2018 Fiscal Year Annual Research Report
磁気共鳴フォース分光：ナノ磁性粒人工配置の構築と粒間磁気ポテンシャルの非侵襲計測
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18H01805
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
木下 幸則 秋田大学, 理工学研究科, 助教 (10635501)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 磁気力顕微鏡 / マイクロ波 / ナノ磁性粒 / 磁気共鳴 / マニピュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、磁性ナノ粒子の人工配置状態の力学的構築法と、磁気相互作用を非侵襲かつ定量的に計測可能な分光法を確立し、配置に依存した磁性ナノ粒子間の相互作用の解明を目指す。具体的な課題は、以下の3点である。(1)磁性探針の磁気共鳴を用いた、磁気相互作用の定量値抽出法を確立する。(2)磁性探針で磁性ナノ粒子を力学的に水平操作する手法を確立し、粒間距離や粒方位を制御した人工的な粒配置を作製する。(3)磁性粒配置に依存した磁気相互作用の定量値分布を明らかにし、巨視的な磁性との相関を解明する。H30年度は、これら課題遂行のベースとなるマイクロ波導波型・磁気力顕微鏡の試作に関する以下の要素技術開発を行った。
(1)「マイクロ波導波用探針ホルダの設計・作製」 既存の探針ホルダをベースに、導電性磁性探針にマイクロ波を導く探針ホルダを設計・作製した。マイクロ波を探針に導波するためには、高周波ケーブルを探針近くまで這わす必要がある。ケーブル被覆や芯線の張力による振動が探針振動の変位信号に重畳され易いが、配線パターンを数種類比較し、また固定方法を堅固にすることで探針の共振振動周波数帯で影響の無い構造とした。
(2)「磁性ナノ粒子試料の作製」 ナノ磁性粒子をSi基板上に位置操作に適した程よい間隔で分散させる条件を見出した。粒子を配合した溶液の濃度を調整することで、凝集状態ではなく、単一孤立状態の磁性粒試料の作製に成功した。
(3)「導波周波数の調整が可能なマイクロ波マッチング回路の開発」 磁性探針に磁気共鳴周波数に合わせたマイクロ波をサブGHz程度の範囲で調整できるインピーダンスマッチング回路を作製した。磁気共鳴周波数は、磁性体膜の厚さや組成に依存するが、探針毎に導波回路や伝送路長さを変えることなく、マッチング回路の素子定数の調整で探針磁性膜の共鳴励起に十分な強度のマイクロ波の伝達が可能なことを確認した。
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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
初年度の計画はマイクロ波導波型の磁気力顕微鏡の試作機開発に目処を付けることであった。現段階で計画していた主要4課題：(1)マイクロ波の導波が可能な探針ホルダの設計・作製、(2)共振周波数の調整が可能なマイクロ波マッチング回路の開発、(3)磁性ナノ粒子試料の作製条件の最適化、(4)磁性ナノ粒子の力学操作プログラムの開発、に関して、細かい仕様等の調整は必要であるが、ほぼ予定通りの遂行状態であるので概ね順調とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は、(1)前年度に作製したマイクロ波導波型磁気力顕微鏡の試作機の調整、(2)磁気共鳴力検出を用いた磁気力の抽出法の検証、(3)ナノ磁性粒の力学的水平操作条件の絞込み、の3点を推進する。
試作機は、マイクロ波の磁性探針への伝達および磁気共鳴の励起を確認したのち、共鳴周波数に変調を掛けた状態での表面凹凸像と磁気力勾配像の計測を行う。探針の磁気共鳴の確認は、探針振動の共振シフトのマイクロ波周波数依存から検出する。撮像では消磁した永久磁石表面を用い、取得した表面像と磁気ドメイン像にマイクロ波伝播による周期的熱的ノイズが混入しないかを確認する。もし熱の影響がある場合は、マイクロ波のパワーを調整する。パワーを下げると像コントラストも下がるので、パワーと像質の両方で最適化を図る。
磁気力の抽出は、マイクロ波の低周波変調を用いる。磁気共鳴周波数のマイクロ波を低周波数fm（数10～数100Hz）で変調させると、探針に交流磁気モーメントが生じ、これと試料の磁場勾配の積に起因する磁気力が働く。実験では探針の振動を復調した後、fm成分をロックイン検波することで、探針とナノ粒子間に働く磁気力を抽出する。変調周波数と変調強度の調整により、撮像スピードと検出感度の最適化を図る。
ナノ磁性粒の力学操作では、昨年度に導入した顕微鏡コントローラーを用いて、単粒子の水平操作を試みる。ナノ粒子の移動確率は、ナノ粒子と表面間の吸着力とナノ粒子と探針間の力の大小で決まるが、移動確率の粒径依存および探針の振動振幅依存を明らかにし、効率的に高い移動確率を実現する条件を絞り込む。また、大気中での粒操作では、最初の粒操作には、表面との吸着を剥がすために大きな力を要する事が知られている。この初動の移動確率を上げる条件を掴むことがポイントで、この点を基板表面依存も含めて重点的に調べる。
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Research Products
(2 results)
