AFM技術を用いた液体超薄膜の面内・面外高速流動特性に関する実験的研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14702026
• 研究機関: 鳥取大学
• 研究代表者: 松岡 広成 鳥取大学, 工学部, 助教授 (10314569)
• キーワード: マイクロ / ナノトライボロジー / 液体超薄膜 / 原子間力顕微鏡(AFM) / 分子間力 / メニスカス力 / 振動応答特性 / マイクロメカニズム / 磁気ディスク装置

研究概要

本研究の目的は、液体超薄膜(厚さ数nm)の面内・面外高速流動特性を実験的に解明し、学術的考察のみならず、微小機械の潤滑設計指針を得ることである。具体的には、i)原子間力顕微鏡(AFM)を用い、液体超薄膜の高速流動特性を超高精度に測定する手法を確立し、次に、これを用いて、ii)面外高速振動に対する液体超薄膜の流動特性、およびiii)面内高速摺動に対する液体超薄膜の流動特性を、種々の実験条件下で解明する。
平成15年度は、超薄膜液体の高速流動特性の高精度計測に向けて、AFMカンチレバーの静的たわみ特性、非減衰振動特性、ばね定数計測手法などについて、理論的・実験的に検討を行った。まず、静的たわみ特性については、購入したAFMに使用されている光てこ法による4分割フォトダイオードの出力について、その理論的定式化や線形範囲の検討などを行い、高精度計測を行う際に必要なキャリブレーションに関する理論的バックグラウンドを確立した。次に、短冊形カンチレバーの非減衰自由・強制振動の理論解析を行い、その特性を明らかにした。光てこ法を用いてカンチレバーの振動振幅を測定した場合、実際の振幅とは異なる計測結果が得られることを明らかにし、これを補正するための補正係数を振動周波数の関数として求めることに成功した。これは、特にAFMのダイナミック計測における高精度化に有用な結果である。また、カンチレバーの応答特性を測定し、そこから得られる固有振動数を用いてカンチレバーのばね定数をより高精度に求める手法を確立した。さらに、流動特性の超高精度計測の基礎となるピエゾ素子の振動特性測定を行うための装置を作製し、その性能を確認した。
以上のように、液体超薄膜の高速流動特性を高精度に測定するために必要な基本的特性の解明を、理論的・実験的に推進した。

研究成果

• [文献書誌] H.Matsuoka, S.Ohkubo, S.Fukui: "Dynamic Characteristics of Flying Head Slider Considering van der Waals Forces(Analyses Based on the Corrected van der Waals Force Equation for Multilayers)"Proceedings of the 2003 Magnetic Storage Symposium, Frontiers of Magnetic Hard Disk Drive Tribology and Technology. ASME Trib-Vol.15. 51-57 (2003)
• [文献書誌] 松岡広成, 福井茂寿: "近接する複合層に働くファンデルワールス力の汎用的近似式の導出(超微小すきま浮動形磁気ヘッドスライダの静的浮上解析への適用)"日本機械学会論文集,C編. 第69巻・686号. 2810-2817 (2003)
• [文献書誌] 山口明利, 松本俊二, 法浄華, 松岡広成, 福井茂寿: "メニスカスの振動伝達に関する実験的研究"日本機械学会IIP2004情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集. No.04-7. 54-57 (2004)
• [文献書誌] 松本俊二, 山口明利, 松岡広成, 福井茂寿: "液体メニスカスが局在する固体面間に生ずる液体反力の解析"日本機械学会IIP2004情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集. No.04-7. 58-63 (2004)
• [文献書誌] 小林真也, 松岡広成, 福井茂寿: "AFM カンチレバーの静的たわみによる4分割フォトダイオード電圧出力特性に関する理論解析"日本機械学会中国四国学生会第34回学生員卒業研究発表講演会 講演前刷集. 204 (2004)
• [文献書誌] 保科有希, 松岡広成, 福井茂寿: "AFMカンチレバーの非減衰強制振動とその4分割フォトダイオードによる測定に開する理論解析"日本機械学会中国四国学生会第34回学生員卒業研究発表講演会 講演前刷集. 206 (2004)