2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of MEMS Experimental System for in-situ TEM Measurement of mechanical and Thermal Properties in Nano-scale
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17H01049
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
藤田 博之 東京都市大学, 付置研究所, 教授 (90134642)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 政宏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | MEMS / TEM / その場観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 熱伝導試験: 計算機制御の熱測定系における電源やロックインアンプ, 電流計などすべての機器について適正な設定値を決定できた. また, SiO2バルクや, 他の測定方法により既に熱伝導率を測定したシリコン薄膜を測定することで, 測定系の動作を確認できた.
(2) 機械試験: マクロマシンに平面コイル状の回路を集積し, その回路に電圧を印加できるように設計した. 透過型電子顕微鏡の試料には磁場がかかっており, その磁場内で電流を流すことで梁を動かすアクチュエータを作成した. この電磁アクチュエータによって従来の静電アクチュエータより数十倍の力が出せた. この結果は, 学術論文誌であるultramicroscopeに採択された.
(3) DLCの実験: DLCの表面同士を押し付け, 擦り付けると接触界面で摩耗粉が徐々に形成され, その摩耗粉が僅かに滑ったり, 回転している様子をナノスケールで観察できた. 接触点の真応力を計算するとGPaオーダーになっており, 表面が簡単に壊れる様子を観察できた. ナノスケールの摩擦を理解する上で, 接触面の「その場」観察が重要性であることを実証できた. この結果は, 学術論文誌であるnanotechnologyに採択された.
(4)応用探索：応用分野のさらなる拡大と技術の国際展開を目指し、フランスのリール、パリ、カーンの研究機関を訪れて調査した結果、ポリマーナノファイバーの引っ張り試験や、液体中の化学反応をその場観測する研究に関心が高いことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究の最終年度である来年度に向けて順調に進捗している. (1)熱伝導試験について: マイクロマシンにヒーターや熱センサーを集積することで, 接合の熱伝導を観察できる実験系を構築した. 計算機制御により, 大量のデータを能率よく測定することができる. さらに, 概知の試料の計測を行うことで, 系が想定通り機能していることを確認できた. (2)機械試験について: マイクロマシンをTEMに組み込む独自の実験系を開発し, 試料に力を加えながらその変形過程をリアルタイムで観察できる実験系を構築できた. この実験系を用いて, チタン酸ストロンチウム薄膜の破壊試験や, 数nmの直径のAgの接点の機械試験に成功した. また, DLCの面同士の接触面をナノスケールで観察でき, これを学術誌論文として発表できた.
このように, 機械試験に関しては目標とした実験は遂行できた. 熱試験については予定通りの実験系を構築できたので, あとはそれを用いてナノスケールの試料を通過する熱伝導を計測するだけである. また応用分野のさらなる拡大と技術の国際展開関しては, 先方との検討を進めて共同研究に発展させる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は特に以下の4点に取り組む.
(1) ナノギャップ間の熱伝導特性の計測 : ヒーターと熱センサー, さらにヒーター・センサー間のギャップを縮小させるためのアクチュエーターを集積したMEMSデバイスを作製した. さらに, 新しく構築した計測系で交流電流を流し, 変動する抵抗変化をホイーストンブリッジにより検出した. この手法によって, ～1mKの温度変化を検出することが可能になった. プローブステーション内部に液体Heを導入するための整備を完了させ, 極低温での測定も行う. さらに有限平面間における輻射熱伝搬や、平面と垂直方向だけでなく平面方向に伝搬する表面フォノンポラリトンの寄与も考慮した計算を行い, 実験結果と比較することでフォノンをモデル化する.
(2) 機械試験 : ペンシルベニア大学のロバート・カーピック教授と共同で実験結果をモデル化し論文を作成する. ナノ接合にかかる応力を計測すると, マクロスケールの破断応力より50倍程度大きく, 破断応力の理論値の60%の値にもなることが分かった. 過去のTEM観察の結果と比較し, 常温接合が起こっていて接点を破断させるのに大きな応力が必要になったと考えている. このように, 実験結果とうまく合う理論モデルを構築がほぼ完成したので, これを論文にする.
(3) 申請書作成時では, "ナノ"スケールの観察が予定だったが, TEMホルダー設計の工夫によって"原子"スケールの観察が可能になりつつある. ナノスケールの形状変化と力の変化の関係を明らかにするだけでなく, 原子の動きと力の変化を観察できるように実験系を改善する.
(4)応用探索：昨年度の国際研究調査で有望であった,ポリマーナノファイバーの引っ張り試験や,液体中の化学反応をその場観測する研究について,フランス側と連携して予備的な実験を試みる.
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