をカッティングしたプローブを用いて、導電膜を蒸着した磁気カードの磁気パターンとSTM像を描出することができた。マイクロ電気化学研磨により製作した先端径100 nm以下のファインプローブにより、さらなるファインな磁気パターンの検出実験を行ったが、明瞭な画像を得ることには至らなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度に行った、室温試料を用いたSTM-MIの動作確認試験で課題にあがった、磁場分解能の改良を検討した。アモルファスプローブ先端からコイルまでの長さが問題となっており。コイルをできる限りプローブ先端に配置して、コイルまでの部分で漏洩する磁束を低減させるために、コイル形状とコイルへのプローブの挿入方法ならびにアタッチメントを検討した。Φ0.05mm極細線のコイル長1.5mm、コイル径～Φ0.8mmのハンドメード中空コイルを採用した。Φ0.1mmのアモルファスワイヤのプローブを中空コイルに挿入し、片端をSTMのために電気配線できるアタッチメント製作し、大気室温試料を用いた基本性能確認のために、現有の走査プローブ顕微鏡にマウントした。
グラジオメータ化によりシールドレス環境での磁場測定ができるセンサエレクトロニクスを製作した。
先端をカッティングしたプローブを用いて、導電膜を蒸着した磁気カードの磁気パターンとSTM像を同時描出することができた。マイクロ電気化学研磨により製作した先端径100 nm以下のファインプローブにより、さらにファインな磁気パターンの検出実験を行ったが、明瞭な画像を得ることに至らなかった。
順調に進んだ場合、6Kの極低温までの温度スキャンと10mTまでの磁場スキャンを可能とするSTM-MI顕微鏡の動作を確認し、イットリウム系およびビスマス系高温超伝導線材の微細磁気構造評価を試みる予定であったが、そのフェーズには達しなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
MIセンサによる磁場分布とSTMによる試料表面形状を同時に計測できる走査プローブ顕微鏡、STM-MI顕微鏡を開発し、検出感度（磁場分解能）と空間分解能の評価実験を進める。
2023年度に行った、室温試料を用いたSTM-MIの動作確認試験で課題にあがった、マイクロ電気化学研磨により製作した先端径100 nm以下のファインプローブにより、ファインな磁気パターンの検出実験を精力的に行う。化学研磨によるワイヤの特性改質の可能性があるため、化学研磨法の見直しや、実績のあるパーマロイの探針からMIセンサに磁束を伝達するセンサ構造に変更することも行っていく。センサエレクトロニクスのフィードバックパラメータの最適化を行い、走査プローブ顕微鏡用の標準試料を採用し、的確に試料の凹凸像を得る。往復電流路の薄膜パターンを試料として、形状像と磁気像の同時計測を確認し、有限要素法シミュレーションにより、試料に換算した磁場分解能を定量評価する。
室温における性能評価ののち、6Kの極低温までの温度スキャンと10mTまでの磁場スキャンを可能とするSTM-MI顕微鏡の動作を確認する。イットリウム系およびビスマス系高温超伝導線材の微細磁気構造評価を試みる。のちに、超伝導共振器で用いる高純度ニオブの微細磁気構造評価を試みる。ボルテックスの振る舞いについては、実験とシミュレーションの両面から評価できるようにする。
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Report
(2 results)
Research Products
(1 results)
