周波数変調/同期法を利用したナノ力学による原子レベルの顕微鏡/分光法の開拓

使用频率调制/同步方法利用纳米力学开发原子级显微镜/光谱学

基本信息

批准号：
21K18191
负责人：
新井豊子
金额：
$ 16.64万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、周波数変調原子間力顕微鏡（FM-AFM）を基に、赤外光を照射した際の試料表面の分子の分極変化を原子レベルで力学的に高感度検出する赤外分光法（探針振動同期検波赤外分光法(TS-IR)）を開発する。FM-AFMは、カンチレバーをその共振周波数で励振し、探針試料間の相互作用力（保存力）による共振周波数変化から試料の形状像を得、非保存性の相互作用力によって散逸される力学的エネルギーも同時に検出できる。赤外光源としてパルス量子カスケードレーザー（QCL）を選定し、昨年度来、浜松ホトニクス社と打ち合わせ、特別仕様のQCLを購入した。2022年5月に納品されたが、輸送中のトラブルなどにより、設定仕様を満たさなかったため、メーカーに戻し調整を行った。その後も、素子のレーザー出力の減衰、スポット形状の歪み調整などのため、再度メーカーにて再調整を行い、2023年1月に金沢大学に設置して、QCLの発振、集光点でのパワーを確認できた。本研究では、音叉型水晶振動子を基体とし金属探針を形成した力センサーを用いる。タングステン線を、酸化性ガス（水素と酸素の混合ガス）の高温の炎の中に入れるとタングステンの酸化・酸化物の昇華が繰り返され、エッチングされる。この炎エッチング法によりタングステン探針を作製した。エッチングされたタングステン線先端は、ファセット面で囲まれ、軸方向が[110]軸を向いた単結晶になっていることを走査型オージェ分光顕微鏡及び、電子線後方散乱回折法により明らかにした。しかし、タングステン線には酸化膜や、炭素系の汚染物が付着していた。そこで、先鋭化したタングステン線を真空中でレーザー加熱することにより、形状は変えず、表面の汚染物を除去できる条件を見いだした。

在这项研究中，我们将开发红外光谱（方案振动 - 同步检测红外光谱（TS-IR）），该光谱法（TS-IR）机械地检测样品表面上分子在样品表面上的极化变化，而在原子水平上用高敏感性辐照红外光。 FM-AFM以其谐振频率激发了悬臂，从探测样品之间的相互作用力（保护力）引起的谐振频率变化中获得样品的形状图像，并且可以同时检测非保守相互作用力消散的机械能。我们选择了脉冲量子级联激光器（QCL）作为红外光源，自去年以来，我们会见了Hamamatsu Photonics购买特别版QCL。它是在2022年5月交付的，但是由于运输过程中的问题，该产品不符合规格，因此该产品已退还给制造商并调整了产品。之后，制造商重新调整了设备的激光输出并调整了斑点形状的变形，并于2023年1月将其安装在Kanazawa University，以确认QCL的振荡和焦点的功率。在这项研究中，使用了使用调谐叉型石英晶体谐振器作为底座并形成金属探针的力传感器。当将钨丝放置在氧化气体的高温火焰中（氢和氧气的混合气体）时，重复并蚀刻了钨的氧化和氧化物升华。通过这种火焰蚀刻方法制造了钨探针。蚀刻的钨丝尖端被刻面表面包围，是一个单个晶体，其轴向朝向[110]轴，并且通过扫描螺旋钻光谱和电子束反向散射衍射显示出来。然而，钨电线具有氧化物膜和碳污染物的附着。因此，通过在真空中对锐化的钨丝的激光加热，发现可以去除表面污染物而不会改变其形状。