走査型超音波プローブ顕微鏡によるナノスケール分解能弾性・非弾性評価技術の開発

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11555018
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 松田 理 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30239024)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 典孝 セイコーインスツルメンツ株式会社, 基盤技術部, 研究員 ; 稲垣 克彦 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (60301933) ; OLIVER B Wright 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90281790)
• Keywords: 走査プローブ顕微鏡 / 超音波力顕微鏡 / 局所弾性率 / 粘性 / カンチレバーダイナミクス / フォースカーブ / UFM / 吸着力

Research Abstract

本研究は、1nm以下の水平分解能を持つ走査型超音波プローブ顕微鏡の応用の開発と物理の解明を行う。試料・探針カンチレバーの振動に寄与する弾性力・粘性、試料・探針間の表面エネルギーによる吸着力を分離し解析し、それにより固体表面の局所的複素弾性率のGHz領域までの機械的分光を定量的に行うことを目標としている。
本年度は、セイコー電子製の大気中動作原子間顕微鏡(現有)を改造して、カンチレバー支持部分にPZT圧電素子を埋め込み、カンチレバーおよび探針に超音波振動を励起できる走査型超音波プローブ顕微鏡を作製した。製作した超音波顕微鏡により弾性的性質の定性的なマッピング像が得られることを金属薄膜試料等で確認した。走査型超音波プローブ顕微鏡で得られる信号の定量的な解析を目指して、カンチレバーの共振周波数の上および下を含む様々な振動数および様々な振幅を持つ超音波励起下で、試料探針間距離とカンチレバーの変位との関係を示すフォースカーブ測定を行った。超音波励起時のフォースカーブには、特徴的な斥力のジャンプが観測された。また、超音波の振幅に応じて、フォースカーブのヒステリシス特性が変化した。
今年度は、試料-探針間の弾性力、粘性、吸着力およびカンチレバーの弾性、粘性を考慮してカンチレバーのダイナミクスを理論的に解析する。それに基づいてフォースカーブのシュミレーション手法を確立し、実験で得られたフォースカーブから種々の物理量を定量的に求める手法を開発する予定である。また、ZnOを圧電素子として用いてより周波数の高い超音波を用いた測定を行う予定である。