2018 Fiscal Year Annual Research Report
固体上のナノ水膜の準液体性の解明とその特異性を活かしたナノ水膜内の科学技術の開拓
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18H05343
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
新井 豊子 金沢大学, 数物科学系, 教授 (20250235)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノ水膜 / 準液体性 / 固液界面 / 周波数変調原子間力顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現有の大気型周波数変調原子間力顕微鏡(FM-AFM)/走査型トンネル顕微鏡(STM)を、相対湿度がほぼ０から100％近くまで可変できる環境制御チャンバーに設置するため、試料近くに設置した、微動機構用ピエゾ素子、力センサーとしての音叉型水晶振動子、水晶振動子用プリアンプなどに対して、結露対策として、フッ素系防湿剤を塗布した。防湿剤塗布前は、湿度を上げると電気的ノイズが増幅したが、塗布後は、低湿度時とほぼ変わらないノイズレベルを維持した。また、音叉型水晶振動子への防湿剤塗布で、Q値の劣化が心配されたが、非常に薄く塗布することで、共振周波数は僅かに低下したが、Q値は、高い値を維持することができた。
KBr結晶を大気環境におくと、環境湿度に依存して、1分子吸着から、湿度が上がると厚い水分子層が吸着する。30%程度の湿度環境で、1分子層の水分子が吸着し、40-50％程度で、2分子層厚になるが、1分子層水膜の上に島状の水にはならない。KBr上の水膜は、島状構造を造ることはない。一方、40-50％になると、ステップエッジには多くの水が溜まっている。FM-AFMで周波数シフト一定モードでステップの下から上への走査では、探針は水膜を持ち上げ引きずり、テラス上で探針と持ち上げた水分子の結合が切れる。ここで、逆方向に走査しても、持ち上げた水の痕跡はない。探針走査により一時的に水膜の上に水クラスターを置いても、水の島状構造を作ることは出来ない。
Si(111)基板を一旦超高真空中で、原子レベルの平坦表面を出した後、600度で熱酸化した表面酸化Si(111)基板のを試料とした。70％程度の高湿度環境に2時間程度おき、2nm程度のナノ水膜を形成し、連続的に変化を観察した。凹凸部分から腐食が始まる様子が観察できた。ナノ水膜中にNaClを微量含有させて、腐食が加速されるかを計測している。
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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
当初、今年度に導入を予定していたグローブボックスは、使用するグローブから発生するガスや、劣化の検討に時間を要し、今年度中の導入は見送った。それに変わって、清浄な金属探針を水素・酸素ガス中でエッチングするための水素酸素発生装置を導入した。電流取得のために高湿度環境で金属探針を使う場合、探針自体の腐食が問題になる。そこで、極薄酸化膜を表面に残すことで、腐食に強く、先鋭なタングステンを初めとする金属探針の作製法を、予定を早めて、取り組んでいる。また、FM-AFM/STMは簡易温・湿度制御ボックス中に設置し、サファイア探針を用いたナノ水膜の研究は順調に進め論文執筆を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．環境制御チャンバーの作製：一度、50％程度の環境湿度にさらされ、ナノ水膜が形成されると、環境湿度を10％以下に下げても、吸着水膜は1分子層までは薄くなるが、吸着膜を完全に取り去ることはできない。よって、FM-AFM/STMを設置する環境制御チャンバーには清浄試料を作製し、制御した湿度雰囲気に一気にさらす工夫が必要である。また、作業可能なグローブはゴムでできているが、グローブから発生するガスが、環境制御チャンバー内を汚染する可能性が出てきた。今年度得られた簡易湿度制御ボックス中での知見を基に、FM-AFM/STMを設置する環境制御チャンバーは、グローブボックスまたは、グローブを用いない設計についても検討する。
２．易溶性基板上のナノ水膜：FM-AFMを用いて、アルカリハライドなどの易溶性の基板上のナノ水膜の性質を調べる。溶質のナノ水膜への溶解度は、バルク水と比較すると低いと予想する。探針の存在とも関係づけ、ナノ水膜への溶質の溶解・析出を調べる。
３． Si基板洗浄における帯電現象の解明：Siデバイス製作過程でSi基板を超純水で洗浄後に、基板が帯電することがある。Si基板には、ナノ水膜が形成されていると考えられる。帯電したSi基板を湿度制御環境で、FM-AFM観察し、帯電状態を調べ、ナノ水膜の特質および帯電起源を解明する。
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