結晶格子の原子配列を基準とする超精密直動機構の開発と測長・位置決めへの応用

• 研究課題/領域番号: 10650109
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機械工作・生産工学
• 研究機関: 長岡技術科学大学
• 研究代表者: 高田 孝次 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80126474)
• 研究分担者: 明田川 正人 長岡技術科学大学, 工学部, 助教授 (10231854) ; 柳 和久 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80108216)
• 研究期間 (年度): 1998 – 1999
• 研究課題ステータス: 完了 (1999年度)
• 配分額: 3,800千円 (直接経費: 3,800千円); 1999年度: 500千円 (直接経費: 500千円); 1998年度: 3,300千円 (直接経費: 3,300千円)
• キーワード: 走査型トンネル顕微鏡 / 結晶格子 / 直動機構 / サブナノメートル / 原子トラッキング / トラッキング制御

研究概要

無応力状態で格子欠陥のない結晶格子表面の格子間隔は約0.2nmで安定しており,これは普遍的な長さ基準になり得,原子配列そのものは高い直線性を持つものと考えられる.走査型トンネル顕微鏡(STM)は,実時間大気中で原子配列を捉えることのできる顕微鏡である.そこで,STMを検出器とすれば,結晶格子間隔と原子配列そのものをスケール・直線基準とするリニアスケール(超精密直動機構)が製作可能である.本研究ではこの超精密著駆動機構の開発の可能性追求のために以下の事項を試みた.
(1)結晶格子の原子配列をリアルタイムで認識する方法の開発
結晶表面の原子構造に基づく微小傾斜信号を実時間でSTMにより検出し利用することでグラファイト結晶表面の特定原子配列を認識する手法を開発した.STM探針の高速ディザー変調とロックイン同期検波法を用いて結晶格子像のXY軸方向の傾斜信号を得た.
(2)STM探針の結晶表面の原子配列を目標とするトラッキング制御の広範囲化
(1)の方法を基にSTM探針をグラファイト結晶表面の特定の原子配列に沿ってトラッキングしながら動かす制御を行った.特定の結晶配列に沿ってSTM探針を最大100nmまで往復運動させる制御にも成功した.
(3)原子トラッキング制御を応用した直動機構の試作
グラファイト結晶の特定の原子配列にほぼ平行に動く平行ばねを用いた1軸駆動ステージを試作した.その原子配列を基準に原子トラッキング制御を用いて,直動する機構を追加試作し評価した.この機構で,原子配列を基準におよそ100nm以上の直動性を確保した.
以上の実験を基に結晶表面の原子配列を物理的に認識しピックアップする手法を確立し,結晶格子表面の原子配列を基準とする超精密直動機構の開発の可能性の確認を行った.

研究成果

• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Tracking and stepping control of the tip position of a scanning tunneling microscope by referring to atomic points and arrays on a regular crystalline surface"Rev. Sci. Instrum.. 70・4. 2053-2059 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Tracking and stepping control of the tip position of a scanning tunneling microscope by referring to atomic points and arrays on a regular crystalline surface"Review of Scientific Instruments. Vol. 70, No. 4. 2053-2059 (1999)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Tracking and stepping control of the tip position of a scanning tunneling microscope by referring to atomic points and arrays on a regular crystalline surface"Review of Scientific Instruments. 70・4. 2053-2059 (1999)
• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Direct length comparison between regular crystalline lattice and SEM standard grating using dual tunneling unit STM" International Journal of Machine Tools and Manufacture. 38・5-6. 677-683 (1998)
• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Length measurement using regular crystalline lattice and a dual tunneling unit scanning tunneling microscope in a thermo-stabilized cell" Measurement Science and Technology. 9・7. 1076-1081 (1998)
• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Long atomic imaging over a 5-μm-long region using ultra-low thermally drifted dual-tunneling-unit scanning tunneling microscope in a thermo-stabilized cell" Review of Scientific Instruments. 70・1. 133-136 (1999)
• [文献書誌] 明田川正人 他: "結晶格子を基準とする微小長さ測定(第3報)-熱ドリフト誤差の抑制と測定範囲の数μmレベルへの拡大-" 精密工学会誌. 65・1. 121-125 (1999)
• [文献書誌] Masato Aketagawa et al.: "Tracking and stepping control of the tip position of a scanning tunneling microscope by referring to atomic points and arrays on a regular crystalline surface" Review of Scientific Instruments. 70・4未定. (1999)