液中環境におけるナノスケール表面電荷分布計測

• 研究課題/領域番号: 22686007
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 小林 圭 京都大学, 産官学連携本部, 助教 (40335211)
• 研究期間 (年度): 2010 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円); 2012年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2011年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2010年度: 11,570千円 (直接経費: 8,900千円、間接経費: 2,670千円)
• キーワード: 走査プローブ顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / カンチレバー / 溶液環境

研究概要

周波数変調検出方式の原子間力顕微鏡〔FM-AFM)を用いて、液中における試料表面の電荷分布を計測する手法を開発した。まず、液中においてカンチレバーの振動だけを励起する光熱励振系を構築し、定量的な力測定を可能とした。次に、交流電界を印加した時にカンチレバーにはたらく静電気力を解析し、従来のような交流電界印加に基づく表面電荷方法は有極性溶液中での適用が困難であることを明らかにした。一方、測定した静電気力をモデル計算と比較することで表面電荷を見積もる方法が有効であることを示した.

研究成果

• [雑誌論文] Analysis of capacitive force acting on a cantilever tip at solid/liquid interfaces (2013)
  • 著者名/発表者名: K.-I. Umeda, K. Kobavashi, N. Oyabu, Y. Hirata, K. Matsushige and H. Yamada
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 113 号: 15 ページ: 154311-154311
  • DOI: 10.1063/1.4801795
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monotonic damping in nanoscopic hydration experiments (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Labuda, K. Kobayashi, K. Suzuki, H. Yamada and P. Grittier
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 110 号: 5 ページ: 53703-53703
  • DOI: 10.1063/1.4712286
  • NAID: 120005439729
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct actuation of cantilever in aqueous solutions by electrostatic force using high-frequency electric fields (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Umeda, K. Kobayashi, K. Matsushige, H. Yamada
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 101 号: 12 ページ: 123112-123112
  • DOI: 10.1063/1.4754289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic-Resolution Imaging of Graphite-Water Interface by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Suzuki, N.Oyabu, K.Kobayashi, K.Matsushige, H.Yamada
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 4 号: 12 ページ: 125102-125102
  • DOI: 10.1143/apex.4.125102
  • NAID: 10030154221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modification of a commercial atomic force microscopy for low-noise, high-resolution frequency-modulation imaging in liquid environment (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Rode, R.Stark, J.Lubbe, L.Troger, J.Schutte, K.Umeda, K.Kobayashi, H.Yamada, A.Kuhnle
  • 雑誌名: Rev.Sci.Instrum. 巻: 82 号: 7 ページ: 73703-73703
  • DOI: 10.1063/1.3606399
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison of photothermal and piezoacoustic excitation methods for frequency and phase modulation atomic force microscopy in liquid environments (2011)
  • 著者名/発表者名: A.Labuda, K.Kobayashi, D.Kiracofe, K.Suzuki, P.H.Grutter, H.Yamada
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 1 号: 2 ページ: 22136-22136
  • DOI: 10.1063/1.3601872
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of frequency noise and frequency shift by phase shifting elements in frequency modulation atomic force microscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kobavashi, H. Yamada and K. Matsushige
  • 雑誌名: Rev. Sci. Instrum 巻: 82 号: 3
  • DOI: 10.1063/1.3557416
  • 査読あり
• [雑誌論文] High efficiency laser photothermal excitation of microcantilever vibrations in air and liquids (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Kiracofe, K. Kobayashi, A. Labuda, A. Raman and H. Yamada
  • 雑誌名: Rev. Sci. Instrum 巻: 82 号: 1
  • DOI: 10.1063/1.3518965
  • NAID: 120004920381
  • 査読あり
• [雑誌論文] High efficiency laser photothermal excitation of Microcantilever vibrations in air and liquids (2011)
  • 著者名/発表者名: Daniel Kiracofe, Kei Kobayashi, Aleksander Labuda, Arvind Raman, Hirofumi Yamada
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 82
  • NAID: 120004920381
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reduction of frequency noise and frequency shift by phase shifting elements in frequency modulation atomic force microscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada, Kazumi Matsushige
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 82
  • NAID: 120003039149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aqueous Solution Structure over a-Al203(01-12) Probed by Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Hiasa, K. Kimura, H. Onishi, M. Ohta, K. Watanabe, R. Kokawa, N. Oyabu, K. Kobavashi and H. Yamada
