分子超薄膜の局所的電子物性評価およびデバイス開発のための走査型プローブ技術の研究

超薄膜分子薄膜局域电子性能评价扫描探针技术研究及器件开发

基本信息

批准号：
01J03721
负责人：
福間剛士
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

非接触原子間力顕微鏡(NC-AFM)では、先鋭化された探針を一端に有する微細な片持ち梁(カンチレバー)を振動させ、探針-試料間相互作用力によって生じるカンチレバーの振動状態の変化を検出することで探針-試料間隔を制御する。本年度は、NC-AFM観察中に探針-試料間相互作用によって生じるカンチレベー振動エネルギーの散逸現象と試料の電気的・力学的物性との関係を詳細に調べた。さらに、その結果を基に、散逸エネルギー測定を利用することで局所電位分布測定や、力学的物性の分子スケール評価が可能であることを実験的に示した。従来のNC-AFMを利用した表面電位計測手法は、探針-試料間に働く保存力を変調および検出することで、試料表面の電位分布を観察するものであった。しかしながら、これまでに行った散逸力測定の実験結果から、NC-AFMの散逸力に対する感度は保存力に対する感度にくらべて大きいことが明らかとなった。そこで本研究では、散逸的静電相互作用力を意図的に導入し、その大きさを変調・検出することで局所電位分布を計測する"散逸力変調法"を開発した。さらに、本手法と従来手法との比較実験を行いより、本手法を用いることにより感度が改善されることを実験的に明らかにした。NC-AFM観察中に生じる振動エネルギーの散逸量をマッピングすることにより得られる像は散逸像とよばれ、真の原子分解能観察が可能であることがこれまでの実験により明らかになっていた。本研究では、アルカンチオール自己組織化単分子膜やフタロシアニン薄膜の散逸像観察を行うことで、初めて散逸像を分子分解能観察することに成功した。さらに、散逸像に見られるコントラストと分子薄膜の物性との関係を詳細に調べることで、散逸コントラストが分子の揺動や動きやすさといったナノ力学的物生に強く関係していることを明らかにした。この結果により、散逸力観察によって試料の力学的物性を分子スケールの分解能で評価できる可能性が示された。

在非接触式原子力显微镜（NC-AFM）中，一端带有尖锐尖端的微小悬臂梁（悬臂梁）发生振动，由尖端与样品之间的相互作用力引起的悬臂梁的振动状态为通过检测变化来控制尖端与样品的距离。今年，我们详细研究了NC-AFM观察过程中针尖与样品相互作用引起的悬臂振动能量耗散与样品电学和机械性能之间的关系。此外，根据结果，我们通过实验证明，通过使用耗散能量测量可以进行局部电位分布测量和机械性能的分子尺度评估。传统的NC-AFM表面电位测量方法通过调制和检测针尖与样品之间作用的保守力来观察样品表面的电位分布。然而，迄今为止进行的耗散力测量的实验结果表明，NC-AFM对耗散力的敏感性大于其对保守力的敏感性。因此，在本研究中，我们开发了一种“耗散力调制方法”，通过有意引入耗散静电相互作用力并调制和检测其大小来测量局部电位分布。此外，通过对该方法与传统方法进行比较实验，实验表明通过使用该方法可以提高灵敏度。通过绘制 NC-AFM 观察过程中振动能量耗散量的图而获得的图像称为耗散图像，之前的实验表明真正的原子分辨率观察是可能的。在本研究中，我们通过观察自组装烷硫醇单层和酞菁薄膜的耗散图像，首次成功地观察到了分子分辨率的耗散图像。此外，通过详细研究耗散图像中的对比度与分子薄膜的物理特性之间的关系，我们发现耗散对比度与分子摆动和运动难易度等纳米力学生物学特性密切相关。这些结果证明了通过观察耗散力以分子尺度分辨率评估样品机械性能的可能性。