Development of atomic force microscope combined with synchrotron radiation X-ray for measurement of elemental species distribution on surfaces at the nanoscale

开发原子力显微镜与同步辐射X射线相结合，用于测量纳米尺度表面上的元素种类分布

基本信息

批准号：
19K05266
负责人：
鈴木秀士
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今後の表面／界面の物性研究では、ナノ構造を構成する原子の元素情報や化学状態の理解がますます重要になる。そこで我々は、非接触原子間力顕微鏡（NC-AFM）の空間分解能で表面化学分析を実現することを目指し、NC-AFMと放射光X線を組み合わせた「X線支援原子間力顕微鏡(XANAM)」を開発してきた。NC-AFMの研究では、探針－試料間に働く原子間力には、van der Waals力と静電気力の他、共有結合力も含まれる事が既に知られている。我々は、共有結合力の電子密度を変化できればNC-AFMの力信号の変化が観測でき、これを試料元素固有のX線吸収端エネルギーのX線励起で行えば、試料表面の元素マッピングできると考えた。しかしこれまでは、「X線でNC-AFMの原子間力が変化し試料表面の元素マッピングが可能」とは示せたが、空間分解能の到達限界の検証には至れなかった。そこで本研究では、Ge半導体表面でXANAMの空間分解能の到達限界を検討した。実験は放射光施設KEK-PF（茨城県つくば市）で行った。試料はSi基板上に作成したGe量子ドット（Ge-QD）（名古屋大学大学院工学研究科宮崎研究室より提供）を用いた。前年度の結果から、Ge表面でもGe-K吸収端の11103 eV付近で力信号の応答があるとわかっている。そこでフォースカーブの連続測定による力の3次元データΔf(x, y, z）をX線エネルギー(E)掃引しながら行い、Ge-QDに関する力信号の４次元データΔf(x, y, z, E)を取得した。これより、少なくとも数ナノメートル程度の空間分解能でX線誘起の力信号応答が計測可能とわかった。同測定では、Ge-QDをSiで被覆すると応答が得られないことも確認できており、元素マッピングに共有結合力が介在していることが強く支持される。より精密な測定ならば原子分解能も十分到達可能と期待された。

在未来表面/界面物理性质的研究中，了解构成纳米结构的原子的元素信息和化学状态将变得越来越重要。因此，为了实现非接触式原子力显微镜（NC-AFM）空间分辨率的表面化学分析，我们开发了一种结合了NC-AFM和同步加速器的“X射线辅助原子力显微镜（XANAM）”辐射X射线）”已经开发出来。在NC-AFM研究中，已知作用在针尖和样品之间的原子力包括共价键力以及范德华力和静电力。我们相信，如果我们可以改变共价键力的电子密度，我们就可以观察到 NC-AFM 力信号的变化，并且如果我们使用特定于 X 射线吸收边缘能量的 X 射线激发来做到这一点样本元素，我们可以将元素映射到样本表面上我想到了。然而，尽管我们已经能够证明“X 射线改变了 NC-AFM 的原子力并能够在样品表面上进行元素映射”，但我们还无法验证空间分辨率的极限。因此，在本研究中，我们研究了 XANAM 在 Ge 半导体表面实现的空间分辨率的极限。该实验在同步加速器辐射设施 KEK-PF（茨城县筑波市）进行。使用的样品是在Si基板上制造的Ge量子点（Ge-QD）（由名古屋大学工学研究生院宫崎实验室提供）。从去年的结果我们知道，即使在Ge表面，在11103 eV的Ge-K吸收边附近也存在力信号响应。因此，通过在扫描X射线能量（E）的同时连续测量力曲线，获得三维力数据Δf（x，y，z），四维力信号数据Δf（x，y，获得z，E）。这表明可以以至少几纳米的空间分辨率测量X射线引起的力信号响应。相同的测量还证实，当 Ge-QD 涂有 Si 时，没有获得任何响应，这有力地支持了元素映射中共价键力的参与。预计更精确的测量将能够达到原子分辨率。