原子間力顕微鏡による活性な清浄表面の単原子観察条件の研究

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450018
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 菅原 康弘 大阪大学, 工学部, 助教授 (40206404)
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / 原子間力 / 清浄表面 / 単原子観察 / 半導体表面 / 引力 / ダングリングボンド / 化学結合

Research Abstract

1)現有の原子間力顕微鏡の超高感度化
探針先端に働く非常に微弱な引力勾配を高感度に測定するためには、探針の振動振幅を超安定に保持しながら、探針の共振周波数の変化を高感度に検出する必要がある。そこで、まず、変位検出感度0.2Åの現有の光干渉計を改良し、超高感度な変位検出を実現した。具体的には、ノイズ成分の極めて少ない光源と超安定な駆動回路を購入し、検出感度0.05Åの超高感度な光干渉計を実現した。また、現有の周波数変調回路(検出感度0.1Hz)を改良し、超高感度(検出感度0.01Hz)な周波数検出を実現した。
2)探針の先鋭度や清浄度を評価する装置の付加
活性な半導体清浄表面に対して安定な単原子観察を実現するには、原子レベルで先鋭で清浄な探針を使用することが必要不可欠である。そこで、現有の超高真空原子間力顕微鏡に探針の清浄度と先鋭度を評価する装置を付加した。なお、上記の探針評価には導電性が必要であるが、導電性シリコンから作られる探針を使用することにより解決する。
3)活性な半導体清浄表面に対する単原子観察条件の理論的検討
引力領域で原子分解能を実現するためには、探針先端を試料表面に原子間距離に相当する間隔(5Å以下)まで近づける必要があると予想される。しかし、このような距離では、探針先端の原子と試料表面のダングリングボンド(共有結合が切れている活性な不飽和結合手)とが相互作用し、引力勾配が急激に大きくなる。この引力勾配が板バネのバネ定数より大きくなると、探針が試料側に突然ジャンプし接触してしまう。従って、探針先端を活性な試料の極近傍まで近づけるためには、ジャンプが起こらないように引力勾配よりも大きなバネ定数の板バネを選定する必要がある。そこで、活性な半導体清浄表面を原子分解能で測定するために必要な引力勾配の大きさについて理論的に検討し、10N/m以上であることを見いだした。

Research Products

• [Publications] Y.Sugawara et al.: ""True atomic resolution imaging with noncontact atomic force microscopy"" Appl.Sur.Sci.Vol.113/114. 364-370 (1997)
• [Publications] M.Abe et al.: "Measurement of the Evanescent Field Using Noncontact Mode Atomic Force Microscope"" Opt.Rev.Vol.4,No.1B. 232-235 (1997)
• [Publications] T.Uchihashi et al.: ""Charge Dissipation on Chemically Treated Thin Silicon Oxide in Air"" Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36,No.6A. 3755-3758 (1997)
• [Publications] T.Uchihashi et al.: ""Development of ultrahigh vacuum atomic force microscopy with frequency modulation detection and its application to electrostatic force measurement"" J.Vac.Sci.Technol.B. Vol.15,No.4. 1543-1546 (1997)
• [Publications] M.Abe et al.: ""Detection mechanism of optical evanescent field using a noncontact mode Atomic force microscope with a frequency modulation detection method"" J.Vac.Sci.Technol.B. Vol.15,No.4. 1512-1515 (1997)
• [Publications] N.Sasaki et al.,: ""Analysis of frictional-force image patterns of a graphite surface"" J.Vac.Sci.Technol.B. Vol.15,No.4. 1479-1482 (1997)
• [Publications] J.Ohgami et al.: ""Growth of Two-Dimensional Nucleus on a Cleaved (010) Surface of (NH_2CH_2COOH)_3・H_2SO_4"" J.Phys.Soc.Jpn.Vol.66,No.9. 2747-2750 (1997)
• [Publications] T.Uchihashi et al.: ""Role of a convalent bonding interaction in noncontact-mode atomic-force microscopy"" Phys.Rev.B. Vol.56,No.16. 9834-9840 (1997)
• [Publications] R.Nishi et al.: ""Simulated Computed Tomography for Reconstruction of Vacancies from Atomic Force Microscope Image"" Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36,No.10B. L1410-L1412 (1997)
• [Publications] M.Abe et al.: ""Force Imaging of Optical Near-Field Using Noncontact Mode Atomic Force Microscopy"" Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37,No.2A. L167-L169 (1998)
• [Publications] H.Ueyama et al.: ""Stable operation mode for dynamic noncontact atomic force microscopy"" Appl.Phys.A. Vol.66 (in press). (1998)