• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2015 年度 実施状況報告書

新規シミュレーション手法による原子間力顕微鏡の研究

研究課題

研究課題/領域番号 25390081
研究機関山口大学

研究代表者

仙田 康浩  山口大学, 理工学研究科, 准教授 (50324067)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2017-03-31
キーワード原子間力顕微鏡 / 分子動力学法 / マルチスケール法
研究実績の概要

原子一つ一つを観測・操作・制御するナノテクノロジーの時代において物質表面の原子像を観測する原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy, 以下,AFM)は必要不可欠な装置である。しかし、AFMで原子像が得られる仕組みについてはいまだに不明な部分が多く、原子レベルからその仕組みを解明することがのぞまれている。本研究では新規シミュレーション手法を用いたAFMの数値シミュレーションにより、AFMの仕組みを原子レベルから明らかにする。特にAFMのプローブ振動が減衰する原因については未解明であり、新規シミュレーションによってその仕組みを明らかにすることに取り組んだ。
我々の提案する手法は原子レベルのシミュレーションとマクロスケールの計算モデルを結合する手法である。AFMのプローブと表面原子間の相互作用を分子動力学法による原子スケールの計算を行い、その相互作用の下でのプローブ振動を一次元ばねのマクロスケールな振動に置き換えた。この2つの計算モデルを我々の開発した手法で結合してAFMのマルチスケールな計算モデルを作成した。
計算モデルを用いた数値計計算から、プローブー表面間の原子間力により、プローブの振動エネルギーが試料表面にフォノンとして拡散し、プローブ振動が減衰することがわかった。また、プローブー表面間の原子間力をvan der Waals力やクーロン力に置き換えたときのプローブ振動の変化やエネルギー減衰の様子を調べた。
これらの研究成果を表面物性及びプローブ顕微鏡関連の国内外の学会で発表すると供に、関連の研究論文が表面関連の学術雑誌で近日中に掲載予定である。

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

本研究課題の目的はミクロスケールからマクロスケールを網羅する新規シミュレーション手法を用いてAFMのシミュレーションを行い、AFMによる表面観測で原子像が得られる原理を理解し、これまで解明されていないAFMのエネルギー減衰のしくみを明らかにすることであった。
この目的を達成するために、25、26年度は当初の計画予定のとおり、粒子間力にレナード・ジョーンズ(LJ)原子間力ポテンシャルを用いたシンプルなAFMモデルの作成に取り組んだ。分子動力学法を用いてプローブー表面間に働く原子間力を導出し、この原子間力とプローブ振動を動的に連結したマルチスケールなAFMモデルを作成することに成功した。このAFMモデルを用いてAFM表面観測でのプローブ振動の減衰を再現しその減衰の原因を明らかにした。
研究課題の後半の27、28年度では、当初の計画のとおり、簡易的なAFMモデルから実際の物質表面のAFM観測に相当するAFMモデルを作成する。27年度には粒子間力にクーロン相互作用を用いて、MgOイオン結晶表面のAFM観測モデルを作成した。現在、これら現実の物質表面でのプローブ振動の減衰を、先のLJ原子間力ポテンシャルと比較しつつ、その減衰のメカニズムを調べている。
以上のことから、マルチスケールなAFMモデルでエネルギー減衰の原因を探るという
目標は本年度までに達成していると判断される。したがって本研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

AFM計算モデルでは非可逆的な表面の上下運動を伴ってプローブの振動が減衰した。菅原康宏教授(大阪大学)らが行った実際のAFM観測でも、試料表面の上下運動とともにエネルギー減衰が現れる。今後は、AFM観測グループとも連携しながらシミュレーション研究を続けていきたい。

新手法に基づくAFMシミュレーションはプローブー表面間原子の運動を直接扱うため、ピコ秒(10-12秒)の時間スケールで粒子の運動を追っている。一方、AFM観測におけるプローブの振動は数百kHz =ミリ秒~μ秒オーダーである。このAFMシミュレーションはプローブ振動と原子の運動を直接結合しており、原則的には粒子系のピコ秒の時間スケールでμ秒に及ぶ桁違いの計算を行う必要がある。また、27年度からはクーロン引力で引付け合う原子を扱うため、長距離相互作用力を効率的に計算するための数値計算手法を取り入れる必要がある。これらの大規模計算を遂行するために数値計算の効率化や高性能計算機の使用を進める。

次年度使用額が生じた理由

参加予定であったthe 13th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-13),Salvador-Bahia(ブラジル)
が主催者の都合により開催中止。その渡航費が未使用となった。

次年度使用額の使用計画

中止となったACSIN-13の代わりとして、2016年に開催される、20th International Vacuum Congress (IVC-20)8月プサン(韓国)、24thInternational Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM24)ハワイ(米国)、ACSIN2016ローマ(イタリア)等への渡航費に充てる。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件)

  • [国際共同研究] Aalto University(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      Aalto University
  • [学会発表] 静電相互作用によるAFMのエネルギー減衰2016

    • 著者名/発表者名
      仙田康浩,嶋村修二,Janne Blomqvsit,Risto M Nieminen
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都、目黒区)
    • 年月日
      2016-03-22
  • [学会発表] 一次元Frenkel-Kontorova モデルにおける超潤滑・摩擦の発生機構2015

    • 著者名/発表者名
      佐藤代吾, 仙田康浩, 嶋村修二
    • 学会等名
      日本表面科学会第35回表面科学学術講演会
    • 発表場所
      つくば国際センター(茨城県、つくば市)
    • 年月日
      2015-12-01
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる溶融高分子の圧力誘起構造変化2015

    • 著者名/発表者名
      仙田康浩,安部弘起、嶋村修二
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      関西大学(大阪府、吹田市)
    • 年月日
      2015-09-17
  • [学会発表] Atomic force microscopy simulation covering wide range time-scale2015

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Senda, Shuji Shimamura, Janne Blomqvist, and Risto M Nieminen,
    • 学会等名
      8th Conference of Asian Consortium on Computational Materials Science (ACCMS-8)
    • 発表場所
      台北(台湾)
    • 年月日
      2015-06-18
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2017-01-06  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi