表面分子化学における超高分解能原子間力顕微鏡と光技術の融合の研究

超高分辨率原子力显微镜与光学技术在表面分子化学中的融合研究

• 批准号: 15K21765
• 负责人: 川井 茂樹
• 金额: $ 36.61万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Home-Returning Researcher Development Research)
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016 至 2018
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15K21765/
• 关键词: 原子間力顕微鏡; 表面化学; 単分子; 走査型トンネル顕微鏡; 光反応; 分子; 光技術; 化学反応; 分子間力; 光励起; 高分解能撮像; 走査型プローブ顕微鏡; 超精密測定; 超薄膜; 表面･界面物性; ナノ材料; 原子間力顕微鏡; 表面化学; 単分子; 走査型トンネル顕微鏡; 光反応; 分子; 光技術; 化学反応; 分子間力; 光励起; 高分解能撮像; 走査型プローブ顕微鏡; 超精密測定; 超薄膜; 表面･界面物性; ナノ材料

本研究では、光技術と最先端の原子間力顕微鏡の融合を目的として遂行した。研究種目名の通り、研究代表者は前任地のスイスバーゼル大学から物質・材料研究機構へ異動した。研究開始後に、研究環境を一から構築するとともに、大型の装置である極低温超高真空原子間力顕微鏡システムを日本へ移設し立ち上げた。また、その装置に外部から光を導入するための機構を導入した。装置を立ち上げる過程で、研究室の環境の違いに起因して問題となった低周波ノイズ(特に地面や建物の振動)を除去のために除振台を設計した。さらに、安定して光を導入するために液体窒素と液体ヘリウムのラジエーションシールドを設計した。これらの改良は、それぞれ2度行った結果、安定して高分解能測定できるシステムに仕上げることができた。さらに、単分子を低温の試料台上に直接蒸着するための機構を開発した。一方で、本研究課題の申請時には着任機関が決まっていなかったため、現職地では装置を立ち上げるために必要なマンパワーが不足することが開始後に判明し計画より時間を要してしまったことを否めない。本研究分野は進展の早い領域ではあるが、申請した内容の一部は未だに世界でも達成されていない内容であるため、今後早期に実施したい。一方で、研究テーマを遂行するために、国際共同研究を積極的に行った。その結果、水素結合力の直接的な測定や、ハロゲン結合で凝集した分子膜による表面エネルギー順位の制御、ヘテロ原子の同定、新規表面化学反応の開発などに成功した。これらは当初予定していなかった成果である。また、最終年度に博士研究員を雇用し、グラフェンナノリボンの接合など今後光で励起することを前提とした新奇材料の合成に成功した。

这项研究的目的是将光学技术与最先进的原子力显微镜融合在一起。正如研究主题所暗示的那样，首席研究人员从他的前任巴塞尔大学瑞士大学转移到了材料与材料研究所。研究开始后，研究环境是从头开始构建的，大规模的设备，超低 - 空白原子力显微镜系统，已重新安置到日本并推出。此外，将一种从外部引入光的机制引入了设备中。在启动设备的过程中，设计了一个振动隔离表，以消除低频噪声（尤其是地面和建筑物的振动），这是由于实验室环境中的差异而引起的。此外，设计了液氮和液氦的辐射护罩，以引入稳定的光线。每次进行两次改进，并且能够稳定地测量高分辨率的系统。此外，已经开发了一种直接沉积单分子在低温样品阶段的机制。另一方面，由于未决定在此研究主题申请时任命的机构，因此不可否认的是，在开始后发现，在当前职位上启动设备所需的人力短缺，这花费了比计划更长的时间。尽管该研究领域是一个快速增长的领域，但已经进行了一些应用程序，并且由于某些应用程序尚未在全球范围内实现，因此我们希望尽快实施此应用程序。另一方面，为了进行研究主题，我们积极进行了国际联合研究。结果，我们成功地直接测量了氢键力，使用卤素键共聚的分子膜控制表面能排名，识别杂原子并发展新的表面化学反应。这些结果最初不是计划的。此外，在最后一年，聘请了博士后研究人员并成功合成了新型材料，例如加入石墨烯纳米骨本，并假设他们将来会对光线感到兴奋。