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2018 年度 実績報告書

金属ナノ接点の力学特性におけるエントロピー効果

研究課題

研究課題/領域番号 18H01825
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

大島 義文  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80272699)

研究分担者 三宮 工  東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60610152)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードナノ接点 / 透過型電子顕微鏡 / 周波数変調 / 力計測
研究実績の概要

金属ナノ接点力学特性は、ナノ電子機械システムなどのナノデバイスを設計する上でも、また、摩擦現象を原子スケールで理解する上でも重要な課題である。我々は、室温にて金属ナノ接点のヤング率が減少する傾向を見出すことに成功した。これは接点の原子間結合力が強いという低温での実験報告と矛盾するが、この違いはエントロピー弾性の寄与を考慮すれば説明できると予想した。金属ナノ材料でエントロピー弾性を検証した実験は過去にない。
本研究の目的は、試料温度の低下に対するヤング率や塑性変形過程の振る舞いから、金属ナノ接点のエントロピー効果を明らかにすることである。この目的を達成するため、液体窒素による冷却が可能で、かつ、周波数変調方式の力センサーが組み込まれた超高真空透過型電子顕微鏡用試料観察ホルダーを開発し、異なる温度における金属ナノ接点の弾性定数や塑性変形過程を調べ、モンテカルロ計算との比較からエントロピー効果を議論する。
本研究で特に重要な点は、以下の3点である。1. 周波数変調方式の力センサーを用いて金属ナノ接点の等価バネ定数を求める手法を確立する。そのため、力センサーとして用いる長辺振動水晶振動子の特性(感度、バネ定数、Q値)を精密に測定する。また、得られた実験データを正しく解析する方法を確立する。2. この手法を用いて、金や白金ナノ接点のヤング率サイズ依存性、および、結晶方位依存性について明らかにする。3. 力センサーを組み込んだTEMホルダーに試料を冷却するための機構を組み込んだ新たなTEMホルダーを開発する。

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

本年度は、波数変調方式の力センサーを組み込んだTEMホルダーを開発し、これを用いて、この方式による金属ナノ接点のヤング率を測定する方法を確立することである。
1. 力センサーとして用いた長辺振動水晶振動子(Lateral Extension Resonator)の特性を評価した。TEMホルダーに取り付けられたLER先端の金属電極に付着したアモルファスカーボンを用いて、LERを共振した時の高分解能TEM像を得ると同時に、LERで生じた電荷量変化をチャージアンプを用いて電圧で読み込み、振幅と電圧の関係、つまり、LERの感度を明らかにした。次に、LERの熱ノイズスペクトルを測定し、(熱エネルギー)=(振動エネルギー)の関係から、LERのバネ定数を高い精度で求めた。これらの値を利用して、金属ナノ接点の等価バネ定数を高い精度で得ることができた。
2. 金ナノ接点のヤング率のサイズ、および、結晶方位依存性を調べた。サイズが小さくなるとヤング率が低下する様子を明らかにした。

今後の研究の推進方策

昨年度の新たに生じた課題を解決するため、力センサーを組み込んだTEMホルダーの改造を行う。具体的には、LERが取り付けられている電極の剛性を高めるため、マイクロメーターによる粗動を止めて、小型の超音波モーターを粗動として用いる。さらに、超音波モーターとLERが取り付けられている電極間の機械的な接合を外せるようにすることで、実験時に超音波モーターが機械的に外れるようにする。これにより、LER先端の電極と対向電極間に架橋した金属ナノ接点を安定して保持できるため、周波数変化などの情報をより正確に測定できると期待している。
この改造により、金や白金ナノ接点のサイズ依存性や結晶方位依存性に関する結論を得る。

  • 研究成果

    (39件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件) 学会発表 (34件) (うち国際学会 13件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Transmission electron diffraction study of a uniaxially-ordered high-mobility polymeric semiconductor2019

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Masayuki、Yamashita Yu、Matsui Hiroyuki、Oshima Yoshifumi、Takeya Jun
    • 雑誌名

      Microscopy

      巻: 68 ページ: 167~173

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfy139

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Preparation of biaxially textured Ce 1-x (Y 0.2 Zr 0.8 ) x O δ buffer layers on RABiTS NiW tapes by chemical solution deposition2018

    • 著者名/発表者名
      Lei Li、Li Limin、Wang Shasha、Zhao Gaoyang、Oshima Yoshifumi、Ren Yang、Zhao Lei、Jin Lihua、Wang Yao、Li Chengshan、Zhang Pingxiang
    • 雑誌名

      Journal of the European Ceramic Society

      巻: 38 ページ: 4694~4700

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.06.037

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly (001)-oriented zirconium-doped ceria films grown on biaxially textured nickel tungsten substrates through an inorganic-salts-based chemical solution deposition route2018

