2014 Fiscal Year Research-status Report
新規シミュレーション手法による原子間力顕微鏡の研究
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25390081
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
仙田 康浩 山口大学, 理工学研究科, 准教授 (50324067)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子一つ一つを観測・操作・制御するナノテクノロジーの時代において物質表面の原子像を観測する原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy, 以下，ＡＦＭ)は必要不可欠な装置である。しかし、ＡＦＭで原子像が得られる仕組みについてはいまだに不明な部分が多く、原子レベルからその仕組みを解明することがのぞまれている．本研究では新規シミュレーション手法を用いたＡＦＭの数値シミュレーションにより，ＡＦＭの仕組みを原子レベルから明らかにする．特にＡＦＭのプローブ振動が減衰する原因については未解明であり，この新しい手法を用いたシミュレーションによってその仕組みを明らかにすることに取り組んだ．
我々の提案する手法は原子レベルのシミュレーションとマクロスケールの計算モデルを結合する手法である．ＡＦＭのプローブと表面原子の間の相互作用を分子動力学法による原子スケールの計算を行い，その相互作用の下でのプローブ振動を一次元ばねのマクロスケールな振動に置き換えた．この２つの計算モデルを我々の開発した手法で結合してＡＦＭのマルチスケールな計算モデルを作成した．
今年度は並列計算機を用いた大規模計算により，原子の振動の時間スケールからカンチレバー振動数まで及ぶマルチスケールな時間スケールでのＡＦＭシミュレーションが可能になった．振動数の違いによるエネルギー減衰の変化を調べ，振動数の減少とともに減衰量が減少することがわかった．一方で，マクロスケールな振動数でエネルギー減衰を示した．その減衰量は観測されている減衰量と定量的にも比較できるものであったことから，このＡＦＭ計算モデルは実際のＡＦＭ観測に対応した計算モデルであることがわかった． これらの研究成果を表面物性およびプローブ顕微鏡関連の学会や国内外の研究会で発表した．また，その内容を論文としてまとめ，表面関連の学術雑誌で近日中に掲載予定である．
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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
本研究課題の目的はミクロスケールからマクロスケールを網羅する新規シミュレーション手法を用いてＡＦＭのシミュレーションを行い，ＡＦＭによる表面観測で原子像が得られる原理を理解し，これまで解明されていないＡＦＭのエネルギー散逸のしくみを明らかにすることであった．本研究課題の初年度に，カンチレバー先端と表面原子の熱振動と表面原子の原子振動の散逸によりカンチレバー振動が減衰することを明らかにした．また，この原子の熱振動による減衰は，カンチレバーの振動数に依存し，その振動数が低い場合には減衰量は少なくなることを明らかにした．しかし，この段階でのＡＦＭの計算モデルは原子振動の時間スケールに留まっており，現実的なＡＦＭ観測との比較は困難であった．
本研究課題の2年目である26年度は，長時間の大規模演算によって，原子振動からカンチレバー振動までのマルチスケールな時間を網羅したシミュレーションを行うことを目標とした．マクロスケールな時間で振動するプローブに及ぼす表面原子の影響を考慮するために，長時間におよぶ大規模なシミュレーションを行った．MHzスケールにおよぶカンチレバー振動のＡＦＭ計算モデルの結果から，このスケールの振動数でも振動の減衰が確認でき，原子の熱振動が減衰に寄与していることがわかった．
以上のことから，平成26年度の計画予定であった，原子振動からカンチレバー振動のマクロな時間スケールを網羅したマルチスケールなＡＦＭモデルを作成し，エネルギー減衰の原因をマルチスケールな視点から解明するという目標は本年度までに達成していると判断される．現在，このモデルを用いてエネルギー減衰の詳細な仕組みを調査中である．以上のことから本研究はおおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
プローブと表面間の原子の熱振動によりマクロスケールなカンチレバー振動が減衰することがこれまでのシミュレーション結果より明らかになった．これを踏まえて今後はその詳細なメカニズムを明らかにしていきたい．また，現実のＡＦＭ観測により近い計算モデルが可能になったことから，我々の計算モデルと観測結果を直接比較することも可能になった．大阪大学のＡＦＭの観測グループ（菅原康宏，森田清三ら）とも連携しながらシミュレーション研究を続けていく．
プローブと表面間の原子間力による表面観測は，原子レベルの摩擦を利用した実験装置である．近年の表面観測装置の精密化に伴い、ミクロなスケールで生じる興味深い摩擦現象が観測されている．これまでの研究ではトムリンソンモデルなどの古くからある簡易な摩擦モデルを用いて観測された現象が説明されてきた．本研究課題で用いたマルチスケールシミュレーションの計算モデルをこの原子スケールの摩擦に適用し，観測された摩擦現象を定量的に説明することを試みる．この研究より得られた原子レベルの摩擦のしくみの知見から，ＡＦＭ観測におけるプローブ－表面間の相互作用力がカンチレバー振動に及ぼす影響について考察したい．
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