Development of In-liquid Local Potential Distribution Measurement Technique Based on Atomic Force Microscopy and Its Applications to Nanoscale Studies

基于原子力显微镜的液体局部电势分布测量技术的发展及其在纳米尺度研究中的应用

基本信息

批准号：
20J14311
负责人：
平田海斗
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14311/
关键词：
原子間力顕微鏡液中局所電位分布計測技術光触媒

项目摘要

本研究では、我々が独自開発した原子間力顕微鏡（AFM）ベースの液中電位分布計測技術（OL-EPM）の高感度・高速化と、開発技術を光触媒計測へ応用し、局所反応機構を明らかにすることが目的である。本年度は、研究成果①： OL-EPM計測高感度化のための超小型カンチレバー検討と、研究成果②：光感受性材料のための可視光レス計測AFMの開発とそれらを用いた光触媒反応の局所計測に取り組んだ。研究成果①では、収束イオンビーム走査電子顕微鏡で導電性AFM探針を自作することでOL-EPMでも超小型カンチレバーを実用化することに成功した。これにより、従来カンチレバーよりも5倍程度の力感度向上を実現した。同時に超高周波カンチレバーの使用は、OL-EPMの装置原理的制限を一部解決し、使用可能電解液濃度10 mMの制限を30 mMまで引き上げることを可能とした。研究成果②では、まず光触媒反応計測のための可視光レス計測を目的に、カンチレバー励振システムの改良を行った。励振方法の一つである磁気励振法は広く用いられている光熱励振法と異なり、光レス励振できる。これを改良・発展しOL-EPM計測でも使用可能なシステムを開発した。加えて、開発したカンチレバーと磁気励振システムで、BiVO4表面の光触媒反応分布のOL-EPM計測を行った。特性の異なる電解液中でOL-EPM計測することで、同じ水分解反応でも界面で生じる電荷蓄積の状態が異なり、それが直接反応状態にも関係する可能性を局所的に可視化することに成功した。このように本年度では、OL-EPMの高感度化技術の確立とAFMを構成する技術の改良に成功、加えて光触媒反応分布計測へとOL-EPM計測を応用できる可能性を示した。今後は、高速FPGAを用いてOL-EPM計測機能を有した自作AFMを開発することで、OL-EPM計測技術の高速化を目指す。

这项研究旨在提高我们自己的原子力显微镜（AFM）基于液体电位分布测量技术（OL-EPM）的敏感性和速度，并将开发的技术应用于光催化测量，以阐明局部反应机制。今年，我们致力于研究结果1：研究超紧凑型悬臂的研究，以实现OL-EPM测量中的高灵敏度，研究结果2：开发可见的无灯光测量AFM，用于光敏材料以及使用它们的光催化反应的局部测量。研究结果1通过使用聚焦的离子束扫描电子显微镜制作导电AFM探针，成功地在OL-EPM中成功使用了超紧凑型悬臂。这实现了力敏感性的敏感性，其敏感性是常规悬臂的五倍。同时，使用超高频率悬臂求解了OL-EPM的一些设备主要限制，从而使可用的电解质浓度的极限为10 mm，可以增加到30 mm。研究结果2：首先，改进了悬臂激发系统，目的是在视觉上无灯光测量以进行光催化反应测量。磁激发方法是一种激发方法，与广泛使用的光热激发方法不同，可以无灯滴定。这已经改进并开发了一个系统，也可以用于OL-EPM测量。另外，使用已开发的悬臂和磁激发系统进行了BIVO4表面上光催化反应分布的OL-EPM测量。通过测量具有不同特征的电解质中的OL-EPM，我们在局部成功地看到了界面电荷积累的可能性，即使在相同的水分分解反应中也有所不同，这可能与直接反应状态有关。因此，今年，我们成功建立了技术来使OL-EPM高度敏感并改进构成AFM的技术，还证明了OL-EPM测量值可以应用于光催化反应分布测量值的可能性。将来，我们旨在通过使用高速FPGA来开发自己的AFM来加快OL-EPM测量技术。