2014 Fiscal Year Annual Research Report
原子間力顕微鏡を用いた表面原子振動測定技術の開発と局所表面物性状態の解明
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26286007
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
内藤 賀公 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90362665)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 表面物性 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、原子間力顕微鏡法(AFM)を応用して新たに表面原子の振動状態や電荷分布を高感度に測定する技術を開発し、表面欠陥や不純物周りの局所的な表面物性状態（結合弾性状態、電荷秩序分布）を明らかにすることである。
まず、既存装置である原子間力顕微鏡(AFM)を高感度化するために、AFM力センサーであるカンチレバーの励振の信号ノイズの低減化を行った。具体的には、カンチレバーフォルダーを固定する部位を設計をしなおし製作した。これによってカンチレバー励振のノイズ密度を下げることに成功し、より高感度なAFM観察が可能となった。
表面の物性状態を原子スケールで空間的に取得するための多周波数モード原子間力顕微鏡法(MF-AFM)の開発を行った。MF-AFM法の開発においては、高周波帯域を持ち複数の信号を計測できる高速ロックインアンプを購入し、これを用いることでカンチレバー振動の２次のたわみモードとねじれモードの両モードで励振する技術を確立した。この手法によって、探針－試料間に働く近距離相互作用力の表面垂直成分：Fz（２次たわみモードから取得）と水平成分：Fx（ねじれモードから取得）の同時取得できるようになった。また、それぞれの励振モードの振動振幅を最適化（それぞれ200～300pm、40pm）することで、表面原子と探針試料間に働く相互作用力をベクトル場表示できるようになった。
また、固体表面の電荷分布状態を高感度に検出するため、従来のケルビンプローブ顕微鏡法（KPFM）の信号取得法を改良し、信号フィードバックを使用しない新しいKPFM法を開発した。
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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
本研究では、微弱な表面原子振動状態を高感度に観測しなければならない。そのための今年度の研究計画目標は、①原子間力顕微鏡（AFM）により計測される探針－試料間相互作用力の検出感度を向上させることと②空間的な表面原子の弾性状態を計測するために多周波数モード原子間力顕微鏡法（MF-AFM）を開発することであった。
まず、AFMを高感度化するために、カンチレバー励振の信号ノイズの低減化を行った。具体的には、カンチレバーフォルダーを固定する部位の剛性を向上さるため、新規にこの固定部位を設計をしなおし製作した。その結果、カンチレバー励振のノイズ密度を60fm/√Hzから35fm/√Hzに下げることに成功した。これによって、より高感度なAFM観察が可能となった。
MF-AFM法の開発においては、高周波帯域を持ち複数の信号を計測できる高速ロックインアンプを購入し、これを用いることでカンチレバー振動の２次のたわみモードとねじれモードの両モードで励振する技術を確立した。この手法によって、探針－試料間に働く近距離相互作用力の表面垂直成分：Fz（２次たわみモードから取得）と水平成分：Fx（ねじれモードから取得）の同時取得できるようになった。また、それぞれの励振モードの振動振幅を最適化（それぞれ200～300pm、40pm）することで、表面原子と探針試料間に働く相互作用力（弾性状態）を原子スケールでベクトル場表示できるようになった。現在この結果をもとに論文を執筆中である。
また、固体表面の電荷分布状態を高感度に検出するため、従来のケルビンプローブ顕微鏡法（KPFM）の信号取得法を改良し、信号フィードバックを使用しない新しいKPFM法を開発した。これにより、さらなる高感度な表面電荷状態分布の取得が期待できる。
以上より、本研究は当初の予定通り順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の進捗状況から今後は表面原子振動モードの検出と表面原子の物性状態（電荷分布、弾性状態）を取得する技術を確立していく。
①バイアス励起による表面原子振動モードの検出法を確立する。
試料には、原子振動状態の観測が期待されるGe(001)非対称ダイマー原子を用いる。Ge(001)非対称ダイマー構造は種々の振動モードを持つ。中でも振動振幅が大きい非対称ダイマーのバックリング角度を変化させ得る振動モード（ロッキングモード）の検出を試みる。。原子振動の励起方法にはバイアス電圧印加による振動励起を用いる。低温下でAFM探針を観測したい原子上に近づけ、AFM計測の物理量である周波数シフト量のバイアス電圧(Vp)依存性を観測し、個々の原子振動状態の観測を世界で初めて試みる。
②原子振動励起状態における相互作用力場観測と原子振動に関する物理量を解明する。
バイアス電圧(Vp)で励起された表面原子の振動状態がどの方向にどれだけの振幅を持っているのか多周波数モード原子間力顕微鏡 (MF-AFM) 法を用いて観測する。まず、原子振動励起状態と非励起状態の両状態においてMF-AFMを用いて相互作用力ベクトル場を観測し、その空間マッピングを得る。さらに相互作用力ベクトル場からポテンシャル場を求め、２つのポテンシャル場の違いから振動励起状態の振動方向を解析する。さらに、振動方向におけるポテンシャル曲線を励起と非励起状態の両方で抽出し、ポテンシャル曲線のズレから振動状態の振動振幅を見積もる。
また、振動励起を引き起こすバイアス電圧エネルギー(eVp)と実際の振動エネルギーの関係を理論的に考察する。これが成功すれば世界で初めて個々の原子振動状態（結合状態）を詳細に観測したことになる。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた国際会議を出席しなかったため次年度使用額が発生している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
原子間力顕微鏡装置の高感度化のために現有装置の一部パーツの改良を予定している。そのための材料費、製作費として使用する予定である。
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