2014 Fiscal Year Research-status Report
水晶振動子センサの連成振動高感度検出による静電気力・磁気力顕微鏡の高速化
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26630185
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
宮戸 祐治 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (80512780)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 計測工学 / 走査プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 振動解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高速AFM (HS-AFM)のシステムにおいて、一般的に用いられる高共振周波数のカンチレバーの代わりに水晶振動子センサの圧電応答を用いて画像取得を行うことを特徴としており、その水晶振動子センサの連成振動を高速な静電気力・磁気力の検出に利用する。そのため、水晶振動子センサにより、安定した撮像を行うことも重要となる。水晶振動子センサを励振するために、別のアクチュエータにより振動させる機械的励振方式と、水晶振動子センサに励振信号を加えて逆圧電効果により振動させる電気的励振方式の２つが可能なようにシステムを構築し、両者を比較した。Q値は圧倒的に電気的励振方式の方が優れており、HS-AFMのシステムにおいてFM-AFMにより表面形状像を問題なく撮像できることを確認した。本研究では、基本的にFM方式による制御を用いることになるので、位相の安定性が重要である。機械的励振方式では固定の問題由来と考えられるが、共振周波数に対応する位相が時間変動していたので、本研究目的を達成する上では電気的励振方式が良いと考えらえる。一方、静電気力や磁気力を模擬して振動状態がどのように変化するかをシミュレーションで検討したが、あくまで近似モデルであるため、実際に実験的に機械的な振動を調べることが重要となった。そこで、２本のプロングの振動を同時測定するために、ケージシステムで光てこ変位検出用の光学系を２系統構築することとし、まず片方での検出を目指した。その際、10 MHzの帯域幅は確保できるように、フォトダイオードをバイアスを印加して低容量化するとともに、高速オペアンプを採用したプリアンプを設計した。また、光学系も試行錯誤しながら設計することで、最終的に２本同時に振動計測できる見込みが得られた。
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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
本研究の振動計測にあたって、水晶振動子センサのプロング２本を同時計測することが重要である。光てこ系を２系統組み込むにあたって、効果的に予算執行をおこなうために、光学系のフレームワークを基本設計した上で、まず片方だけで計測できるようにすることで、問題点を調べることにした。その際、一般的な光てこのような配置は難しいことが予想され、λ/4位相板と偏光ビームスプリッタを利用して、同一軸上にレーザを照射できるようにするなど試行錯誤を加えた。思っていたよりも設計に時間がかかったために、２本同時の振動計測は達成できていないが、ある程度計測できる見込みがついた。連成振動を検証する第一段階が達せられたと思われる。このことから、概ね当初計画通りに進捗していると自己評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
残り１本と合わせて２本同時に測定できるように光てこ検出系を拡張し、連成振動状態を機械振動と電気信号の両方で計測し、期待している連成振動による静電気力・磁気力検出につながる相互作用が実際に起きているかどうか検証する。当初計画になかったが、購入できる水晶振動子センサの種類には限りがあり、センサをいちからすべて作製するリソースと必要な精度が確保できないことから、ダイシング等により水晶振動子のプロング長等を変化させて２本のプロングの共振周波数に対するパラメータを変化させることで、共振周波数を変化させるとともに、どのような場合に連成振動を効果的に誘起できるかどうかも調べていく。そして、これらの結果をHS-AFMシステムに反映することで、目標としている性能を達成できるよう研究を推進していく。
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| Causes of Carryover |
高速AFMシステムに導入している海外製ロックインアンプのソフトウェアアップグレードを予定していたが、当初価格よりも円安等の影響を受け、価格が上昇したところが大きな理由であるが、本年度の当初予算が尽きてしまうため導入を延期した。また、研究を進めるにあたり、水晶振動子からの電気的な信号検出するシステムを整備する前に、まず重点的に純粋な機械的な振動を検出する方針に変更したことにもよる。それは、連成振動による静電気力および磁気力検出の実証には、シミュレーションで完全なモデルを立てて計算することが難しく、機械的な振動状態を直接計測することの重要性が高いと思われたからである。以上のことから、ロックインアンンプソフトウェアアップデートを１年遅らせて、本年度の予算を一部繰り越し、次年度の予算と合わせて購入することにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
為替レートのタイミングを見計らってロックインアンプのソフトウェアアップグレードを次年度は確実に実施する。また、それ以外は、当初計画に即して、予算を執行する予定である。
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