走査型プローブ顕微鏡による２物体接近時のトンネル障壁崩壊に伴う力と電流変化の解析

• 研究課題/領域番号: 24340068
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 新井 豊子 金沢大学, 数物科学系, 教授 (20250235)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円); 2014年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2013年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2012年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
• キーワード: 表面・界面 / 走査型プローブ顕微鏡 / トンネル障壁 / 相互作用力 / トンネル電流 / エネルギー散逸

研究成果の概要

本研究では、独自開発した非接触原子間力顕微鏡/走査型トンネル顕微鏡を活用して２つの物体を接近させ、さらには接触するまで精密に近づけ、２物体間に働く力、および、流れる電流の印加電圧応答と距離依存性を計測した。この結果から、２物体の結合の形成過程におけるトンネル障壁の崩壊の影響を考察した。Si-Siの共有結合では探針試料間に電圧を印加し、表面準位を合わせ、量子力学共鳴状態を作り、共有結合力とトンネル電流の関係を解析した。水素吸着SiアドアトムとSi探針原子間で、水素結合を計測し、その1結合の結合エネルギーを見積もった。

研究成果

• [雑誌論文] Atom-Resolved Analysis of an Ionic KBr(001) Crystal Surface Covered with a Thin Water Layer by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Arai, M.i Koshioka, K. Abe, M. Tomitori , R. Kokawa, M. Ohta, H. Yamada, K. Kobayashi, and N. Oyabu
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 31 号: 13 ページ: 3876-3883
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b00087
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resonance frequency-retuned quartz tuning fork as a force sensor for noncontact atomic force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Ooe, T. Sakuishi, M. Nogami, M. Tomitori and T. Arai
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 105 号: 4
  • DOI: 10.1063/1.4891882
  • NAID: 120005650332
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal transformation of 4,4”-diamino-p-terphenyl on a Si(111)-7×7 surface analyzed by X-ray photoemission spectroscopy and scanning tunneling microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Nishimura, A. Sasahara, H. Murata, T. Arai and M. Tomitori
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 号: 43 ページ: 25104-25109
  • DOI: 10.1021/jp508680a
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡/力分光法によるNH3反応Si(111)-(7x7)表面上のNH2とH吸着基の判別 (2015)
  • 著者名/発表者名: 坂野 友樹, 富取 正彦, 新井 豊子
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡におけるSi探針上の水素終端膜によるエネルギー散逸量への影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 稲村 竜、坂野 友樹, 富取 正彦, 新井 豊子
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 容量補償回路を用いたNC-AFM用検出回路の低雑音化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大江 弘晃, 藤居 幹大, 新井 豊子
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 周波数変調原子間力顕微鏡によるNaCl(001)表面の大気中原子分解能観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 阿部晃平, 新井 豊子
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] NC-AFMに組み込んだチャージアンプと電流アンプ出力の同時計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 野上真、新井豊子、笹原亮、富取正彦
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] Force sensor of a resonance frequency-retuned quartz tuning fork with a high Q-value for non-contact atomic force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ooe, Toyoko Arai
  • 学会等名: 22nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM22)
  • 発表場所: 熱川ハイツ(静岡県東伊豆町）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-13
• [学会発表] Force spectroscopy of an NH3-reacted Si(111)-(7×7) surface by non-contact AFM with different tip states (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Arai, Y. Sakano, R. Inamura, M. Tomitori
  • 学会等名: 22nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM22)
  • 発表場所: 熱川ハイツ(静岡県東伊豆町）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-13
• [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡/力分光による微量NH3を反応させたSi(111)-7x7 表面の電子状態解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 坂野 友樹, 富取 正彦, 新井 豊子
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋期学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス(北海道札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] SPM探針への応用に向けたタングステン酸化物の針状結晶成長法 (2014)
  • 著者名/発表者名: 永島一樹, 富取 正彦, 新井 豊子
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋期学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス(北海道札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] NC-AFMに組込んだチャージアンプの出力解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野上 真，新井 豊子，笹原 亮，富取 正彦
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋期学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス(北海道札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Atomic contrast change of NH3–reacted Si(111)-7x7 surfaces observed by non-contact atomic force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai, Yuki Sakano, Masahiko Tomitori
  • 学会等名: the 17th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] High Q-value and noise reduction for a retuning quartz force sensor (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ooe, Masahiko Tomitori, Toyoko Arai
  • 学会等名: the 17th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] Atom-resolved FM-AFM imaging of a KBr(001) surface covered with water layers in air with high humidity (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Arai, M. Koshioka, K. Abe, M. Tomitori, R. Kokawa, M. Ohta, H. Yamada, K. Kobayashi, N. Oyabu
  • 学会等名: the 17th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] Nanoscale capacitive analysis of surface states using a charge amplifier based on non-contact atomic force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Makoto Nogami, Toyoko Arai, Akira Sasahara and Masahiko Tomitori
  • 学会等名: the 17th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] 水晶振動子力センサーに適した変位検出回路の構成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大江 弘晃，新井 豊子
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス、神奈川県相模原市
• [学会発表] 微量のNH3を反応させたSi(111)7×7表面の非接触原子間力顕微鏡／走査型トンネル顕微鏡による原子分解観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 坂野友樹、新井豊子、富取正彦
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス、神奈川県相模原市
