静電気力顕微鏡による素電荷の原子分解能観察条件の研究

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450018
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 森田 清三 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50091757)
• 研究分担者: 菅原 康弘 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40206404)
• キーワード: 原子間力顕微鏡 / 原子間力 / 静電気力顕微鏡 / 静電気力 / 清浄表面 / 原子分解能 / 半導体表面 / 電荷

研究概要

1) 現有の静電気力顕微鏡の超高感度化
探針先端に働く非常に微弱な静電気力を高感度に測定するためには、探針の振動振幅を安定に保持しながら、探針の共振周波数の変化を高感度に検出する必要がある。そこで、まず、振幅変動幅0.1Åの現有の振動安定化回路を改良し、超安定な振動振幅を実現する。具体的には、ノイズ成分の極めて少ない可変ゲイン回路を導入し、振幅変動幅0.01Åを実現する。また、現有の周波数復調回路(検出感度0.1Hz)を改良し、超高感度(検出感度0.01Hz)な周波数検出を実現した。
2) 静電気力と原子間力の分離回路の改良
絶縁体表面の帯電電荷の振る舞いを理解するためには、表面の構造と帯電電荷の分布とを分離することが重要である。現在は、交流変調法を用いて、表面に働く原子間力と帯電電荷による静電気力とを分離しているが、さらに時分割法を併用することにより、SN比を向上させた。
3) 探針の先鋭化処理や清浄度を評価する装置の付加
表面に働く静電気力を原子分解能で安定に観察するためには、原子レベルで先鋭で清浄な探針を使用することが不可欠である。すなわち、探針先端の1個の原子が容易に移動しないようにする必要がある。そこで、現有の静電気力顕微鏡に探針の清浄度と先鋭度を評価する装置を付加し、表面に働く静電気力を高分解・高感度・高安定に観察できるようにした。
4) 素電荷を高分解能に測定するための観察条件の理論的検討
素電荷による静電気力を高分解に測定するためには、原子間距離に相当する間隔(1nm以下)まで、探針先端を試料表面に近づける必要がある。しかし、このような距離では、原子間力や静電気力による力勾配が急激に大きくなり、この引力勾配が板ばねのばね定数よりも大きくなると、探針が試料側に突然ジャンプし接触してしまう。そこで、個々の素電荷を分離して観察するために必要なばね定数の大きさについて理論的に検討する。

研究成果

• [文献書誌] H.Ueyama et al.: "“Stable operation mode for dynamic noncontact atomic force microscopy"" Appl.Phys.A. Vol.66. S295-S297 (1998)
• [文献書誌] R.Nishi et al.: "“New computed tomography algorithm of electrostatic force microscopy based on the singular value decomposition combined with the discrete Fourier rtansform"" Jpn.J.Appl.Phys.37・4A. L417-L419 (1998)
• [文献書誌] M.Abe et.al.: "Optical near-field imaging using Kelvin probe technique" Jpn.J.App.Phys.37・9A/B. L1074-L1077 (1998)
• [文献書誌] Y.Sugawara et.al.: "True atomic resolution imaging of surface structure and surface charge on the GaAs(110)" Appl.Sur.Sci.137・3-4. (1999)
• [文献書誌] S.Orisaka et.al.: "“The Atomic Resolution Imaging of Metallic Ag(111)Surface by Noncontact Atomic Force Microscope"" Appl.Sur.Sci.137・3-4. (1999)
• [文献書誌] S.Morita and Y.Sugawara: "“Guidelines for the Achievement of True Atomic Resolution with Noncontact Atomic Force Micriscopy"" Appl.Sur.Sci.137・3-4. (1999)
• [文献書誌] T.Minobe et.al.: "“Distance Dependence of Noncontact AFM Image Contrast on Si(111)√<3>×√<3>-Ag Structure"" Appl.Sur.Sci.137・3-4. (1999)
• [文献書誌] M.Abe et.al.: "“Near-field Optical Imaging Using Force Detection with New Tip-Electrode Geometry"" Appl.Sur.Sci.137・3-4. (1999)
• [文献書誌] T.Uchihashi et.al.: "“Imaging of Chemical Reactivity and Buckled Dimers on Si(100)2×1 Reconstructed Surface with Noncontact AFM"" Appl.Sur.Sci.137・3-4. (1999)