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2023 年度 実施状況報告書

周波数変調/同期法を利用したナノ力学による原子レベルの顕微鏡/分光法の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 21K18191
研究機関金沢大学

研究代表者

新井 豊子  金沢大学, 数物科学系, 教授 (20250235)

研究分担者 富取 正彦  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 名誉教授 (10188790)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2025-03-31
キーワード周波数変調原子間力顕微鏡 / 赤外分光 / タングステン探針
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)を基に、赤外光を照射した際の試料表面の分子の分極変化を原子レベルで力学的に高感度検出する赤外分光法(探針振動同期検波赤外分光法(TS-IR))を開発する。
赤外光源としてパルス量子カスケードレーザー(QCL)を選定し、研究開始当初から国内メーカーと打ち合わせ、2022年5月に特別仕様のQCLが納品されたが、種々のトラブルのため、メーカーに戻し調整を繰り返し行い、2023年1月に金沢大学に設置して、QCLの発振を確認した。今年度、試料にレーザー光の照射テストを行ったが、充分な照射パワーが得られなかった。そこで、基盤研究(A)との合算により、米国製のQCLシステムを導入した。QCLシステムを、現有のFM-AFM装置と同じ除振機構の上に設置し、探針直下の試料に赤外レーザー光を照射するための光学系を設計し、組み込んだ。探針振動に同期させてレーザー発振できることを確認した。
本研究では、音叉型水晶振動子を基体とし金属探針を形成した力センサーを用いる。タングステン線を、酸化性ガス(水素と酸素の混合ガス)の高温の炎の中に入れるとタングステンの酸化・酸化物の昇華が繰り返され、エッチングされる。燃焼ガスラインにソレノイドバルブを導入して、エッチング時間を10 msの精度で制御した。W線を挿入後250-300 msで炎を消火すると再現性よく先端半径が100 nm以下のW探針を作製できた。炎エッチングで先鋭化したW探針先端を透過型電子顕微鏡(TEM)で、観察および電子線回折像を解析したところ、先端は[110]方向を向いて単結晶化していること、先端は扁平しており、扁平面が(001)面のテラスとステップから形成されていることが推定された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

昨年度導入した、量子カスケードレーザー(QCL)では、当初見積もっていた仕様を満たしていなかったことが、今年度になって明らかとなった。今年度、基盤研究(A)との合算で、本研究の要求仕様を満たすQCLシステムを導入できたので、研究期間を1年延長して、当初目的の達成をめざす。

今後の研究の推進方策

FM-AFMの探針試料間への光の集光方法の検討から始め、充分な出力で発振しているか確認する。テスト試料として選定したマイカ基板を用いて、FM-AFM/TS-IR能力を実証する。

次年度使用額が生じた理由

本研究の主要なパーツである量子カスケードレーザーの立ち上げが遅れたため、研究期間を1年延長して、当初目的の達成をめざす。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 その他

すべて 学会発表 (8件) (うち国際学会 7件) 備考 (1件)

  • [学会発表] Observation of calcite surface in nanometer-thick water film by frequency modulation atomic force microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Voni Fulitasari, Yuki Araki, Toyoko Arai
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies(EM-NANO2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] In situ observation of Nano-Water Droplet on SiO2 glass by FM-AFM2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Araki, Taketoshi Minato, Toyoko Arai
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies(EM-NANO2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Real-Space DFT simulation of energy dissipation due to atomic displacements of a Si tip and a Si(111)-(7×7) surface detected by nc-AFM2023

    • 著者名/発表者名
      Toyoko Arai, Jun-Ichi Iwata, Atsushi Oshiyama, Masahiko Tomitori
    • 学会等名
      The 24rd International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy (ncAFM2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] High-temperature flame etching to prepare tungsten tips for scanning probe microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Toyoko Arai, Nobuhiko Utsunomiya, Masahiko Tomitori
    • 学会等名
      The 24rd International Conference on Non-contact Atomic Force Microscopy (ncAFM2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural and chemical analysis of tungsten tips for scanning probe microscopy prepared by flame etching2023

    • 著者名/発表者名
      Yohei Nakano, Nobuhiko Utsunomiya, Toyoko Arai, Masahiko Tomitori
    • 学会等名
      JAIST International Symposium of Nano-Materials for Novel Devices
    • 国際学会
  • [学会発表] Introduction of microscopic nanomechanical measurement method2023

    • 著者名/発表者名
      Atsuki Uno, Jiaming Liu, Toyoko Arai, Masahiko Tomitori, and Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      JAIST International Symposium of Nano-Materials for Novel Devices
    • 国際学会
  • [学会発表] Estimation of Critical Shear Stress of Au nanocontacts using microscopic nanomechanics measurement method2023

    • 著者名/発表者名
      Jiaming Liu, Toyoko Arai, Masahiko Tomitori, and Yoshifumi Oshima
    • 学会等名
      JAIST International Symposium of Nano-Materials for Novel Devices
    • 国際学会
  • [学会発表] 顕微ナノメカニックス計測法による金ナノ接点臨界せん断応力の計測2023

    • 著者名/発表者名
      劉佳明、新井豊子、富取正彦、大島義文
    • 学会等名
      令和5年度 応用物理学会 北陸・信越支部 学術講演会
  • [備考] 金沢大学 ナノ物理学研究室

    • URL

      https://nanophys.w3.kanazawa-u.ac.jp/

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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