    • 著者名/発表者名
      Lei Li、Li Limin、Wang Shasha、Jia Jiqiang、Zhao Gaoyang、Oshima Yoshifumi、Jin Lihua、Wang Yao、Li Chengshan、Zhang Pingxiang
    • 雑誌名

      Ceramics International

      巻: 44 ページ: 16025~16029

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.06.039

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A compositional gradient Ce 1-x Zr x O 2 buffer architecture for producing high-performance YBCO film2018

    • 著者名/発表者名
      Lei Li、Li Limin、Wang Shasha、Zhao Gaoyang、Jia Jiqiang、Oshima Yoshifumi、Zhao Lei、Jin Lihua、Wang Yao、Li Chengshan、Zhang Pingxiang
    • 雑誌名

      Materials Characterization

      巻: 142 ページ: 383~388

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.06.002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Atomistic study of GaSe/Ge(111) interface formed through van der Waals epitaxy2018

    • 著者名/発表者名
      Yonezawa Takahiro、Murakami Tatsuya、Higashimine Koichi、Fleurence Antoine、Oshima Yoshifumi、Yamada-Takamura Yukiko
    • 雑誌名

      Surface and Interface Analysis

      巻: 51 ページ: 95~99

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/sia.6557

    • 査読あり
  • [学会発表] Electro-plating and stripping of lead dendrites observed by operando scanning electron microscopy with an electrochemical cell2019

    • 著者名/発表者名
      G. He、Y. Oshima、M. Tomitori
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] TEM-周波数変調法を用いたAuナノワイヤのヤング率方位依存性の測定2019

    • 著者名/発表者名
      小堀 雄稀、石塚 慧介、見寺 悠伽、冨取 正彦、新井 豊子、大島 義文
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] サブ10nmスケールにおける金ナノ接点の定量的弾性評価2019

    • 著者名/発表者名
      石塚 慧介、小堀 雄稀、見寺 悠伽、富取 正彦、新井 豊子、大島 義文
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Mechanical properties of Pt nano-contacts measured by TEM combined with a frequency-modulation force sensing system2019

    • 著者名/発表者名
      J. Zhang、Y. Kobori、K. Ishizuka、M. Tomitori、T. Arai、Y. Oshima
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] グラフェンナノリボンよりカーボンアトミックチェンへの形成メカニズム2019

    • 著者名/発表者名
      張 暁賓、M. Manoharan、岩下 晋也、S. Marek、水田 博、大島 義文
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Dislocation-Driven Growth of CuO Nanowires2019

    • 著者名/発表者名
      L. Xie、X. Zhang、Y. Oshima
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] STEMモアレフリンジ法によるInP/InGaAs界面歪み分布計測2019

    • 著者名/発表者名
      陳 桐民、大島 義文、赤堀 誠志
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] The Fabrication of Suspended Graphene Nanoribbon for In-situ Transmission Electron Microscopy Observation2019

    • 著者名/発表者名
      C. LIU、R. Okubo、X. Zhang、M. E. Schmidt、M. Manoharan、H. Mizuta、Y. Oshima
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Operando SEM observation of corrosion process of Al foil2019

    • 著者名/発表者名
      (X. Chen、G. He、M. Akabori、K. Ohdaira、M. Tomitori、Y. Oshima
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Design and fabrication of single-nanometer-scale graphene phononic crystals for thermal engineering by using focused helium ion beam2019

    • 著者名/発表者名
      H. Mizuta、M. Haque、S. Kubo、Y. Oshima、S. Ogawa、M. Muruganathan
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Determination of intercalated Fe atomic arrangement in TiS2 layers using transmission electron diffraction2019

    • 著者名/発表者名
      Yi Ling Chiew、S. Abe、M. Miyata、M. Koyano、Y. Oshima
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] TEM-STMホルダーを用いたシリコンナノワイヤの作製2019

    • 著者名/発表者名
      黒田 雄貴、大島 義文
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 長辺水晶振動子力学センサーを組み込んだ超高真空透過型電子顕微鏡法によるナノ接点ヤング率の定量計測2019

    • 著者名/発表者名
      石塚慧介, 小堀雄稀, 見寺悠伽, 村上拓, 富取正彦, 新井豊子, 大島義文
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] 金接点弾性のシングルナノスケールでの特異的寸法依存性2018

    • 著者名/発表者名
      石塚慧介、村上拓、大島義文、富取正彦、新井豊子
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] 水晶振動子センサーを用いた金ナノ接点ヤング率の精密測定2018

    • 著者名/発表者名
      小堀 雄稀、石塚 慧介、村上 拓、富取 正彦、新井豊子、大島 義文
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第74回学術講演会
  • [学会発表] グラフェンナノリボン電気伝導計測のためのデバイス構造の作製2018

    • 著者名/発表者名
      大久保 諒、水谷 加奈子、Liu 春萌、張 暁賓、シュミットマレク、ムルガナタンマノハラン、水田 博、大島 義文
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第74回学術講演会
  • [学会発表] 電子線照射による単層グラフェン上ナノポアの制御的加工2018

