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大気中においても高いQ値を示す水晶振動子を力センサーとして用いることで高感度・高分解能の原子観力顕微鏡(AFM)による測定が実現され、生体試料を初めとする分子試料、溶液中での触媒反応など、真空中では観察が困難な分野にも応用が広がると期待される。本研究ではこの水晶振動子を用いた大気中動作の非接触AFMの開発を行った。
1.広帯域高感度I/V(電流-電圧変換器)の開発
水晶振動子の振動を高いS/Nで検出するために初段のアンプであるI/Vの高ゲイン化を行った。回路方式の変更と超高速のオペアンプを用いることで、帯域3MHzで、トランスインピーダンスゲイン320kΩと10倍以上に高めることに成功した。
2.高感度FM復調器の開発
通常AFMに比べ約3桁近く周波数シフト量が水晶振動子からの信号を検出するためアナログクワドラチャ方式を採用し、多段水晶振動子移送器を用いることで、超高感度(最小検出10mHz)と高帯域(135Hz(1ms))を得、励振回路、I/Vを含む総合特性で、通常のAFMより約2桁感度を高めた。
3.Q値を高める正帰還励振方式の開発
空気中を初め、溶液中でも高いQ値を持ち安定した励振を可能.とするため、発振器と自動ゲイン調整回路および移相器を組み合わせた回路方式を考案した。単純な励振に比べQ値を10倍以上に向上させ、感度の向上を図ることができた。
4.大気中でのSi(111)単原子ステップの観察
本装置の分解能を評価するためSi(111)単原子ステップの観察を行った。空気中での最適振動振幅は12〜16Åであった周波数シフト量と周波数ノイズとから最適値を求めた。観察は平均周波数シフトは-70mHz、1画面9分で画像化に成功した。約5倍の高速化と垂直分解能0. 8Å、水平分解能44Åが得られた。
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