表面分子化学における超高分解能原子間力顕微鏡と光技術の融合の研究

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K21765
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 川井 茂樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員
• Project Period (FY): 2016 – 2018
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / 表面化学 / 単分子 / 走査型トンネル顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光技術と最先端の原子間力顕微鏡の融合を目的として遂行した。研究種目名の通り、研究代表者は前任地のスイスバーゼル大学から物質・材料研究機構へ異動した。研究開始後に、研究環境を一から構築するとともに、大型の装置である極低温超高真空原子間力顕微鏡システムを日本へ移設し立ち上げた。また、その装置に外部から光を導入するための機構を導入した。装置を立ち上げる過程で、研究室の環境の違いに起因して問題となった低周波ノイズ(特に地面や建物の振動)を除去のために除振台を設計した。さらに、安定して光を導入するために液体窒素と液体ヘリウムのラジエーションシールドを設計した。これらの改良は、それぞれ2度行った結果、安定して高分解能測定できるシステムに仕上げることができた。さらに、単分子を低温の試料台上に直接蒸着するための機構を開発した。一方で、本研究課題の申請時には着任機関が決まっていなかったため、現職地では装置を立ち上げるために必要なマンパワーが不足することが開始後に判明し計画より時間を要してしまったことを否めない。本研究分野は進展の早い領域ではあるが、申請した内容の一部は未だに世界でも達成されていない内容であるため、今後早期に実施したい。一方で、研究テーマを遂行するために、国際共同研究を積極的に行った。その結果、水素結合力の直接的な測定や、ハロゲン結合で凝集した分子膜による表面エネルギー順位の制御、ヘテロ原子の同定、新規表面化学反応の開発などに成功した。これらは当初予定していなかった成果である。また、最終年度に博士研究員を雇用し、グラフェンナノリボンの接合など今後光で励起することを前提とした新奇材料の合成に成功した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Basel大学（スイス）
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: Basel大学
• [Int'l Joint Research] Aalto大学（フィンランド）
  • Country Name: FINLAND
  • Counterpart Institution: Aalto大学
• [Int'l Joint Research] Zaragoza大学/Centro de Fisica de Materiales（スペイン）
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: Zaragoza大学/Centro de Fisica de Materiales
• [Int'l Joint Research] King's College London（英国）
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: King's College London
• [Journal Article] Effective determination of surface potential landscapes from metal-organic nanoporous network overlayers (2019)
  • Author(s): I. Piquero-Zulaical, Z. Mohammed A. El-Fattah, O. Popova, S. Kawai, S. Nowakowska, M. Matena, M. Enache, M. Stöhr, A. Tejeda, A. Taleb-Ibrahimi, E. Meyer, J. E. Ortega, L. H. Gadel, T. A. Jung, J. Lobo-Checa
  • Journal Title: New Journal of Physics
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ab150e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detachment Dynamics of Graphene Nanoribbons on Gold (2019)
  • Author(s): L. Gigli, S. Kawai, R. Guerra, N. Manini, R. Pawlak, X. Feng, K. Müllen, P. Ruffieux, R. Fasel, E. Tosatti, E. Meyer, A. Vanossi
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 13 Pages: 689-697
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b07894
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 構造化グラフェンナノリボンの生成と原子間力顕微鏡を使った評価 (2018)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 87 Pages: 665-669
• [Journal Article] Diacetylene Linked Anthracene Oligomer Synthesized by One-Shot Homo-Coupling of Trimethylsilyl on Cu(111) (2018)
  • Author(s): S. Kawai, O. Krejčí, A. S. Foster, R. Pawlak, F. Xu, L. Peng, A. Orita, and E. Meyer
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 12 Pages: 8791-8797
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b05116
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic properties of substitutionally boron-doped graphene nanoribbons on Au(111) surface (2018)
  • Author(s): E. Carbonel-Sanroma, A. Garcia-Lekue, M. Corso, G. Vasseur, P. Brandimarte, J. Lobo, D. G. de Oteyza, J. Li, S. Kawai, S. Saito, S, Yamaguchi, J. E. Ortega, D. Sanchez-Portal, and J. I. Pascual
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Pages: 16092-16099
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b03748
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recent highlights in nanoscale and mesoscale friction (2018)
  • Author(s): A. Vanossi, D. Dietzel, A. Schirmeisen, E. Meyer, R. Pawlak, T. Glatzel, M. Kisiel, S. Kawai, and N. Manini
  • Journal Title: the Beilstein Journal of Nanotechnology Volume: 9 Pages: 1995-2014
  • DOI: 10.3762/bjnano.9.190
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple hetero-atom substitution to Graphene Nanoribbon (2018)
