Development of In-liquid Local Potential Distribution Measurement Technique Based on Atomic Force Microscopy and Its Applications to Nanoscale Studies

基于原子力显微镜的液体局部电势分布测量技术的发展及其在纳米尺度研究中的应用

• 批准号: 20J14311
• 负责人: 平田 海斗
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Kanazawa University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14311/
• 关键词: 原子間力顕微鏡; 液中局所電位分布計測技術; 光触媒

本研究では、我々が独自開発した原子間力顕微鏡（AFM）ベースの液中電位分布計測技術（OL-EPM）の高感度・高速化と、開発技術を光触媒計測へ応用し、局所反応機構を明らかにすることが目的である。本年度は、研究成果①： OL-EPM計測高感度化のための超小型カンチレバー検討と、研究成果②：光感受性材料のための可視光レス計測AFMの開発とそれらを用いた光触媒反応の局所計測に取り組んだ。研究成果①では、収束イオンビーム走査電子顕微鏡で導電性AFM探針を自作することでOL-EPMでも超小型カンチレバーを実用化することに成功した。これにより、従来カンチレバーよりも5倍程度の力感度向上を実現した。同時に超高周波カンチレバーの使用は、OL-EPMの装置原理的制限を一部解決し、使用可能電解液濃度10 mMの制限を30 mMまで引き上げることを可能とした。研究成果②では、まず光触媒反応計測のための可視光レス計測を目的に、カンチレバー励振システムの改良を行った。励振方法の一つである磁気励振法は広く用いられている光熱励振法と異なり、光レス励振できる。これを改良・発展しOL-EPM計測でも使用可能なシステムを開発した。加えて、開発したカンチレバーと磁気励振システムで、BiVO4表面の光触媒反応分布のOL-EPM計測を行った。特性の異なる電解液中でOL-EPM計測することで、同じ水分解反応でも界面で生じる電荷蓄積の状態が異なり、それが直接反応状態にも関係する可能性を局所的に可視化することに成功した。このように本年度では、OL-EPMの高感度化技術の確立とAFMを構成する技術の改良に成功、加えて光触媒反応分布計測へとOL-EPM計測を応用できる可能性を示した。今後は、高速FPGAを用いてOL-EPM計測機能を有した自作AFMを開発することで、OL-EPM計測技術の高速化を目指す。

在本研究中，我们将提高自主开发的基于原子力显微镜（AFM）的液体电势分布测量技术（OL-EPM）的灵敏度和速度，并将开发的技术应用于光催化剂测量，以研究局部反应机制。目的是澄清。今年，我们将重点关注研究成果①：检查超小悬臂以提高OL-EPM测量的灵敏度，以及研究成果②：开发用于光敏材料的可见光无光测量AFM以及利用光催化反应进行局部测量我为之努力。在研究成果1中，我们通过使用聚焦离子束扫描电子显微镜制作我们自己的导电AFM探针，成功地将OL-EPM中的超小型悬臂商业化。因此，与传统悬臂梁相比，力灵敏度提高了约五倍。同时，超高频悬臂梁的使用部分解决了OL-EPM装置原理的局限性，使得可用电解质浓度极限从10 mM提高到30 mM成为可能。在研究成果2中，我们首先改进了悬臂激发系统，目的是在不可见光的情况下测量光催化反应。磁激发法是激发方法之一，与广泛使用的光热激发法不同，无需光即可激发。通过改进和开发，我们开发了一个也可用于 OL-EPM 测量的系统。此外，我们使用开发的悬臂和磁激励系统对 BiVO4 表面上的光催化反应分布进行了 OL-EPM 测量。通过在不同特性的电解质中进行OL-EPM测量，我们成功地局部可视化了即使在相同的水分解反应中，界面处发生的电荷积累状态也不同的可能性，并且这与反应状态直接相关。做过。就这样，今年我们成功建立了OL-EPM的高灵敏度技术，并改进了AFM的构成技术，同时也展示了将OL-EPM测量应用于光催化反应分布测量的可能性。未来，我们的目标是通过使用高速FPGA开发具有OL-EPM测量功能的自制AFM来加速OL-EPM测量技术。

项目成果

Study on the Corrosion Mechanism of Hard Particle-Dispersed Cr-Based Alloys by in-Liquid Nanoscale Potential Measurement Technique

液体纳米电位测量技术研究硬质颗粒弥散铬基合金的腐蚀机理

• 发表时间: 2020
• 作者: S. Yamamoto; K. Hirata; J. Omi; D. Mizushima; M. Noujima; K. Honbo;T. Fukuma
• 通讯作者: T. Fukuma

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液中局所電位分布計測技術を用いたアルミニウム合金の粒界腐食機構の解明

利用液体中局部电位分布测量技术阐明铝合金晶间腐蚀机理

• 发表时间: 2020
• 作者: 山本伸之介; 谷口大騎; 平田海斗; 近江純一; 水島大地; 小澤敬祐; 福間剛士
• 通讯作者: 福間剛士

液中オープンループ電位顕微鏡を用いたTi合金表面におけるカソード反応分布のナノスケール解析

使用浸没开环电位显微镜对钛合金表面阴极反应分布进行纳米级分析

• 发表时间: 2020
• 作者: 水島大地; 近江純一; 平田海斗; 土井教史; 明後尚美; 松本雅充; 伊藤元雄; 兒玉優; 福間剛士
• 通讯作者: 福間剛士

Visualizing distribution of cathode reactions at cross sections of hot dip galvanized steel sheets using open-loop electric potential microscopy

使用开环电位显微镜可视化热浸镀锌钢板横截面的阴极反应分布

• 发表时间: 2020
• 作者: D. Mizushima; K. Hirata; S. Yamamoto; T. Fukuma
• 通讯作者: T. Fukuma