強磁性共鳴を用いた磁気交換力顕微鏡の超高感度化とナノ磁性体の磁気相互作用の解明

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01061
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 李 艶君 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (50379137)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内藤 賀公 大阪大学, 工学研究科, 助教 (90362665)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 走査プローブ顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

原子数個から数十個からなるナノ磁性体は、強い量子サイズ効果を示し、閉じ込められた電子のエネルギー状態とスピン状態は、バルク材料のものとは全く異なる。新しい機能を有するナノ磁性体を思い通りに設計するには、スピン間の交換相互作用の理解が重要である。そこで、本研究は、強磁性共鳴を用いた磁気交換力顕微鏡を駆使して、表面上に構築されたナノ磁性体の原子スケールの交換相互作用を測定し、ナノ構造体を構成する原子数や次元、構造が磁気相互作用にどのように影響するかを解明することを目的とする。
まず、磁気交換力顕微鏡（極低温・超高真空動作）の高感度化と高分解能化を実現するため、カンチレバーの変位検出計の低ノイズ化を実現した。具体的には、光源としてコヒーレント長の長い半導体レーザを導入し、低ノイズ化を実現する。また、光出力をフィードバック回路を用いて安定化し、低ノイズ化を実現した。
次に、従来のカンチレバーに比べて、ばね定数が大きく、共振周波数の高いカンチレバーを導入し、小振動振幅での安定動作を実現した。この結果、探針・試料間の相互作用時間が長くなり、力の検出感度が一桁以上向上した。また、短距離力に対する感度が向上し、空間分解能も向上した。
また、原子操作技術を駆使して、構成原子数の明らかなナノ構造体を絶縁体表面に構築できるようにした。
さらに、磁性体探針と磁性体試料の間の距離を変えながら、カンチレバーの周波数シフトの変調成分を３次元的に測定し、数値計算により、交換力および交換エネルギーを導出できるようにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は、磁気交換力顕微鏡の超高感度化と超高分解能化を実現する様々な要素技術について検討を行った。その結果、まず、カンチレバーの変位検出計の低ノイズ化を実現した。次に、カンチレバーの小振動動作・高周波動作を実現した。また、磁性体探針と磁性体試料の間の距離を変えながら、カンチレバーの周波数シフトの変調成分を３次元的に測定する交換力分光法も開発した。このように、本研究は、おおむね、順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、引き続き、原子操作技術を用いて構成原子数の明らかなナノ構造体を絶縁体表面に再現性よく構築できるようにする。次に、１次元・２次元・３次元のナノ磁性体における磁気交換相互作用の解明を目指す。最後に、ナノ磁性体を構成する個々の原子間の交換相互作用について検討する。

