2022 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ力学に基づく探針振動同期励起による原子レベルの赤外分光
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22H00279
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 名誉教授 (10188790)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 周波数変調原子間力顕微鏡 / 赤外分光 / タングステン探針 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、研究代表者が開発した、周波数変調原子間力顕微鏡（FM-AFM）装置に特注の赤外パルスレーザーを組み込み、独自に提唱した探針振動同期検波赤外分光法（TS-IR）を実証し、原子レベルの空間分解能を持つ顕微鏡法/赤外分光法を実現することである。
2022年度当初、FM-AFM/TS-IR装置の構築をめざし(1-1) 超高真空FM-AFM装置の改造と光学系の設計設置、(1-2)力センサーの作製を実施する予定であった。しかし、(1-1)について、浜松ホトニクス社製の特別仕様の量子カスケードレーザー（QCL）を2022年度内に導入予定であったが、浜松ホトニクス社が特別仕様QCLの作製が困難となり、研究期間を延長し、Daylight Solutions社（米国）製のQCLの導入を決めた。当該QCLのサイズおよび重量等に合わせて、光学系、QCLを設置する架台と、除振装置を設計し導入した。
(1-2)FM-AFM用の力センサーとして、周波数変化量と散逸エネルギーを高感度に検出可能な共振再調律力（RTF）センサーを用いる。RTFセンサーは、音叉型水晶振動子を基体として、任意の探針を形成できる。本研究では、導電性探針として、炎エッチング法で先鋭化するタングステン（W）探針を選定した。炎エッチング法で先鋭化したW探針の評価・分分析を行い、探針に酸化物、有機汚染物が残留しない炎エッチング法の最適条件を探った。直径0.1mmのW線は、水素酸素混合ガス（H2:O2=2:1）炎（中心温度2800℃以上）に挿入してから約270 msで先鋭化された。さらに炎エッチングを継続すると、先端が後退しながら鈍角化した。走査型オージェ電子顕微鏡分析でW探針先端部に酸素と炭素が残留していることが分かったため、W探針作製後、超高真空中でのレーザー加熱を試み、表面の残留酸素や炭素を大幅に低減できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究計画段階から浜松ホトニクス社と仕様打ち合わせを行い、本研究に不可欠な特別仕様の量子カスケードレーザー（QCL）の作製が可能か検証を依頼していた。研究開始当初は2022年度内に納品可能との見込みであったが、1年延長しても特別仕様のQCLの作製が困難となり、次善の策として考えていたDaylight Solutions社（米国）製のQCLの導入を決めた。Daylight Solutions社製のQCLは、2024年3月に納品されている。QCLの納品が遅れたことにより、FM-AFM/TS-IR装置の構築が当初計画よりも1年以上遅れたが、2024年5月現在、FM-AFMヘッド部の改造、光学レンズ、ミラー等も含め光学系の設置は完了している。
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| Strategy for Future Research Activity |
QCLが、探針直下の試料表面に集光し、充分な出力で発振しているか確認する。W探針を形成したRTFセンサーの振動に同期して、QCL光を点滅させ、TS-IRの検証から始める。
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