    • 著者名/発表者名
      張 暁賓、水谷 加奈子、Muruganathan Manoharan、Schmidt Marek、水田 博、大島 義文
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第74回学術講演会
  • [学会発表] Electrical Conductance Measurement of Graphene Nanoribbons2018

    • 著者名/発表者名
      R.Okubo, K. Mizutani, C. Liu, X. Zhang, M. E. Schmidt, M. Muruganathan, H. Mizuta, and Y. Oshima
    • 学会等名
      19th International Microscopy Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of nanopores in monolayer graphene with controllable edge structures2018

    • 著者名/発表者名
      X. Zhang, K. Mizutani, M. Muruganathan, M. E. Schmidt, H. Mizuta, Y. Oshima
    • 学会等名
      19th International Microscopy Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Young's Modulus of Single‐Nano‐Scale Gold Nanowires Estimated by TEM‐AFM2018

    • 著者名/発表者名
      K. Ishizuka, T. Murakami, Y. Kobori, M. Tomitori, T. Arai,Y. Oshima
    • 学会等名
      19th International Microscopy Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Operando TEM observation of lithium ion battery2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Oshima
    • 学会等名
      19th International Microscopy Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of Silver Sulfide Nanostructure and Its Microstructural Observation2018

    • 著者名/発表者名
      YiLing Chiew and Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      Asian conference on Nanoscience and Nanotechnology,
    • 国際学会
  • [学会発表] In-situ Electrical Conductance Measurement of Suspended Graphene Nanoribbon by Transmission Electron Microscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Chunmeng Liu, Ryo Okubo, Xiaobin Zhang, Marek E. Schmidt, Manoharan Muruganathan, Hiroshi Mizuta and Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      Asian conference on Nanoscience and Nanotechnology
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanical Properties of Metal Nano-contacts Measured by TEM Combined with Frequency Modulation Force Sensor2018

    • 著者名/発表者名
      Jiaqi Zhang, Yuki Kobori, Keisuke Ishizuka, Masahiko Tomitori,Tokyoko Arai and Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      Asian conference on Nanoscience and Nanotechnology
    • 国際学会
  • [学会発表] Transition from Pentaheptite Structural Graphene Nanoribbon to Carbon Atomic Chains2018

    • 著者名/発表者名
      Xiaobin Zhang
    • 学会等名
      Asian conference on Nanoscience and Nanotechnology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Operando TEM Observation of Lithium Ion Battery2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      Asian conference on Nanoscience and Nanotechnology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Influence of strain at GaSe/Ge(111) interface formed through Van der Waals epitaxy2018

    • 著者名/発表者名
      T. Yonezawa, H. Nitta, T. Murakami, K. Higashimine, A. Fleurence, Y. Oshima and Y. Y. Takamura
    • 学会等名
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] In-situ Scanning Electron Microscopy Observation of Electro-plating and Stripping of Lead Dendrites in an Electrochemical Cell"2018

    • 著者名/発表者名
      G. He, Y. Oshima and M. Tomitori
    • 学会等名
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] Estimation for Young’s Modulus of Au Nanowires by TEM combined with AFM2018

    • 著者名/発表者名
      K. Ishizuka, T. Murakami, Y. Kobori, M. Tomitori, T. Arai and Y. Oshima
    • 学会等名
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] Measurements of Electronic Conductance and Mechanical Properties of Gold Point Contacts Based on Frequency Modulation Atomic Force Microscopy2018

    • 著者名/発表者名
      H. Mitera, T. Murakami, R. Hashimoto, K. Ishizuka, Y. Oshima, M. Tomitori and T. Arai
    • 学会等名
      14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
    • 国際学会
  • [学会発表] シリコンナノワイヤ電気伝導特性計測を目指したTEM-STM ホルダーの開発2018

    • 著者名/発表者名
      黒田雄貴,大島義文
    • 学会等名
      2018年日本表面真空学会学術講演会
  • [学会発表] 透過電子顕微鏡その場観察によるグラフェンナノリボン電気伝導計測2018

    • 著者名/発表者名
      大久保諒,Liu 春萌,張暁賓,シュミットマレク,ムルガナタンマノハラン,水田博,大島義文
    • 学会等名
      2018年日本表面真空学会学術講演会
  • [学会発表] 長辺振動水晶振動子を組み込んだTEM によるAu ナノワイヤの特異的力学特性の観察2018

    • 著者名/発表者名
      小堀雄稀,石塚慧介,富取正彦,新井豊子,大島義文
    • 学会等名
      2018年日本表面真空学会学術講演会
  • [学会発表] 周波数変調原子間力顕微鏡法を用いたナノ接点の力学特性測定の研究2018

    • 著者名/発表者名
      見寺悠伽,石塚慧介,小堀雄稀,大島義文,富取正彦,新井豊子
    • 学会等名
      2018年日本表面真空学会学術講演会

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公開日: 2019-12-27  

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