| 研究課題/領域番号 |
25390081
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
仙田 康浩 山口大学, 創成科学研究科, 准教授 (50324067)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 原子間力顕微鏡 / 分子動力学 / マルチスケール / 摩擦 |
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| 研究実績の概要 |
物質表面の原子像が得られる原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy, 以下，ＡＦＭ)はナノテクノロジーが進んだ現在では必要不可欠な観測装置である。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、この新しい手法を用いた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の間の相互作用を分子動力学法を用いた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バネ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。
計算の結果、１．表面からのフォノン拡散によるエネルギー散逸、２．プローブ先端原子の表面への吸着、の２つの仕組みがプローブ振動の減衰に寄与していることがわかった。これらの研究成果は、表面物性およびプローブ顕微鏡関連の学会や研究会で発表するとともに、その内容を論文としてまとめ、表面関連の学術雑誌において掲載予定された。
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| 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のエネルギー散逸のしくみを明らかにすることであった．
この目標を達成するために、２５、２６年度は当初の計画通り粒子間に分散力のみが働くとして、レナード・ジョーンズ型の粒子間ポテンシャルを用いた簡易型ＡＦＭモデルを作成した。このシンプルなモデルを用いて、プローブと表面間の原子間力とカンチレバー振動を接続することを確認した。２７年度からは実際に観測されているイオン系表面のＡＦＭに対応する計算モデルを作成した。粒子間にクーロン力が働くイオン系の計算モデルを用いた。２８年度はイオン系表面での原子吸着によるエネルギー減衰の仕組みを明らかにした。以上のことからマルチスケールなＡＦＭモデルで観測されているエネルギー減衰の仕組みを探るという目標に向かって、本研究はおおむね順調に進展していると判断される。
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| 今後の研究の推進方策 |
非接触ＡＦＭのエネルギー減衰の仕組みを解明するために新規手法を用いたシミュレーションを実施した。本研究の主な目標は概ね達成されたが、一方で、これらの仕組みをより詳しく調べることにより、ＡＦＭ観測における観測技術の高度化と改善に寄与することが期待できる。具体的には、①フォノンの表面拡散と吸着原子による減衰の仕組みの定量的な比較、②表面吸着過程でのプローブ先端の安定性、等、ＡＦＭ観測で課題となっているテーマに対応したシミュレーションを実施する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
非接触ＡＦＭのエネルギー減衰の仕組みを解明するために新規手法を用いたシミュレーションを実施した。計算の実施段階で、九州大学計算機センターの共同利用制度を利用して、大型計算機を無償で利用できることになった。このため、当初費用で見積もっていた計算機使用料が残った。また、エネルギー減衰の仕組みについてさらに深く探求するために、追加の研究テーマを実施することになった。具体的には、１、フォノンの表面拡散による定量的な減衰量の算出に6ヶ月、２、表面吸着過程でのプローブ先端の安定性に関する研究期間に6ヶ月、合計1年間の研究期間延長が必要になった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
上記の研究成果を発表するために、国内では応用物理学会、国外では、The 9th Conference of the Asian Consortium on Computational Materials Science(クアラルンプール、マレーシア、２０１７年８月、招待講演)への参加費用として使用することを予定している。
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