2018 Fiscal Year Annual Research Report
A study of entropy effect of mechanical properties in matal nanocontacts
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18H01825
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
大島 義文 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80272699)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宮 工 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60610152)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノ接点 / 透過型電子顕微鏡 / 周波数変調 / 力計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属ナノ接点力学特性は、ナノ電子機械システムなどのナノデバイスを設計する上でも、また、摩擦現象を原子スケールで理解する上でも重要な課題である。我々は、室温にて金属ナノ接点のヤング率が減少する傾向を見出すことに成功した。これは接点の原子間結合力が強いという低温での実験報告と矛盾するが、この違いはエントロピー弾性の寄与を考慮すれば説明できると予想した。金属ナノ材料でエントロピー弾性を検証した実験は過去にない。
本研究の目的は、試料温度の低下に対するヤング率や塑性変形過程の振る舞いから、金属ナノ接点のエントロピー効果を明らかにすることである。この目的を達成するため、液体窒素による冷却が可能で、かつ、周波数変調方式の力センサーが組み込まれた超高真空透過型電子顕微鏡用試料観察ホルダーを開発し、異なる温度における金属ナノ接点の弾性定数や塑性変形過程を調べ、モンテカルロ計算との比較からエントロピー効果を議論する。
本研究で特に重要な点は、以下の3点である。1. 周波数変調方式の力センサーを用いて金属ナノ接点の等価バネ定数を求める手法を確立する。そのため、力センサーとして用いる長辺振動水晶振動子の特性（感度、バネ定数、Q値)を精密に測定する。また、得られた実験データを正しく解析する方法を確立する。2. この手法を用いて、金や白金ナノ接点のヤング率サイズ依存性、および、結晶方位依存性について明らかにする。3. 力センサーを組み込んだTEMホルダーに試料を冷却するための機構を組み込んだ新たなTEMホルダーを開発する。
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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
本年度は、波数変調方式の力センサーを組み込んだTEMホルダーを開発し、これを用いて、この方式による金属ナノ接点のヤング率を測定する方法を確立することである。
1. 力センサーとして用いた長辺振動水晶振動子(Lateral Extension Resonator)の特性を評価した。TEMホルダーに取り付けられたLER先端の金属電極に付着したアモルファスカーボンを用いて、LERを共振した時の高分解能TEM像を得ると同時に、LERで生じた電荷量変化をチャージアンプを用いて電圧で読み込み、振幅と電圧の関係、つまり、LERの感度を明らかにした。次に、LERの熱ノイズスペクトルを測定し、(熱エネルギー)=(振動エネルギー)の関係から、LERのバネ定数を高い精度で求めた。これらの値を利用して、金属ナノ接点の等価バネ定数を高い精度で得ることができた。
2. 金ナノ接点のヤング率のサイズ、および、結晶方位依存性を調べた。サイズが小さくなるとヤング率が低下する様子を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の新たに生じた課題を解決するため、力センサーを組み込んだTEMホルダーの改造を行う。具体的には、LERが取り付けられている電極の剛性を高めるため、マイクロメーターによる粗動を止めて、小型の超音波モーターを粗動として用いる。さらに、超音波モーターとLERが取り付けられている電極間の機械的な接合を外せるようにすることで、実験時に超音波モーターが機械的に外れるようにする。これにより、LER先端の電極と対向電極間に架橋した金属ナノ接点を安定して保持できるため、周波数変化などの情報をより正確に測定できると期待している。
この改造により、金や白金ナノ接点のサイズ依存性や結晶方位依存性に関する結論を得る。
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