  • 雑誌名: J. Phys.Chem 巻: 114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of High-Resolution Imaging of Solid-Liquid Interface by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, S. Kitamura, S. Tanaka, K. Kobayashi and H. Yamada
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 49
  • NAID: 210000069135
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Resolution Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy in Liquids Using Electrostatic Excitation Method (2010)
  • 著者名/発表者名: K.-I. Umeda, N. Oyabu, K. Kobayashi Y. Hirata, K. Matsushige and H. Yamada
  • 雑誌名: Appl. Phys. 巻: 3 号: 6 ページ: 065205-065205
  • DOI: 10.1143/apex.3.065205
  • NAID: 10027015527
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Resolution Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy in Liquids Using Electrostatic Excitation Method (2010)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Umeda, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Yoshiki Hirata, Kazumi Matsushige, Hirofumi Yamada
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 3
  • NAID: 10027015527
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of High-Resolution Imaging of Solid-Liquid Interface by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Katsuyuki Suzuki, Shin-ichi Kitamura, Shukichi Tanaka, Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 49
  • NAID: 210000069135
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aqueous Solution Structure over α-Al2O3(01-12) Probed by Frequency-Modulation Atomic Force Microscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Takumi Hiasa, Kenjiro Kimura, Hiroshi Onishi, Masahiro Ohta, Kazuyuki Watanabe, Ryohei Kokawa, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 114 ページ: 21423-21426
  • 査読あり
• [学会発表] Quantitative charge density measurement of biomolecule in aqueous solutions by FM-AFM with force mapping technique (2012)
  • 著者名/発表者名: K.-I. Umeda, Y. Hirata, N. Oyabu, K. Kobayashi and H. Yamada
  • 学会等名: 20th International Colloquium on Scarming Probe Microscopy
  • 発表場所: 那覇
  • 年月日: 2012-12-18
• [学会発表] Molecular-Scale Investigations of Self-Assembled Surfactant Aggregates on Graphite by Force Mapping Using FM-AFM (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, K. Kobayashi, K. Matsushige and H. Yamada
  • 学会等名: 20th International Colloquium on Scarming Probe Microscopy
  • 発表場所: ggg
  • 年月日: 2012-12-17
• [学会発表] Quantitative study of local electric double layer force by FM-AFM in aqueous solutions (2012)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Umeda, Yoshiki Hirata, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Kazumi Matsushige, Hirfumi Yamada
  • 学会等名: 14th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Lindau, Germany
  • 年月日: 2012-09-17
• [学会発表] FM-AFMによる界面活性剤分子集合体上の電気二重層力の評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鈴木一博,大藪範昭,止埜圭,松重和美,山田啓文
  • 学会等名: 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学・松山大学
  • 年月日: 2012-09-12
• [学会発表] 液中動作周波数変調AFMにおけるエネルギー散逸一定モードを用いた電荷密度計測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 梅田健一,平田芳樹,大藪範昭,小林圭,山田啓文
  • 学会等名: 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学・松山大学
  • 年月日: 2012-09-12
• [学会発表] FM-AFMによる界面活性剤分子集合体上の電気二重層可視化および界面電荷分布の評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鈴木一博,大藪範昭,小林圭,松重和美,山田啓文
  • 学会等名: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2012-03-17
• [学会発表] 3次元フォースマッピング法によるカチオン性界面活性剤分子集合体上の電気二重層力評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 伊藤史晃,鈴木一博,大藪範昭,小林圭,松重和美,山田啓文
  • 学会等名: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2012-03-17
• [学会発表] 液中動作周波数変調AFMにおけるエネルギー散逸像コントラストの起源の解明 (2012)
  • 著者名/発表者名: 梅田健一,平田芳樹,大藪範昭,小林圭,松重和美,山田啓文
  • 学会等名: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2012-03-17
• [学会発表] Quantitative study of local electric double layer force by FM-AFM in aqueous solutions (2011)
  • 著者名/発表者名: K.-I. Umeda, Y. Hirata, N. Oyabu, K. Kobayashi, K. Matsushige and H. Yamada
  • 学会等名: 14th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Lindau, Germany
  • 年月日: 2011-09-17
• [学会発表] FM-AFMを用いた局所電荷分布計測技術の開発に向けたコロイダルプローブによる電気二重層力検出 (2011)
  • 著者名/発表者名: 梅田健一,平田芳樹,大藪範昭,止埜圭,松重和美,山田啓文
  • 学会等名: イダルプローブによる電気二重層力検出",第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 2011-09-01
• [学会発表] FM-AFMを用いた局所電荷分布計測技術の開発に向けたコロイダルプローブによる電気二重層力検出 (2011)
  • 著者名/発表者名: 梅田健一, 平田芳樹, 大藪範昭, 小林圭, 松重和美, 山田啓文
  • 学会等名: 第72回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 山形大学
  • 年月日: 2011-09-01
• [学会発表] High Efficiency Laser Photothennal Excitation of Microcantilever Vibrations in Air and Liquids (2010)
