原子分解能・走査型化学プローブのための能動的非線形バネをもつアクチュエータ

用于原子分辨率扫描化学探针的具有主动非线性弹簧的致动器

基本信息

批准号：
17040001
负责人：
小野崇人
金额：
$ 9.47万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

走査型化学顕微鏡は、プローブで単一の原子や分子を拾い、その原子を質量分析器に飛ばして化学分析し原子を同定するための顕微鏡である。このプローブでは、表面をみてターゲット分子を拾い、分析器に分子をとばすために、プローブを大きく変位させるアクチュエータの技術が必須である。ダイナミックモードAFMとの併用により、原子分解能で表面像を観察し、化学分析を可能にする。しかし、プローブを大きく動かすアクチュエータは、剛性が小さく、原子間力顕微鏡との併用が困難である。小型のアクチュエータで発生できる力は弱く、プローブのバネ定数を極めて小さくしないと、駆動できないのが問題である。アクチュエータのバネ定数が小さいと、プローブが原子間力で表面に張り付き、動作が不安定になると共に、十分な分解能が得られない。これらの問題を解決するため、アクチュエータの剛性を能動的に変化するアクチュエータを開発した。原子分解能をもつ走査型化学顕微鏡を実現するには、走査型プローブへの以下のマイクロ・ナノ駆動機構の集積化が不可欠である。(1)ダイナミックモードで原子像を得るための、20N/m以上のバネをもつ駆動機構。(2)原子を化学分析する際に大きく動作させるための、30μm以上の大変位駆動機構。そこで本研究では、非線型バネを有した圧電アクチュエータを開発し、走査型化学顕微鏡に集積化した。この大変位機構は、化学分析のためにプローブ探針を電界放出用電極近傍に持ってくるために非常に重要な役割を果す。また、表面像を観察する際には、バネを硬くし、ダイナミックに振動させて、その共振周波数の変化あるいは振幅の変化を利用してイメージングできる。このアクチュエータ構造で、50μmの大きな変位を達成した。また、先端に圧電の振動センサを集積化し、原子間力顕微鏡に応用できることを示した。

扫描型化学显微镜是一种显微镜，用于在探针中拾取单个原子和分子，将原子飞向质谱仪，以分析化学分析并识别原子。在此探针中，极大地置换探针的执行器技术是拾取目标分子并跳过分子到分析仪。结合动态模式AFM，通过原子分辨率观察表面图像，并且可以进行化学分析。但是，移动探针的执行器显着地具有较小的刚性且难以与间的显微镜使用。可以用小执行器产生的功率很弱，除非探针弹簧常数极小，否则它不能被驱动。如果执行器的弹簧常数很小，则探针将用原子力粘在表面，并且该操作变得不稳定，并且不能足够的分辨率。为了解决这些问题，我们开发了一个积极改变执行器刚度的执行器。为了实现具有原子分辨率的扫描化学显微镜，必须将以下微纳诺驱动机理积聚到扫描探针上。（1）具有20N/m或更高弹簧的驱动机制，用于在动态模式下获得原子。（2）化学分析时，对于原子的大运行，大量的30μm或更多的大型机制。因此，在这项研究中，开发了具有非线性弹簧的压电执行器并将其整合到扫描化学显微镜中。这种大尺度机制在将探针勘探针靠近电极附近带来用于化学分析的电场的电极附近起着非常重要的作用。观察表面图像时，可以通过使用共振频率或振幅的变化来硬化弹簧，动态振动和成像。使用该执行器结构，实现了50μm的主要位移。此外，结果表明，压电功率的振动传感器可以在尖端集成并应用于间质量显微镜上。