走査型プローブ顕微法による金属表面のマイクロトライボロジに関する研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08650856
• 研究機関: 広島電機大学
• 研究代表者: 李木 経孝 広島電機大学, 工学部, 助教授 (10136129)
• 研究分担者: 遠藤 敏郎 広島電機大学, 工学部, 教授 (60069200) ; 桧高 靖治 広島電機大学, 工学部, 教授 (20228737) ; 中田 美喜子 広島電機大学, 工学部, 講師 (60237302)
• キーワード: 走査型プローブ顕微法(SPM) / 原子間力顕微法(AFM) / 走査型トンネル顕微法(STM) / 超微細加工 / ナノスケール加工 / 高密度記録 / マイクロトライボロジ / 金属材料

研究概要

雰囲気制御のもとで垂直力と水平力の同時測定が可能なマイクロトライボロジー用のSPMシステムを製作し、このシステムにより層状物質のMica、HOPGおよびMoS_2、純金属のNi、CuおよびAl等の試料についてマイクロトライボロジーの検討を行った。この結果、格子周期に対応した原子凹凸像と水平力像が得られ、水平力像の信号波形は平均値(F_<LD>)と周期変動幅(F_<LA>)によって評価できることを見出した。F_<LD>およびF_<LA>と垂直荷重(F_N)の関係に及ぼす相対湿度(RH)の影響を検討した結果、RH 30%では、F_<LA>はF_Nの増加とともに増加するが、F_<LD>はほぼ一定であった。RH 70%では、RH 30%のときよりF_Nに対するF_<LA>の依存性は大きくなるが、レベルの低下が観察された。これは、RHの増加にともない凝着力(F_<me>)に寄与する吸着水膜が増加し、水平力を低減させたと考えられる。摩擦係数については、低荷重域で大きい値を示し、高荷重になるに従って小さくなく。さらに水中測定では、大気中よりもF_<LA>、F_<LD>のレベルは低減するが、F_Nに対する依存性は大きくなった。
これらの結果について、トライボロジー的観点から考察を加えた。測定中の探針と試料表面の接触状態はHertz接触であり、試料表面の破壊をともなわない摩擦特性を示している。探針と試料表面の間のEHL膜厚は最高でもHOPGのときのh_<EHL>=4.74×10^<-6>nmであり、探針と試料表面の間のポテンシャル作用はEHL膜厚によって妨げられていない。さらに、F_Nに関わる凝着力(F_<me>)F_<me>の影響は相対湿度によって変化し、水平力へも影響する。従って、SPM測定は大気中では探針と試料表面の隙間に毛管凝着した水に起因するF_<me>の影響を受け、特に低荷重域では、探針先端と各試料表面との純粋な摩擦特性以上に凝着力の影響を受けた摩擦特性を観察しているといえる。

研究成果

• [文献書誌] T. Sumomogi et al: "Influence of atmosphere on tribological properties of scanning probe microscope observation" 4th Int′l Conf. on Nanometer-scale Sci. & Technol. September 8-12, 1996, Beijing, China,. (Program No. 18-Wep48). (1996)
• [文献書誌] 比枝克徳 他: "ナノトライボロジーの研究を目的とした走査プローブ顕微鏡システムの構成" 広島電機大学・広島自動車工業短期大学研究報告. 29. 41-48 (1996)
• [文献書誌] T. Endo et al: "Preparation of Matallic Nanocluster on Graphite by Laser Ablation in STM/STS Apparatus at Low Temperatures" 9th Int′l Conf. on STM/STS, July 20-25, 1997, Hamburg, Germany. (Program No Th12. 2P05. (1997)
• [文献書誌] M. Yasuda et al: "Correction of surface roughness in nano-scalemeasurements with scanning probe microscope" Mem. Hiroshima-Denki Inst. & Hiroshima Jun. Col. Auto. Engi.,. 30. 47-54 (1997)
• [文献書誌] T. Sumomogi et al: "Nanoscale Evaluation of Roughness on Metal Films Prepared by Laser Ablation" Appl. Phys. A. 66(印刷中). (1998)
• [文献書誌] T. Sumomogi et al: "Influence of atomosphere on tribological properties in scanning probe microscope observation" Appl. Phys. A. 66(印刷中). (1998)