2021 Fiscal Year Research-status Report
単分子の電気伝導率と剛性の同時計測に向けたＳＴＭ／熱振動ＡＦＭ複合機の開発
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20K15175
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
大江 弘晃 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 助教 (20793194)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱振動スペクトル / 原子間力顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、固体表面の単原子／単分子の複合的な特性（例えば、金属表面に吸着した分子ワイヤーの電気伝導率、剛性、伸縮性の相関特性）の解明を目的に、「走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）」と「熱振動で力を計測する原子間力顕微鏡（熱振動ＡＦＭ）」を組み合わせた複合型走査プローブ顕微鏡を開発する。
2021年度は、大気環境で動作する走査プローブ顕微鏡を構築し、位相同期機能を実装したロックインアンプと走査トンネル顕微鏡用コントローラを組み合わせた原子間力顕微鏡／走査トンネルトンネル顕微鏡の複合計測を開始した。ＡＦＭ力センサーには、大気環境での表面酸化に強い白金イリジウム探針を取り付けたｑＰｌｕｓセンサー（音叉型水晶振動子を応用したＡＦＭ力センサー）を使用して、観察試料には、二次元積層グラフェン（ＨＯＰＧ）、金蒸着マイカ、イオン性結晶ＫＢｒの固体気体界面を観察し、０．３ｎｍ程度の原子高さステップテラス構造を無制御大気環境でも安定に観察できる状況まで装置開発を進めた。
従来の原子間力顕微鏡計測を行うだけでなく、熱振動を利用した力（特に引力相互作用）検出の可否について研究を進めた。具体的には、導電性探針と導電性試料を用いて、探針試料間距離をトンネル電流値で制御し、探針試料間力学的相互作用として静電気力を変化させ、力とＡＦＭ力センサーの熱振動応答の関係を解析した。さらに、熱振動を利用して検出した信号と探針試料間力学的相互作用の関係を明らかにするために、近い条件で周波数変調法を用いて取得したデータとの比較を行った。
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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
本研究で開発した計測装置を利用することで、探針試料間の力学的相互作用をＡＦＭ力センサーの熱振動スペクトルの形状変化として検出可能であることが明らかをした。さらに、熱振動スペクトルの形状と振動エネルギーの関係から、探針試料間力学的相互作用を通して移動するエネルギー量についても検知できる可能性を見いだした。また、同装置を周波数変調原子間力顕微鏡モードで動作させた計測との比較から、熱振動スペクトルを利用して検出した信号と力学的相互作用の関係は、周波数変調原子間力顕微鏡の周波数シフトと力の関係に類似することを明らかにした。以上の点から、本研究の進捗状況は、予定通り「おおむね順調に進行している」といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
熱振動計測に利用するロックインアンプの時定数の問題で、熱振動を利用した力計測の高速化は困難であることが予想できる。そのため走査プローブ顕微鏡のサブチャネルとしての発展を目指した自動計測プログラムの開発、または他の分光計測との複合化に取り組む予定である。
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| Causes of Carryover |
２１年度には、装置開発に際して、研究計画と必要に応じて顕微鏡用パーツ（１～１０万円）・実験用ハードウェア（１０～３０万円）・除振機構（１～５万円）・観察サンプル（１～５万円）・その他消耗品（１～２万円）を購入した。２０２１年３月時点で２８２６円の残額が生じた。未使用予算は少額で、装置備品や観察サンプルの追加購入、学会参加費などには不足するため、来年度の補助金と合算して利用することにした。
２２年度は、開発装置を使用して新たなサンプルの表面構造観察に取り組む。そのため、２１年度の残額２８２６円は、２２年度に観察サンプルの購入経費の一部として利用する。
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