  • 著者名/発表者名: D. Kiracofe, K. Kobayashi A. Labuda, A. Raman and H. Yamada
  • 学会等名: 18th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: 熱川ハイツ
  • 年月日: 2010-12-09
• [学会発表] High Efficiency Laser Photothermal Excitation of Microcantilever Vibrations in Air and Liquids (2010)
  • 著者名/発表者名: Daniel Kiracofe, Kei Kobayashi, Aleksander Labuda, Arvind Raman, Hirofumi Yamada
  • 学会等名: 18th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM18)
  • 発表場所: 熱川ハイツ(静岡県賀茂郡東伊豆町)
  • 年月日: 2010-12-09
• [学会発表] Force Spectroscopy Study in Liquids by Frequency Modulation AFM Toward Local Charge Mapping at Solid/liquid Interface (2010)
  • 著者名/発表者名: K.-I. Umeda, Y. Hirata, N. Oyabu, K. Kobayashi, K. Matsushige and H. Yamada
  • 学会等名: MRS 2010 Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2010-10-29
• [学会発表] Force Spectroscopy Study in Liquids by Frequency Modulation AFM Toward Local Charge Mapping at Solid/liquid Interface (2010)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Umeda, Yoshiki Hirata, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Kazumi Matsushige, Hirofumi Yamada
  • 学会等名: MRS 2010 Fall Meeting
  • 発表場所: Sheraton Boston Hotel (Boston, MA, USA)
  • 年月日: 2010-10-29
• [学会発表] 液中FM-AFMにおける圧電励起法および光熱励振法の比較 (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Labuda,鈴木一博,⊥埜圭,大藪範昭,P.Grutter,山田啓文
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎大学
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] 液中FM-AFMにおける圧電励起法および光熱励振法の比較 (2010)
  • 著者名/発表者名: Aleksander Labuda, 鈴木一博, 小林圭, 大藪範昭, Peter Grutter, 山田啓文
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎大学(長崎県長崎市)
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] 固液界面における局所電荷分布計測へ向けた静電気力の探針-試料間距離依存性に関する研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 梅田健一,平田芳樹,大藪範昭,止埜圭,松重和美,山田啓文
  • 発表場所: 長崎大学
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] 固液界面における局所電荷分布計測へ向けた静電気力の探針-試料間距離依存性に関する研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 梅田健一, 平田芳樹, 大藪範昭, 小林圭, 松重和美, 山田啓文
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎大学(長崎県長崎市)
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] Molecular-Scale Investigations of Self-Assembled Surfactant Aggregates on Graphite by Force Mapping Using FM-AFM
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Suzuki, Kei Kobayashi, Kazumi Matsushige, and Hirofumi Yamada
  • 学会等名: 20th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: Naha, Japan
• [学会発表] Quantitative charge density measurement of biomolecule in aqueous solutions by FM-AFM with force mapping technique
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Umeda, Yoshiki Hirata, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, and Hirofumi Yamada
  • 学会等名: 20th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: Naha, Japan
• [学会発表] FM-AFMによる界面活性剤分子集合体上の電気二重層力の評価
  • 著者名/発表者名: 鈴木一博, 大藪範昭, 小林圭, 松重和美, 山田啓文
  • 学会等名: 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学・松山大学
• [学会発表] 液中動作周波数変調AFMにおけるエネルギー散逸一定モードを用いた電荷 密度計測
  • 著者名/発表者名: 梅田健一, 平田芳樹, 大藪範昭, 小林圭, 山田啓文
  • 学会等名: 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学・松山大学
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡を用いた表面電荷密度測定装置 (2013)
  • 発明者名: 大田昌弘, 梅田健一, 小林圭, 山田啓文
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2013-02-26
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法 (2011)
  • 発明者名: 粉川良平,大田昌弘,梅田健一,木林圭,山田啓文,松重和美
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権番号: 2011-190981
  • 出願年月日: 2011-09-01
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振方法及び原子間力顕微鏡 (2011)
  • 発明者名: 粉川良平,大田昌弘,梅田健一,木林圭,山田啓文,松重和美
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権番号: 2011-190980
  • 出願年月日: 2011-09-01
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振方法及び原子間力顕微鏡 (2011)
  • 発明者名: 粉川良平, 大田昌弘, 梅田健一, 小林圭, 山田啓文, 松重和美
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権番号: 2011-190980
  • 出願年月日: 2011-09-01
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法 (2011)
  • 発明者名: 粉川良平, 大田昌弘, 梅田健一, 小林圭, 山田啓文, 松重和美
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権番号: 2011-190981
  • 出願年月日: 2011-09-01
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振方法及び原子間力顕微鏡 (2010)
  • 発明者名: 粉川良平,大田昌弘,梅田健一,大藪範昭,盛圭,山田啓文,松重和美
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権番号: 2010-128127
  • 出願年月日: 2010-06-03
• [産業財産権] 原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振方法及び原子間力顕微鏡 (2010)
  • 発明者名: 粉川良平, 大田昌弘, 梅田健一, 大藪範昭, 小林圭, 山田啓文, 松重和美
  • 権利者名: 株式会社島津製作所
  • 産業財産権番号: 2010-128127
  • 出願年月日: 2010-06-03