  • Author(s): S. Kawai, S. Nakatsuka, T. Hatakeyama, R. Pawlak, T, Meier, J. Tracey, E. Meyer, and A. S. Foster
  • Journal Title: Science Advances Volume: 4 Pages: eaar7181
  • DOI: 10.1126/sciadv.aar7181
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分解能原子間力顕微鏡を用いた表面分子の構造や状態の測定 (2019)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: 第17回SPring-8ユーザー協同体顕微ナノ材料科学研究会、14回 日本表面真空学会放射光表面科学研究部会、第3回 日本表面真空学会プローブ顕微鏡研究部会
  • Invited
• [Presentation] Multiple heteroatom substitution to graphene nanoribbon (2018)
  • Author(s): S. Kawai, S. Nakatsuka, T. Hatakeyama, R. Pawlak, T. Meier, J. Tracey, E. Meyer, A. S. Foster
  • Organizer: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct quantitative measurement in the CO…HC bond by atomic force microscopy (2018)
  • Author(s): S. Kawai, T. Nishiuchi, T. Kodama, P. Spijker, R. Pawlak, T. Meier, J. Tracey, T. Kubo, E. Meyer, A. Foster
  • Organizer: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diacetylene linked anthracene polymer synthesized by one-shot homo-coupling of trimethelsilyl on Cu(111) (2018)
  • Author(s): S. Kawai, O. Krejci, A. S. Foster, R. Pawlak, F. Xu, L. Peng, A. Orita, and E. Meyer
  • Organizer: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiple hetero-atom substitution to graphene nanoribbon (2018)
  • Author(s): S. Kawai, S. Nakatsuka, T. Hatakeyama, R. Pawlak, T. Meier, J. Tracey, E. Meyer, A. S. Foster
  • Organizer: The 21st International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Competing Annulene and Radialene Structures in a Single Anti-Aromatic Molecule Studied by High-Resolution Atomic Force Microscopy (2018)
  • Author(s): S. Kawai, K. Takahashi, S. Ito, R. Pawlak, T. Meier, P. Spijker, F. Federici Canova, J. Tracey, K. Nozaki, A. S. Foster, E. Meyer
  • Organizer: The 21st International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分解能原子間力顕微鏡を用いた分子内の構造や状態の測定 (2018)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: 第14回 固体イオニクスセミナー
  • Invited
• [Presentation] High-resolution force measurements with a functionalized tip of atomic force microscope (2018)
  • Author(s): S. Kawai
  • Organizer: SPSTM-7 & LTSPM-1 International Conference 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiple hetero-atom substitution to graphene nanoribbon (2018)
  • Author(s): S. Kawai, S. Nakatsuka, T. Hatakeyama, R. Pawlak, T. Meier, J. Tracey, E. Meyer, A. S. Foster
  • Organizer: The 2018 International Conference on Nanoscience + Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bond length analyses of radialene structure and multiple heteroatom doped graphene nanoribbon (2018)
  • Author(s): S. Kawai
  • Organizer: The 3rd International Symposium on “Recent Trends in the Elucidation and Function Discovery of Next Generation Functional Materials of Surface/Interface Properties”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いた超高分解能分子イメージングの現状 (2018)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: 日本表面科学会第3回関東支部講演大会
  • Invited
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いた表面上の分子測定 (2017)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: 金沢大学理学談話会
  • Invited
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いた単一分子の化学 (2017)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: 島津製作所勉強会
  • Invited
• [Presentation] 二次元metal-organic frameworkを利用したvan der Waals力の精密測定と分子間力の直接観察 (2017)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: ナノプローブテクノロジー第167委員会 第86回研究会
  • Invited
• [Presentation] 原子間力顕微鏡を使った分子の構造観察と機械特性測定 (2016)
  • Author(s): 川井茂樹
  • Organizer: 触媒化学融合研究センター、産業技術総合研究所
  • Invited
• [Book] Molecular Technology, Volume 3 : Materials Innovation (Editor : Hisashi Yamamoto and Takashi Kato), pp305-pp342 ; Molecular Technology for One- and Two- Dimensional Materials on Surfaces (2019)
  • Author(s): Shigeki Kawai and Kazukuni Tahara
  • Total Pages: 38
  • Publisher: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• [Remarks]
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/kawai_shigeki