超音波原子間力顕微鏡による表面下の原子層の観察と操作

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450017
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山中 一司 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00292227)
• 研究分担者: 長 秀雄 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (60296382) ; 三原 毅 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20174112)
• キーワード: 刃状転位 / 共振周波数 / 真空 / Q値制御 / 超音波原子間力顕微鏡 / 余剰原子面 / グラファイト / 2硫化モリブデン

研究概要

(1)内部原子面の解析
超音波原子間力顕微鏡による内部原子面の解析技術の検討を行い、グラファイトと2硫化モリブデンの転位の部分における共振周波数の変化の2次元分布を、共振追尾回路により画像化を試みた結果、鮮明に画像化できた。またこのようにして得られた転位の映像部分のスペクトルを詳細に測定した結果、転位芯からの距離に応じて特徴的に変化する非線形振動メペクトルを測定した。
この現象を理論的に解析するため、stiffeningおよびsofteningの効果を表わす3次の弾性係数を導入した調和振動子モデルを構築し、基本周波数における振動振幅の跳びを求め、転位部分で得られた共振スペクトルにおける急激な振幅変化との関連を明らかにした。ついで、理論計算結果と比較して、余剰原子面近傍の原子面の隙間の開閉を説明するモデルを提案した。
(2)層状化合物における原子操作
超音波原子間力顕微鏡用の雰囲気制御装置を試作し、グラファイトの物性の環境による変化を検討した。その結果、真空中では大気中にくらべて荷重と転位の移動量の関係に変化が生じ、真空中では動きにくいことが示唆される結果を得た。次に、超音波原子間力顕微鏡により転位を観察した後高い荷重を作用させて変形させた結果、変形をピン止めして固定できた。これは、内部に意図した形状の原子面の構造を形成できた世界最初の例である。さらに、他の層状物質(雲母、2硫化モリブデン)も同様の検討を行った。

研究成果

• [文献書誌] Toshihiro Tsuji, Hiroshi Irihama, Kazushi Yamanaka: "Observation of Anomalous Dislocation Behavior in Graphite Using Ultrasonic Atomic Force Microscopy"Jpn.J.Appl.Phys. 41. 832-835 (2002)
• [文献書誌] Toshihiro Tsuji, Hiroshi Irihama, Tsuyoshi Mihara, Kazushi Yamanaka: "Nonlinear Vibration of atomic scale discontinuity observed by using ultrasonic atomic force microscopy"Technical Acoustics (China). 21. 287-290 (2002)
• [文献書誌] Toshihiro Tsuji, Hiroshi Irihama, Kazushi Yamanaka: "Observation of Dislocation Behavior in Graphite by Using Ultrasonic Atomic Force Microscopy"JSME International Journal A. 45. 561-565 (2002)
• [文献書誌] Kazushi Yamanaka, Hiroshi Irihama, Toshihiro Tsuji, Keiichi Nakamoto: "Ultrasonic atomic force microscopy with real time mapping of resonance frequency and Q factor"Proceeding of SPIE. 4703. 85-92 (2002)
• [文献書誌] Kazushi Yamanaka: "Ultrasonic nondestructive evaluation for nanotechnology"Proc KSNT Workshop, Nondestructive evaluation for nanotechnology. 3-12 (2002)