| 研究課題/領域番号 |
16H02076
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
新井 豊子 金沢大学, 数物科学系, 教授 (20250235)
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| 研究分担者 |
佐々木 成朗 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (40360862)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | ナノ水膜 / 水固体界面 / 周波数変調原子間力顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡 |
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| 研究実績の概要 |
大気圧下で湿度・ガス種・温度を制御した環境で動作する周波数変調原子間力顕微鏡(FM-AFM)/走査型トンネル顕微鏡(STM)を開発する。厚さ数 nmの水膜（ナノ水膜）で覆われた固体表面を制御して調製し、固体表面および水膜-固体界面の構造を原子分解能で観察・解析し、原子レベルの局所酸化・還元法の確立を目的としている。
１．FM-AFM/STMの開発：音叉型水晶振動子を力センサーとして用いるFM-AFM/STM本体機構をほぼ完成させた。探針として、シリコン小片、サファイア小片を水晶振動子先端に形成し、動作確認した。KBr(100)表面を試料として、単原子ステップが観察できた。
２．固体表面上の水膜内の固液界面構造・ナノ水膜内の特性の解明：高湿度大気環境に劈開したマイカ基板を置くと、その湿度・温度に依存して、2nm程度の極薄水膜が形成される。現有のFM-AFMを用いて、極薄水膜/マイカ界面を観察した。極薄水膜/マイカ界面の水和構造は、従来、水中AFMによって観察されている水/マイカ界面の水和構造と比較して、第1・第2水和層は同様の2次元構造であったが、エピタキシャル成長の痕跡を残し、より硬い構造を取っていることが示唆された。
３．カンチレバー（三次元バネ）に接続された探針-試料表面系の静的接触モードおよび動的モードAFMの古典的分子力学・分子動力学シミュレータの構築を開始した。テストケースとして、ナノカーボン（ダイヤモンド(111)クラスター）探針、カーボン（グラフェンクラスター）試料表面を考えた。ポテンシャル関数にはTersoffポテンシャルを用いて炭素系を記述した。初年度は探針押し込み・引き剥がしと探針引きずりの予備シミュレーションを行い、探針の試料表面へのスナップイン・スナップオフを示す垂直力曲線、探針のスティック・スリップ運動を示すのこぎり波形を有する水平力曲線を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
周波数変調原子間力顕微鏡(FM-AFM)/走査型トンネル顕微鏡(STM)の開発立ち上げをほぼ完成させた。音叉型水晶振動子を用いた力センサーは、大気中でもQ値が数千を維持し、高分解に観察できる可能性が高い。試料台の温度を独立に調整できるので、水膜厚さを制御可能である。
高湿度大気環境からゆっくりと成長したナノ水膜は、エピタキシャルに成長した痕跡を残し、水/固体界面に形成される水和層は、水バルク中の界面に比べて、狭い範囲に硬く形成されている固有の特性を発見した。
接触モードAFMの予備シミュレーションを行い、探針の典型的なスナップイン運動、スティック・スリップ運動が得られている。
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| 今後の研究の推進方策 |
１．FM-AFM/STMの開発：大気環境下で、完成させたFM-AFM/STM本体機構の機械的・電気的ノイズを低減する。湿度・温度制御チャンバーを設計・製作し、顕微鏡本体を内部に設置する。
２． FM-AFMを恒温槽に設置し、温湿度を制御して、試料表面の水膜厚さを制御して、固液界面構造の解析を進める。マイカ上に、DNAなどの有機分子材料を吸着させ、それを被うようにナノ水膜を形成する。ナノ水膜内の有機分子及び周囲の水和構造を解析する。また、現有の超高真空装置中で、Si(111)、Si(001)基板を清浄化した後、薄く酸化膜を形成する。温湿度制御大気環境で、表面酸化Si基板にどれだけの水膜が成長するか調べる。主に、半導体デバイス製造環境に近い環境で形成されるナノ水膜内で、表面酸化Si基板の高分解能観察を試みる。続いて、微量の金属イオンを含む水溶液を注入し、イオンの拡散速度の水膜厚依存性を調べる。金属イオンの吸着サイトを高分解能に観察し、欠陥の成長を解析する。
３． H28年度に引き続き、探針-試料表面系の静的接触モードおよび動的モードAFM検出用シミュレータの構築を進める。探針として、ナノシリコン（Si(111)、Si(100)クラスター)、ナノカーボン（ダイヤモンド(111)クラスター、グラフェン）を扱えるようにする。また、試料表面として、シリコンやカーボンを扱うことを考える。超高真空条件で最低限必要な相互作用ポテンシャルとして、Tersoffおよびその発展系のポテンシャルを採用する。一方、水分子とシリコン原子、カーボン原子との間の相互作用を組み入れるポテンシャルを選択して、数分子～数十分子の水を組みこみ、探針-表面間隙におけるナノ水膜の分子力学・分子動力学シミュレーションを目指す。
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