How fine can crystal lattice spacing be interpolated? Development of crystal lattice scale with sub-picometer accuracy.

晶格间距可以插值到多细？

基本信息

批准号：
22K18806
负责人：
明田川正人
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

次の開発を行った。（１）走査型トンネル顕微鏡（STM）を用い、グラファイト結晶表面の2次元格子ベクトルを基準とする2次元変位測定法の開発を行った。これはグラファイトの格子間隔以下の変位を補間する手法である。走査型トンネル顕微鏡（STM）の探針に適切な振幅（例えば格子間隔の半分）を持つ横方向ディザ円運動と直線運動を加えたときに1周期内のディザ円運動上の任意の6点のトンネル電流情報の組から直線運動の変位（変位の向きと大きさ）を補間算出する手法を見出した。さらにこの6点の組をディザ1周期内で多数利用可能で、この多数組の変位情報の平均化で信号雑音比を向上でき、おおよそ格子間隔の1/100以下の補間（約2pm）が可能なことを理論的に解明した。多数組の組数はディザの周期、STMの電流電圧変換回路の帯域、STMのデータサンプリング間隔に依存するが、現状のSTMで5kHzのディザ周波数で100組は取得可能である。（２）上の（１）の手法を実験的に証明するために、干渉計を組込んだSTMを開発中である。干渉計は（１）の手法で求めた2次元変位を比較するため、あるいは干渉計自体の非線形不確かさを測定するために設置する。干渉計はヘテロダイン方式とし4倍光路差のものを設計製作した。STM自体は外乱振動や熱変形を防ぐために低熱膨張材で構成した。特に干渉計の測定方向の変位およびSTMの試料の走査を精度良く生み出すために高剛性の平行バネ案内を持つ圧電素子ステージをSTMに組み込んだ。高速論理回路FPGAにより、STMの探針試料間のフィードバック制御、上の（１）のための演算処理を行うソフトウェアを開発した。

取得了以下进展。 (1)利用扫描隧道显微镜(STM)，开发了一种基于石墨晶体表面二维晶格矢量的二维位移测量方法。这是一种在石墨晶格间距以下插值位移的方法。当扫描隧道显微镜（STM）尖端受到横向抖动圆周运动和具有适当幅度（例如一半光栅间距）的直线运动时，一个周期内抖动圆周运动上的任意六个点可以被我们发现从一组隧道电流信息中插值线性运动的位移（位移的方向和大小）的方法。此外，在一个抖动周期内可以使用多组这6个点，通过对这多组位移信息进行平均，可以提高信噪比，并进行大约1/100或更小的网格的插值间隔（大约下午 2 点）是可能的。多组的数量取决于抖动周期、STM电流电压转换电路的频带以及STM数据采样间隔，但对于当前的STM，可以在5kHz的抖动频率下获得100组。 (2)为了通过实验证明上述方法(1)，我们目前正在开发一种结合了干涉仪的STM。安装干涉仪是为了比较使用方法（1）获得的二维位移或测量干涉仪本身的非线性不确定度。干涉仪设计制造为具有四倍光程差的外差式干涉仪。 STM 本身由低热膨胀材料制成，以防止干扰振动和热变形。特别是，STM中集成了具有高刚性平行弹簧导向件的压电元件台，以便精确地产生干涉仪测量方向上的位移和STM样品的扫描。使用高速逻辑电路FPGA，我们开发了在STM探针和样本之间进行反馈控制并执行上述(1)的算术处理的软件。