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2017 年度 実績報告書

高速三次元AFMの開発とそれを用いた分子吸着構造のサブナノスケール観察技術の確立

研究課題

研究課題/領域番号 16J01938
研究機関金沢大学

研究代表者

宮澤 佳甫  金沢大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2019-03-31
キーワードAFM / 3D-SFM / ハードディスク / 潤滑剤 / 原子間力顕微鏡 / 三次元走査型力顕微鏡 / Hard disk / Lubricant
研究実績の概要

本研究では、周波数変調原子間力顕微鏡(FM-AFM)をベースに開発した三次元走査型力顕微鏡(3D-SFM)を応用し、産業分野で使用されている薄膜の複雑な3次元分子吸着構造を可視化する手法の確立を目指している。昨年度は、ハードディスク(HD)用潤滑剤の3次元分子吸着構造の3D-SFM計測に取り組み、3D-SFMで計測される3次元力分布像に水平方向に横たわる繊維状の構造が確認された。これは、潤滑剤の構造から予想されている分子吸着構造に相関性のあるコントラストであり、潤滑剤分子の骨格そのものを表していると考えていた。本年度は、HDに汎用的に用いられている潤滑剤(両末端に水酸基が付随)以外に、片方の末端のみ水酸基が付随しているものや、水酸基の位置、末端構造を変化させた潤滑剤の計測を行った。実験開始前は、これらの潤滑剤構造を反映したコントラストが力分布像に表れると考えていたが、実際には、分子スケールの繊維状構造は確認されたものの、その分子種依存性を定性的に評価することが困難な程度に複雑な3次元分布を有しており、明瞭な分子種依存性を示すことができなかった。これは、3D-SFM計測で取得する力分布像には、潤滑剤分子以外に、その周囲の水和構造の影響が含まれているため、それらが複雑なコントラストを形成していると考えられる。現状では、力分布像から潤滑剤分子と水和構造を明確に分離することは困難であり、これが分子種依存性の比較の妨げとなっている。今後、雰囲気制御AFMを開発することにより、ヘリウムガス環境下で同様の3D-SFM計測の手法を確立することにより、水分子の影響を排除し、3D-SFM像の繊維状構造に関して分子種依存性を定性的に示すことができると考えられる。

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

本研究は、順調に進展している。本年度は、ハードディスク用潤滑剤の分子種を変化させた時に、3D-SFMで計測される力分布像に明瞭な分子種依存性が見られるかどうか検証した。結果としては、溶液中における計測では明瞭な分子種依存性が見られなかったが、力分布像に潤滑剤分子とその表面の水和構造の複雑な分布を可視化している可能性を示す結果が得られた。この結果を基に、これらの課題点を克服するためのAFM装置改良を進めることで、潤滑剤分子そのものの3次元分子吸着構造の可視化が実現できると考えている。

今後の研究の推進方策

来年度は、環境制御AFMの開発と、カーボンナノチューブ探針の開発に取り組み、ハードディスク用潤滑剤のヘリウムガス雰囲気中における分子スケール3次元計測に取り組む。環境制御AFMを開発することにより、水分子の影響を排除した環境で3D-SFM計測が可能となる。また、従来のSi探針よりもナノレベルで鋭く細いカーボンナノチューブ探針を開発し、潤滑剤分子の表面から底部まで貫くことができるかどうか検証する。これが実現できれば、潤滑剤分子表面の立体構造だけではなく、潤滑剤分子全体を3次元的に計測することが可能となる。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Influence of ions on two-dimensional and three-dimensional atomic force microscopy at fluorite-water interfaces2018

    • 著者名/発表者名
      K. Miyazawa, M. Watkins, A. L. Shluger and T. Fukuma
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 90 ページ: 245701-1, 8

    • DOI

      10.1088/1361-6528/aa7188

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Dissolution Processes at Step Edges of Calcite in Water Investigated by High-Speed Frequency Modulation Atomic Force Microscopy and Simulation2017

    • 著者名/発表者名
      K. Miyata, J. Tracey, K. Miyazawa, V. Haapasilta, P. Spijker, Y. Kawagoe, A. S. Foster, K. Tsukamoto, T. Fukuma
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 17 ページ: 4083, 4089

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.7b00757

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 三次元走査型力顕微鏡を用いたハードディスク用潤滑剤の分子スケール3次元吸着構造解析2017

    • 著者名/発表者名
      宮澤佳甫、中嶋脩貴、豊田真理子、相方良介、清水豪、福間剛士
    • 学会等名
      第37回表面科学学術講演会
  • [学会発表] カルサイト/水界面で取得した3次元力分布像の探針依存性2017

    • 著者名/発表者名
      宮澤佳甫、J. Tracey、B. Reischl、P. Spijker、A. Foster、福間剛士
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 薄膜シールド機構を備えた液中AFMの開発2017

    • 著者名/発表者名
      宮澤佳甫、山村俊貴、泉久範、高橋康史、福間剛士
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] マイカ上に自己組織化させた人工設計タンパク質の分子スケール液中FM-AFM計測2017

    • 著者名/発表者名
      宮澤佳甫、Z. Shuai、J. De Yoreo James、福間剛士
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 三次元走査型力顕微鏡(3D-SFM)を用いたマイカとグラフェン上の3次元水和構造の同時計測2017

    • 著者名/発表者名
      宮澤佳甫、 楊志文、 宮田一輝、 黄英碩、 福間剛士
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Comparison of 3D force images obtained by 3D-SFM and MD simulation at a calcite-water interface2017

    • 著者名/発表者名
      K. Miyazawa, J. Tracey, B. Reishl, P. Spijker, A. S. Foster, T. Fukuma
    • 学会等名
      Japan-Finland Research Exchange Meeting: Probing Solid-liquid Interface at the Atomic Scale Aalto University
    • 国際学会
  • [学会発表] In-liquid AFM with a membrane shield for separating a cantilever from liquid environment2017

    • 著者名/発表者名
      K. Miyazawa, T. Yamamura, H. Izumi, Y. Takahashi, T. Fukuma
    • 学会等名
      20th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy(NC-AFM2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Tip dependence of subnanometer-scale contrasts in three-dimensional force images obtained at calcite-water interfaces by 3D-SFM2017

    • 著者名/発表者名
      K. Miyazawa, J. Tracey, B. Reischl, P. Spijker, A. S. Foster, T. Fukuma
    • 学会等名
      20th International Conference on non-contact Atomic Force Microscopy(NC-AFM2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Visualizing Inhomogeneous Molecular Adsorption Structures of a Lubricant Layer on a Magnetic Hard Disk by 3D-SFM2017

    • 著者名/発表者名
      K. Miyazawa, N. Nakajima, M. Toyoda, R. Sagata, T. Shimizu, T. Fukuma
    • 学会等名
      2017 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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