2018 Fiscal Year Annual Research Report
Nanoscale mechanical analysis of nanocontacts using combined scanning probe microscopy capable of detection of energy dissipation
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18H03879
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
富取 正彦 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (10188790)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
新井 豊子 金沢大学, 数物科学系, 教授 (20250235)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / エネルギー散逸 / 走査型プローブ顕微鏡 / 電子顕微鏡 / 接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、原子位置の変位や、物質の融着、転移導入過程で散逸される力学的エネルギー（散逸エネルギー）の検出技術を中心に、走査型プローブ顕微鏡（SPM）の観察・解析能力を拡張し、ナノサイズの物質接合の電気・力学特性を原子レベルで評価する。手法として、独自のSPM技術（１．力学的散逸エネルギーの高感度検出法および分光学的手法、２．チャージアンプを利用した電荷移動・表面電位の高速・高感度検出法、３．電子顕微鏡とSPMの複合化技術）を発展させながら複合・集積化する。
SPM探針を試料表面に接近させてナノ接合を構築すると、原子集団の組替えや融着、転移導入が起こる。その過程で力学的エネルギーが内部摩擦として消費される。本年度、その過程の一旦を力学的散逸エネルギーとしてSPMで検出した。測定は、自作の超高真空（UHV）非接触原子間力顕微鏡（nc-AFM）を用いて、高いQ値を持つSi探針のAFMカンチレバー（Siピエゾ抵抗自己検知型）を一定振幅で振動させ続けるための励振エネルギーの変化を高感度計測することで行った。試料は、Si表面に蒸着した単原子Ge原子である。探針を試料に接近させると、SiとGe原子上で散逸エネルギーに差異が現れた。探針のSi原子と試料原子の間の結合力の違いで、探針が接近する毎のヒステリシスを伴う力学過程で力学的エネルギーの損失（すなわち、散逸エネルギー）に差が生じたと推定される。また、電子顕微鏡との複合化をめざし、小型の機械系微動駆動機構を導入して透過型電子顕微鏡（TEM）ホルダーを試作した。機械的な熱ドリフトが小さくなり、TEM像の原子分解能を損なうこと無く探針と試料の間に形成されるナノ接合を観察できた。散逸エネルギーの高感度検出をめざして、真空動作小型チャージアンプの開発も進めた。
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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
UHV-SPM（nc-AFM）を土台とした散逸エネルギーの検出は、上述したように原子レベルの差異を捉えることができ、順調に進んでいる。nc-AFMを内蔵した透過型電子顕微鏡（TEM）ホルダーの開発では、幾つかのタイプの設計・試作開発を行い、機械系微動駆動を工夫した。機械的な熱ドリフトが小さくなり、TEM像の原子分解能を損なうこと無く探針と試料の間に形成されるナノ接合を観察できた。静電容量を構成する２電極間の電荷移動の計測ができる低ノイズ高感度高帯域チャージアンプの開発では、試作品の真空動作が順調なところまで確認した。一方、TEMホルダーに組み込めるほどの小型化の達成が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
力学的散逸エネルギーの高感度検出化に関して、電子回路の更なる低ノイズ化を試みる。力検出系の初段に、特性値として現在よりも低雑音なアンプを設置して測定システムのパフォーマンスの改善を図る。並行して、散逸エネルギー計測に基づいたSiとGe原子の表面揺動の変化の解析を進め、理論的検討や、低温での揺動の変化を調べるための装置開発も進める。TEMホルダーの開発に関連して、チャージアンプの小型化の開発を進め、TEMホルダーに組み込めるようにする。これを利用して、探針と試料面の間にナノ接合を形成し、エネルギー散逸の過程を動的に解析する。また、ナノ接合の力学物性測定に関して、パルス力場の印加による歪み応答も調べる。
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