2015 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 / 分子動力学法 / マルチスケール法 |
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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、新規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。
計算モデルを用いた数値計計算から、プローブー表面間の原子間力により、プローブの振動エネルギーが試料表面にフォノンとして拡散し、プローブ振動が減衰することがわかった。また、プローブー表面間の原子間力をvan der Waals力やクーロン力に置き換えたときのプローブ振動の変化やエネルギー減衰の様子を調べた。
これらの研究成果を表面物性及びプローブ顕微鏡関連の国内外の学会で発表すると供に、関連の研究論文が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のエネルギー減衰のしくみを明らかにすることであった。
この目的を達成するために、２５、２６年度は当初の計画予定のとおり、粒子間力にレナード・ジョーンズ（ＬＪ）原子間力ポテンシャルを用いたシンプルなAFMモデルの作成に取り組んだ。分子動力学法を用いてプローブー表面間に働く原子間力を導出し、この原子間力とプローブ振動を動的に連結したマルチスケールなAFMモデルを作成することに成功した。このAFMモデルを用いてAFM表面観測でのプローブ振動の減衰を再現しその減衰の原因を明らかにした。
研究課題の後半の27、28年度では、当初の計画のとおり、簡易的なAFMモデルから実際の物質表面のAFM観測に相当するAFMモデルを作成する。27年度には粒子間力にクーロン相互作用を用いて、MgOイオン結晶表面のAFM観測モデルを作成した。現在、これら現実の物質表面でのプローブ振動の減衰を、先のＬＪ原子間力ポテンシャルと比較しつつ、その減衰のメカニズムを調べている。
以上のことから、マルチスケールなAFMモデルでエネルギー減衰の原因を探るという
目標は本年度までに達成していると判断される。したがって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 |
AFM計算モデルでは非可逆的な表面の上下運動を伴ってプローブの振動が減衰した。菅原康宏教授（大阪大学）らが行った実際のＡＦＭ観測でも、試料表面の上下運動とともにエネルギー減衰が現れる。今後は、AFM観測グループとも連携しながらシミュレーション研究を続けていきたい。
新手法に基づくAFMシミュレーションはプローブー表面間原子の運動を直接扱うため、ピコ秒（10-12秒）の時間スケールで粒子の運動を追っている。一方、AFM観測におけるプローブの振動は数百kHz =ミリ秒～μ秒オーダーである。このAFMシミュレーションはプローブ振動と原子の運動を直接結合しており、原則的には粒子系のピコ秒の時間スケールでμ秒に及ぶ桁違いの計算を行う必要がある。また、27年度からはクーロン引力で引付け合う原子を扱うため、長距離相互作用力を効率的に計算するための数値計算手法を取り入れる必要がある。これらの大規模計算を遂行するために数値計算の効率化や高性能計算機の使用を進める。
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| Causes of Carryover |
参加予定であったthe 13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-13),Salvador-Bahia(ブラジル)
が主催者の都合により開催中止。その渡航費が未使用となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
中止となったACSIN-13の代わりとして、2016年に開催される、20th International Vacuum Congress (IVC-20)8月プサン（韓国）、24thInternational Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM24)ハワイ（米国）、ACSIN2016ローマ(イタリア)等への渡航費に充てる。
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