電圧印加非接触原子間力顕微鏡／分光法による水素結合の原子分解能解析

• 研究課題/領域番号: 26600098
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 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): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2014年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 走査型プローブ顕微鏡 / 水素結合

研究成果の概要

本研究は、自作超高真空非接触原子間力顕微鏡（nc-AFM）を用いて、清浄Si探針をプロトンアクセプター（A）とし、試料基板に形成したプロトンドナー（X-H）との水素結合[X-H…A]を1結合単位で調べることを目的とした。試料は、Si(111)7x7表面に微量のNH2とHが吸着した表面を用いた。Nc-AFM像、トンネル電流像、および、Δf―距離曲線から、吸着サイトを同定した。Si-Siの共有結合力は約1.0 (nN)であり、NH2基とSi探針の水素結合 [Si-N-H…Si]の最大引力は約0.05（nN）、H基とSi探針の水素結合 [Si-H…Si] の最大引力は約0.1 (nN)であった。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation and optimization of quartz resonant-frequency retuned fork force sensors with high Q factors, and the associated electric circuits, for non-contact atomic force microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Ooe, Mikihiro Fujii, Masahiko Tomitori, Toyoko Arai
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 号: 2
  • DOI: 10.1063/1.4941065
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Atomic-scale electric capacitive change detected with a charge amplifier installed in a non-contact atomic force microscope (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Nogami, Akira Sasahara, Toyoko Arai, Masahiko Tomitori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 号: 4 ページ: 046601-046601
  • DOI: 10.7567/apex.9.046601
  • NAID: 210000137866
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Combined scanning tunneling microscopy, spectroscopy, and atomic force microscopy reveal that single atom tips maximize the intensity of inelastic tunneling spectroscopy data (2016)
  • 著者名/発表者名: 1.Norio Okabayashi, Alexander Gustafsson, Angelo Peronio, Magnus Paulsson, Toyoko Arai, and Franz J. Giessibl
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.165415
  • 査読あり / 国際共著
• [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におけるジュール発熱によるエネルギー散逸の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 稲村 竜、富取 正彦、新井 豊子
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 電気伝導と力学特性の同時測定による金ナノ接点の原子配列の考察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 橋本 遼太、新井 豊子、村上 拓 、石塚 彗介、大島 義文、富取 正彦
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Bimodal FM-AFMを用いたKBr(100)表面の大気中原子分解能観察 Atomic resolution observation on KBr(100) surface with bimodal FM-AFM in ambient (2016)
  • 著者名/発表者名: 大江 弘晃、Diminik Kirpal、Daniel S. Wastl、Alfred J. Weymouth、Franz J. Giessibl、新井 豊子
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] チャージアンプを備えたnc-AFMによる表面電子状態解析 (2016)
  • 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63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 探針先端の規定された非弾性電子トンネル分光における実験と理論の比較 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡林則夫, Alexander Gustafsson, Angelo Peronio, Magnus Paulsson, 新井豊子, Franz J. Giessibl
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Atom-resolved analysis of solid surfaces covered with thin water layers in air by frequency modulation atomic force microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai, Kohei Sato, Masashi Koshioka, Asuka Iida
  • 学会等名: 23rd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM23)
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジホテル（北海道）
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会
• [学会発表] 金ナノ接点の電気伝導と力学特性の同時測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 橋本遼太，新井豊子，大島義文，富取正彦
  • 学会等名: 第35回表面科学学術講演会、第56回真空に関する連合講演会（2015年真空・表面科学合同講演会）
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] 金ナノ接点の力学的・電気的特性の同時測定法の検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 村上 拓、橋本 遼太、石塚 慧介、大島 義文、富取 正彦、新井豊子
  • 学会等名: 2015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（石川県）
  • 年月日: 2015-11-28
• [学会発表] 周波数変調原子間力顕微鏡による水膜中固体表面の原子分解観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 昂平，飯田 明日香，新井 豊子
  • 学会等名: 2015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（石川県）
  • 年月日: 2015-11-28
• [学会発表] Frequency modulation-atomic force microscopy imaging of solid surfaces covered with thin water layers in air (2015)
  • 著者名/発表者名: Toyoko Arai, Masashi Koshioka, Kohei Sato
  • 学会等名: 表面界面スペクトロスコピー2015
  • 発表場所: 国立女性教育会館（埼玉県）
  • 年月日: 2015-11-27
• [学会発表] CO分子に対するSTM/AFMを用いた非弾性電子トンネル分光における探針先端の役割 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡林則夫, Alexander Gustafsson, Angelo Peronio, Magnus Paulsson, 新井豊子, Franz J. Giessibl
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪府）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] 長辺振動水晶振動子を力学センサーに応用した金ナノ接点の力学・電気伝導特性の同時計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 橋本 遼太、新井 豊子 、大島 義文 、富取 正彦
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Dissipation decrease in a proximity region enhanced with a hydrogen-terminated Si tip in non-contact atomic force microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Inamura, M. Tomitori, T. Arai
  • 学会等名: 18th International Conference on non contact Atomic Force Microscopy (ncAFM2015)
  • 発表場所: Cassis, France
  • 年月日: 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous NC-AFM imaging with current and damping energy using a retuned fork sensor with a high Q-value (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Ooe, M. Fujii, M. Tomitori, T. Arai
  • 学会等名: 18th International Conference on non contact Atomic Force Microscopy (ncAFM2015)
  • 発表場所: Cassis, France
  • 年月日: 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Tip-sample distance dependence of the output of a charge amplifier in NC-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nogami, T. Arai, A. Sasahara, M. Tomitori
  • 学会等名: 18th International Conference on non contact Atomic Force Microscopy (ncAFM2015)
  • 発表場所: Cassis, France
  • 年月日: 2015-09-07
  • 国際学会
• [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, 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