原子間力顕微鏡が誘導する原子プロキシミティー場の諸現象

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09440113
• 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): 田村 了 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (20282717)
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / 固体表面 / ナノ構造 / 摩擦力顕微鏡 / グラファイト

Research Abstract

原子間力顕微鏡(AFM)の測定モードには接触型AFM、水平力(摩擦力)顕微鏡、非接触型(nc)AFMがある。このうち、nc-AFMはここ数年の間に、原子尺度の分解能が得られることが実験的に確認され注目されている。また周波数シフトと探針高の関係曲線(フォース分光曲線)が表面上の原子種や結合状態を反映して、著しい原子尺度の依存性を示すことも明らかになりつつある。しかし、このような像の形成機構やフォース分光曲線の基礎は理解されておらず、定量解析の基礎が未だ存在しない。
本研究ではこのようなnc-AFMの理論的な機構を探るため、カンチレバーの振動状態が探針・表面間の極めて非線形な相互作用によってどのような影響をうけるかを明らかにする。さらに両者に働く全合成力と探針・表面の接触領域での各原子上での力の分布、探針の動的あるいは歪みエネルギーの散逸の効果を詳細に調べる。これらを基に非経験的な電子状態理論からnc-AFM像およびフォース分光曲線を計算する理論シミュレーション法を開発し、重要な系に応用する。本年度はこの方針にしたがって探針の非線形な動力学を解析し、周波数シフトが探針・表面間の力曲線によってどのように決定されるかを明らかにした。さらにこの原理を用いて、理論的に与えられる探針・表面間力からnc-AFM像をシミュレーションする方法を開発した。また探針の振動エネルギーの散逸機構についても、揺動散逸定理による理論的な導出法を考案した。摩擦力顕微鏡についても、前年に引き続き種々の解析を行った。

Research Products

• [Publications] N.Sasaki and M.Tsukada: "Theoretical Analysis of the Load Dependence of Frictional-Force Microscopy Image Pattern of Graphite Surface" Phys.Rev.B. 57. 3785-3786 (1998)
• [Publications] N.Sasaki, M.Tsukada, S.Fujisawa, Y.Sugawara and S.Morita: "Theoretical Analyses of Atomic-Scale Friction in Frictional-Force Microscopy" Tribology Letters. 4. 125-128 (1998)
• [Publications] M.Tsukada, N.Sasaki, R.Tamura, N.Sato and K.Abe: "Features of the Cantilever Motion in Dynamical Mode AFM" Surface Sci.401. 355-363 (1998)
• [Publications] N.Sasaki and M.Tsukada: "The Relation between Resonance Curves and Tip-Surface Interaction Potential in Noncontact Atomic-Force Microscopy" Jpn.J.Appl.Phys.vol.37. L533-535 (1998)
• [Publications] N.Sasaki, M.Tsukada, R.Tamura, K.Abe, N.Sato: "Dynamics of the Cantilever in Noncontact Atomic Force Microscopy" Appl.Phys.A66. 5287 (1998)
• [Publications] Naruo Sasaki and Masaru 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 (in press). (1999)
• [Publications] 塚田 捷: "「第一原理電子状態計算によるSTM像の解析」「走査プローブ顕微鏡-STMからSPMへ」" 丸善出版, 245 (1998)
• [Publications] N.Sasaki,and M.Tsukada: "Theory of Scanning Probe Microscopy (in press)" (Springer,eds T.Sakurai),