• [学会発表] 周波数変調原子間力顕微鏡によるKBr(001)の大気中原子像観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 越岡真志，阿部晃平，新井豊子，富取正彦，粉川良平，太田昌弘，山田啓文，小林桂，大藪範昭
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス、神奈川県相模原市
• [学会発表] チャージアンプを組み込んだNC-AFMによる表面状態解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野上真、新井豊子、笹原亮、富取正彦
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春期学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学相模原キャンパス、神奈川県相模原市
• [学会発表] 音叉型水晶振動子を力センサーに応用した超高真空非接触原子間力顕微鏡の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 大江弘晃
  • 学会等名: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川工科大学・厚木市
  • 年月日: 2013-03-29
• [学会発表] 非接触AFMによる分子吸着Si(111)7×7表面の電子状態変化の検討 (2013)
  • 著者名/発表者名: 石川稔景
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学・東広島市
  • 年月日: 2013-03-27
• [学会発表] Decrease in electrostatic force in a tunneling region detected by nc-AFM/STM (2013)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai, Toshiaki Ishikawa, Yuki Sakano, Hiroaki Ooe, N. Okabayashi, M. Tomitori
  • 学会等名: The 16th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Maryland, USA
• [学会発表] Feedback control responsible for contrast change in nc-AFM images (2013)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai, Toshiaki Ishikawa, Tomoki Sakano, Masahiko Tomitori
  • 学会等名: The 16th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Maryland, USA
• [学会発表] Two-prong type force sensor based on a quartz tuning fork for nc-AFM (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ooe, Tatsuya Sakuishi, Makoto Nogami, Masahiko Tomiotri, Toyoko Arai
  • 学会等名: The 16th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Maryland, USA
• [学会発表] Analysis of surface electronic states using nc-AFM with a charge amplifier (2013)
  • 著者名/発表者名: Makoto Nogami, Tatsuya Sakuishi, Hiroaki Ooe, Toyoko Arai, Akira Sasahara, Masahiko Tomitori
  • 学会等名: The 16th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Maryland, USA
• [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡用二本プロング水晶振動子力センサー (2013)
  • 著者名/発表者名: 大江 弘晃，新井 豊子
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋期学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学 京田辺キャンパス
• [学会発表] 水晶振動子を利用した非接触原子間力顕微鏡用力センサーの作製評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 橋本遼太、大江弘晃、新井豊子
  • 学会等名: 平成25年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 金沢工業大学、石川県野々市市
• [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡による水素終端Si(111)7.7表面の力分光解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 坂野友樹、石川稔景、富取正彦、新井豊子
  • 学会等名: 平成25年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 金沢工業大学、石川県野々市市
• [学会発表] 制御ガス雰囲気中の原子間力顕微鏡用カンチレバーのQ値の考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 阿部晃平、越岡真志、鳥居佑斗、新井豊子
  • 学会等名: 平成25年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 金沢工業大学、石川県野々市市
• [学会発表] SPM用探針のためのタングステン酸化物針状結晶の成長 (2013)
  • 著者名/発表者名: 永島一樹、富取正彦、新井豊子
  • 学会等名: 平成25年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 金沢工業大学、石川県野々市市
• [学会発表] 大気中周波数変調原子間力顕微鏡によるKBr(001)表面の原子分解能観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 越岡真志、阿部晃平、新井豊子
  • 学会等名: 平成25年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 金沢工業大学、石川県野々市市
• [学会発表] チャージアンプを用いたnc-AFMによる表面状態観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野上真、新井豊子、笹原亮、富取正彦
  • 学会等名: 平成25年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 金沢工業大学、石川県野々市市
• [学会発表] 電圧印加非接触原子間力顕微鏡法/分光法による相互作用力とトンネル電流の計測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石川稔景
  • 学会等名: 2012年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • 発表場所: 金沢大学・金沢市
  • 年月日: 2012-12-01
• [学会発表] チャージアンプを用いた非接触原子間力顕微鏡による表面状態解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 野上真
  • 学会等名: 2012年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • 発表場所: 金沢大学・金沢市
  • 年月日: 2012-12-01
• [学会発表] 音叉型水晶振動子を応用した非接触原子間力顕微鏡用力センサーの感度評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 大江弘晃
  • 学会等名: 平成24年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 富山県民会館・富山市
  • 年月日: 2012-11-17
• [学会発表] チャージアンプを用いたNC-AFM/STMによる電子状態解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 野上真
  • 学会等名: 平成24年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会
  • 発表場所: 富山県民会館・富山市
  • 年月日: 2012-11-17
• [学会発表] nc-AFMによる相互作用力と表面電子状態の相関の検討 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石川稔景
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学・横浜市
  • 年月日: 2012-09-28
• [学会発表] 音叉型水晶振動子を応用した非接触原子間力顕微鏡用力センサーの固定法に依る性能評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 大江弘晃
  • 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・松山市
  • 年月日: 2012-09-12
• [学会発表] Probing the interaction of self-assembly of alpha-laetalbumin on hydrophilic and hydrophobic surfaces derived from Si(111)7×7 (2012)
  • 著者名/発表者名: Z. A. Ansari
  • 学会等名: The 15th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Cesky Krumlov, Czech Republic
  • 年月日: 2012-07-03
• [学会発表] Relationship between force and current on resonance state between a Si tip and Si(111)7×7 (2012)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai
  • 学会等名: The 15th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Cesky Krumlov, Czech Republic
  • 年月日: 2012-07-02
• [学会発表] Non-contact atomic force microscopy analysis of a hydrogen terminated Si(111)7×7 surface (2012)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai
  • 学会等名: The 15th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Cesky Krumlov, Czech Republic
  • 年月日: 2012-07-02
• [学会発表] Improvement of the Q factor of a tuning fork quartz force sensor with modified holding ways for nc-AFM/STM (2012)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai
  • 学会等名: The 15th International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy
  • 発表場所: Cesky Krumlov, Czech Republic
  • 年月日: 2012-07-02
• [備考] ナノ物理学研究室 (金沢大学大学院 自然科学研究科 数物科学専攻)
  • URL: http://nanophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/