Research Products

• [Journal Article] Subatomic-scale resolution with SPM: Co adatom on p(2 x 1)Cu(110):O (2019)
  • Author(s): R. Turansky, K. Palotas, J. Brndiar, Y. J. Li, Y. Sugawara, I. Stich
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 30 Pages: 095703(1-7)
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/aaf6dc
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct observation of atomic step edges on rutile TiO2(110)-(1×1) surface using atomic force microscopy (2018)
  • Author(s): H. F. Wen, M. Miyazaki, Q. Zhang, Y. Adachi, Y. J. Li, Y. Sugawara
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 20 Pages: 28331-28337
  • DOI: 10.1039/c8cp06156d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Measurement and Manipulation of the Charge State of Adsorbed Oxygen Adatom on Rutile TiO2(110)-1×1 Surface by nc-AFM and KPFM (2018)
  • Author(s): Q. Zhang, Y. J. Li, H. F. Wen, Y. Adachi, Y. Sugawara, R. Xu, Z. H. Cheng, J. Brndiar, L. Kantorovich, and I. Stich
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 140 Pages: 15668-15674
  • DOI: 10.1021/jacs.8b07745
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Local characterization of mobile charge carriers by two electrical AFM modes: multi-harmonic EFM versus sMIM (2018)
  • Author(s): L. Lei, R. Xu, S. Ye, X. Wang, K. Xu, S. Hussain, Y. J. Li, Y. Sugawara, L. Xie, W. Ji, Z.H. Cheng
  • Journal Title: Journal of Physics Communications Volume: 2 Pages: 025013(10)
  • DOI: https://doi.org/10.1088/2399-6528/aaa85f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stable Contrast Mode on TiO2(110) Surface with Metal-Coated Tips Using AFM (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Adachi, E. Arima, Y. Kinoshita, H. Nomura, Z. Ma, L. Kou, Y. Tsukud, Y. Naitoh, Y. Sugawara, R. Xu, and Z. Cheng
  • Journal Title: Ultramicroscopy Volume: 191 Pages: 51-55
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.04.003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct visualization of Oxygen Reaction with Paired Hydroxyl on TiO2(110) Surface at 78 K by Atomic Force Microscopy (2018)
  • Author(s): H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Adachi, M. Miyazaki, Y. Naitoh, Y. J. Li, Y. Sugawara
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Pages: 17395-17399
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b06289
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluorescence detection using optical waveguide collection device with high efficiency on assembly of nitrogen vacancy centers in diamond (2018)
  • Author(s): S.W. Zhang, Z.M. Ma, L. Qin, Y.P. Fu, Y.B. Shi, J. Liu, and Y.J. Li
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 11 Pages: 013007(1-4)
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.11.013007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetometry for precision measurement using frequency-modulation microwave combined efficient photon-collection technique on an ensemble of nitrogen vacancy centers in diamond (2018)
  • Author(s): Z.M. Ma, S.W. Zhang, Y.P. FU, H. Yuan, Y.B. Shi, J. Gao, L. Qin, J. Tang, J. Liu and Y. J. Li
  • Journal Title: OPTICS EXPRESS Volume: 26 Pages: 382-390
  • DOI: org/10.1364/OE.26.000382
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heterodyne Frequency Modulation in Photoinduced Force Microscopy (2018)
  • Author(s): J. Yamanishi, Y. Naitoh, Y. J. Li, and Y. Sugawara
  • Journal Title: Physical review applied Volume: 9 Pages: 024031
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.02403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] KPFM/AFM imaging on TiO2(110) surface in O2 gas (2018)
  • Author(s): E. Arima, H.F. Wen, Y. Naitoh, Y. Sugawara, Y. J. Li
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 29 Pages: 404001(1-6)
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aa815d
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Charge states of O2 adsorbed on rutile TiO2 surface by AFM/KPFS (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, Y. Adachi, H. F. Wen, Q. Zhang, Y. Sugawara
  • Organizer: 5th Global Nanotechnology Congress and Expo
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reversible bond formation between Oxygen atoms vis charge manipulation on rutile TiO2(110) surface (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, H. F. Wen Q. Z. Zhang, Y. Adachi, and Y. Sugawara
  • Organizer: The 3rd Asia-Pacific Symposium on Solid Surfaces & Cross-Strait Symposium on Solid Surfaces (APSSS-3)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The study of local dipole moment and contact potential difference on TiO2(110) surface by AFM (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Z. Zhang, Y. Adachi, Y. Naitoh and Y. Sugawara
  • Organizer: 24th World Nano Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The measurement of local dipole moment and local contact potential difference on rutile TiO2(110) surface by AFM with atomic resolution (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, H. F. Wen Q. Z. Zhang, Y. Adachi, Y. Naitoh, and Y. Sugawara
  • Organizer: Nano 2018 conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The measurement of local dipole moment and local contact potential difference on rutile TiO2(110) surface by AFM (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, H. F. Wen and Y. Sugawara
  • Organizer: 13th International Conference and Exhibition on Materials Science and Engineering, 4th Global nanotechnology Congress and Expo
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The study of local dipole moment and contact potential difference on TiO2(110) surface by AFM (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, H. F. Wen, Q. Z. Zhang, Y. Adachi, Y. Naitoh and Y. Sugawara
  • Organizer: 23rd International Conference on Nanomaterials and Nanotechnology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Separation of Atomic-Scale Spin Contrast on NiO(001) by Magnetic Resonance Force Microscopy (2018)
  • Author(s): Y. Sugawara, E. Arima, Y. Naitoh, and Y. J. Li
  • Organizer: 21st International Conference of Noncontact Atomic Force Microscopy
  • Int'l Joint Research
• [Book] Kelvin Probe Force Microscopy - From Single Charge (2018)
  • Author(s): Y. J. Li, Haunfei Wen, Zong Min Ma, Lili Kou, Yoshitaka Naitoh, and Yasuhiro Sugawara
  • Total Pages: 521
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 978-3-319-75686-8
• [Remarks] 大阪大学大学院工学研究科精密科学・応用物理学専攻 ナノ物性工学領域 菅原・李グループ
  • URL: http://nanophysics.ap.eng.osaka-u.ac.jp/