Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

afm / spm / ナノカンチレバー / カスペクトロスコピー / マルチプローブ / 質量検出 / AFM / 力検出 / 表面物理 / STM / 近接場 / 質量

1)数ミクロンからサブミクロンオーダの単結晶シリコンカンチレバーで、先端に探針を有するもののさらなる小型化に成功した.
シリコンの結晶方位による異方性を用いてカンチレバーと探針を形成しているため、極めて精度の高い作製が可能となった.小さいものでは、長さ2ミクロン、固有振動数40MHz、Q値10000のものを実現した.他に、固有振動数10MHz、Q値18000のものも実現した.上記作製例では、前年度のものと比べてカンチレバーの支持方法を改善し、シリコン111面により定義される明確な支持を用いた.これにより支持部へのロスがへり、結果的に3倍程度のQ値を得ることが可能となった
2)1.1GHzのキャリアを有するヘテロダインレーザドップラー振動計を実現した.その結果、100MHzまでの速度計測が可能となった.10MHz以上の帯域で、ノイズ等価振幅が10pm以下であることを確認した
3)レーザドップラー振動計の出力を移相の後、カンチレバー励振用のピエゾ素子に帰還したところ、自励振動が生じた.周波数のゆらぎは5Hz程度で、理論限界よりも50倍程度大きかった.理論限界での質量分解能は10-21乗に達する.計算上、固有振動数100MHz、Q値10000、振幅10nmのカンチレバーの質量分解能は10-238であり、原子レベルの質量変化が検出可能であることを計算上確認した.今後、低温超高真空化で同様の実験を行い、C60などの比較的質量のある分子をカンチレバーに蒸着して周波数変化の量子化を確認する.

STM / AFM / 制御 / カンチレバー / 振動子 / ナノカンチレバー / SFM / 磁歪

本研究では、走査型力顕微鏡における、静電力による力制御の実現を目的としている.本研究で実施した内容を以下に列挙する.
(i) 平板コンデンサ型静電アクチュエータのシミュレーション、
(ii) 櫛形電極型静電アクチュエータのシミュレーション、
(iii) 比例微分系制御系のシミュレーション
(iv) 櫛形電極式プローブの設計
(v) ナノメートルオーダの機械振動子の設計
(vi) ナノメートルオーダの機械振動子の作製(vji) 探針をナノメートルオーダの弾性体で支持した機構の実現
(viii) 実現したプローブ、カンチレバーの静・動特性評価
上記サブテーマの(i)から(iv)で、新規に構想に基づく力制御を実現するためのカンチレバーや振動子の実現を念頭に置いて、機構の設計とシミュレーションを行った.次に、若干の作成例に対し、計測系を実現し、その性能評価を行った.シミュレーションの結果、櫛形電極型の方が、電極同士のスナップイン問題がないため、実際に制御系を組んだ場合、制御が不安定になった場合の安定度が高いこと、アクチュエータの線形近似がよりし易いことを明らかにした.
一方、力検出素子であるカンチレバーを小型化することによる、力分解能、力制御帯域の向上、等の利点をふまえて、カンチレバーの小型化の研究を行った.その結果、数100ナノメートルオーダの力検出素子の実現に成功した.現在、探針をナノメートルオーダの弾性体で支持した、力検出素子、振動子、力制御素子を実現している.

AFM / STM / 測長 / 結晶格子 / トライポロジー / ナノカンチレバー / 計量

結晶格子の周期性を基準に用いて位置決めや測長・変位計測を行う手法を研究した.結晶を検出する手段として走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscope,以下STM)および原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope,以下AFM)を試した.今年度は大気中てもAFMで容易に結晶の周期性を観察できるマイカ(雲母)およびグラファイトを用いた実験を行った。まず酸化シリコン製のAFMカンチレバーの押しつけ圧とマイカの摩耗との関係を調べ、押しつけ圧が50nN以下であれば数十時間観察し続けても表面の摩耗がおきない事を確認した。また押しつけ圧が100nNを越えると数回の走査で最表層が剥離するが、その下の層の結晶周期が観察できる事もわかった。マイカの場合、走査速度1μm/s以上では読み飛ばしが発生して正確な周期の検出ができなくなる。この原因がマイカの親水性にあると考えられたため、疎水性のグラファイトを用いて同様の検討を行ったところ、走査速度が20μm/sでも読み飛ばしなく周期を検出できることがわかった。グラファイトの場合、約0.25nm間隔の周期性がカンチレバーの固有振動数に一致する場合に周期性の検出が困難となる。現在使用している市販のAFMカンチレバーは走査時の固有振動数が約100kHzであり、グラファイトの走査速度25μm/sに相当する。
一ミクロンから100nm程度の大きさのナノ振動子を実現した。これにより、コンプライアンスが高く、固有振動数が数MHzからGHzの力検出素子が得られた。これをリニアエンコーダの格子読みとり用素子に用いると、数cm/sのカウント速度が実現できることになり、高い実用性と耐久性が得られることになる。
また、レーザ測定器との長さの校正をおこなった。

【研究分担者】
星泰雄	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
星泰雄	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
星泰雄	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)