2022 年度研究成果報告書

単分子の電気伝導率と剛性の同時計測に向けたＳＴＭ／熱振動ＡＦＭ複合機の開発

研究課題

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研究課題/領域番号	20K15175
研究種目	若手研究
配分区分	基金
審査区分	小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
研究機関	横浜市立大学
研究代表者	大江弘晃横浜市立大学, 理学部, 助教 (20793194)
研究期間 (年度)	2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード	原子間力顕微鏡 / 熱振動 / 分子チェーン
研究成果の概要	固体表面の原子／分子の複合的な特性（例えば、金属表面に吸着した分子ワイヤーの電気伝導率、剛性、伸縮性の相関特性）の計測を目標に、「走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）」と「熱振動で力を計測する原子間力顕微鏡（熱振動ＡＦＭ）」を組み合わせた複合型走査プローブ顕微鏡の開発に取り組んだ。従来、ＡＦＭカンチレバーの熱振動振幅は数ピコメートルと超微小であるため、力計測への応用は難しかった。そこで本研究では、カンチレバー振動信号をフーリエ変換して積算することで信号雑音比を向上させ、引力から斥力までの広いダイナミックレンジで力計測に利用可能なことを実証した。
自由記述の分野	表面物理
研究成果の学術的意義や社会的意義	本研究では、既存装置では難しい超微小振幅でのＡＦＭ計測の可能性を検討した。その結果、ＡＦＭカンチレバーの原理的最小振幅である熱振動を利用して、共振スペクトル（振動振幅密度の周波数依存性）の変形を通して引力から斥力まで広い範囲で力計測が可能であることが明らかになった。ＡＦＭカンチレバーの硬さが約１ｋＮ／ｍ、温度が３００Ｋのとき、熱振動振幅は約１ピコメートルである。これは原子分子の１％程度の微小サイズであるため、例えば分子チェーンの連絡部の屈曲による電気伝導特性の変化などのような静的な複合計測への応用が期待できる。