原子間力プローブによる力学的相互作用の理論

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11226201
• 研究種目: 特定領域研究(B)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 塚田 捷 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (90011650)
• 研究分担者: 田村 了 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (20282717) ; 渡辺 聡 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (00292772) ; 岡崎 進 東京工業大学, 総合理工学研究科, 助教授 (70194339)
• キーワード: 非接触原子間力顕微鏡 / 表面構造 / 分子間相互作用 / 表面間相互作用 / 探針・表面相互作用力 / 原子間力プローブ / 摩擦素過程 / タンパク質分子

研究概要

非接触原子間力顕微鏡(nc-AFM)の機構を理論的に解明し、像の定量的解析法を開発する。測定量がナノスケールでみた物質のどのような特性を反映するのかを解明し、画像や3次元力分布の定量的理論解析法を開発する。さらに摩擦の原子尺度素過程、表面原子種とくに吸着分子の同定法の可能性を理論的に探り、非線形・非局所系としてのナノ構造物質の力学的な性質、散逸過程などを研究している。第一原理計算から探針・表面相互作用力を計算し、これを共鳴周波数シフトに変換して非接触原子間力顕微鏡像を再現するための理論シミュレーション法を開発した。特に、その効率化のための2次元フーリエ変換法を考案し、Si(111)7×7表面,Si(111)√<3>×√<3>-Ag表面に適用して、実験と比較した。さらに走査散逸力顕微鏡の理論を研究し、この実験法が表面のナノ力学的な性質、例えばを表面のやや内部にある空洞の画像化などを検出するため有効なことを確認した。種々の表面構造と探針表面間相互作用の第一原理計算を実行するために、本年度ワークステーションを導入した。この計算機は理論班で必要となるプログラム開発・改良、数値計算、データ処理などを実行するために使用する。また、本研究テーマが大規模数値計算を要することに鑑み、研究の効率的推進のために、並列処理を可能にするよう計算プログラムを改良する作業を進めた。探針と相互作用するタンパク質分子など大きな分子の動力学について予備計算を実施するとともに、大規模計算に適した分子動力学計算プログラムの開発を開始した。

研究成果

• [文献書誌] N. Sasaki and M. Tsukada: "New Method of Noncontact AFM Image Simulations"Jpn. J. Appl. Phys.. 38. 192-194 (1999)
• [文献書誌] N. Sasaki and M. Tsukada: "Theory for the effect of the tip-surface interaction potential on atomic resolution in forced vibration system of noncontact AFM"Appl. Surf. Sci.. 137/3-4. 339-343 (1999)
• [文献書誌] H. Aizawa, M. Tsukada, N. Sato and S. Hasegawa: "Asymmetric Structure of the Si(111)-√<3>×√<3>-Ag Surface"Surface Sci.. 429. 509-514 (1999)
• [文献書誌] M. Ganthier and M. Tsukada: "Theory of non-contact dissipation force microscopy"Phys. Rev. B. 60. 11716-11722 (1999)
• [文献書誌] M. Tsukada, N. Kobayashi, M. Brandbyge and S. Nakanishi: "Physics of Artificial Nano-Structures on Surfaces"Progr. Surf. Sci.. (in press).
• [文献書誌] N. Sasaki, H. Aizawa and M. Tsukada: "Theoretical simulation of noncontact AFM images of Si(111)_3×√<3>-Ag surface based on Fourier expansion method"Appl. Surf. Sci.. (in press).
• [文献書誌] N. Sasaki, H. Aizawa and M. Tsukada: "Fourier Expansion Method for Noncontact AFM Image Simulations - Application to Si(111)√<3>×_3-Ag Surface"J JAP L.. (in press).
• [文献書誌] 佐々木成朗、塚田捷: "原子間力顕微鏡における微視的凝着の理論"日本溶接学会誌. 2月号.
• [文献書誌] N. Yoshii, R. Miyauchi, S. Miura and S. Okazaki: "A Molecular dynamics study of equation of state of water using a fluctuating charge model"Chem. Phys. Lett.. (in press).
• [文献書誌] W. Shinoda and S. Okazaki: "Molecular dynamics study of the dipalmitoyl phosphatidylcholine bilayer in the liquid crystal phase : An effect of the potential force fields on the membrane structure"J. Mol. Liq.. (in press).
• [文献書誌] Y. Suwa, A. Yajima, M. Tsukada, S. Watanabe, M. Ichimura, T. Onogi and T. Hshizume: "Electronic Structures of Atomic Wires on a H-Terminated Si(100) Surface"Transactions Material Research Society of Japan. 24. 213-216 (1999)
• [文献書誌] Y. Suwa, T. Hitosugi, S. Matsuura, S. Watanabe, S. Heike, T. Hashizume and T. Onogi: "Theoretical Study of Diffusion of Ga Atoms on a H-Terminated Si Surface"Transactions Materials Research Society of Japan. 24. 2217-220 (1999)