水晶振動子を用いた空気中非接触原子間力顕微鏡の高速高分解能化

使用晶体振荡器的高速、高分辨率空中非接触式原子力显微镜

• 批准号: 12750028
• 负责人: 西 竜治
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12750028/
• 关键词: 原子間力顕微鏡; AFM; 水晶振動子; FM; Si(111); I; V; 非接触; Q値; 周波数変調法

大気中においても高いQ値を示す水晶振動子を力センサーとして用いることで高感度・高分解能の原子観力顕微鏡(AFM)による測定が実現され、生体試料を初めとする分子試料、溶液中での触媒反応など、真空中では観察が困難な分野にも応用が広がると期待される。本研究ではこの水晶振動子を用いた大気中動作の非接触AFMの開発を行った。1.広帯域高感度I/V(電流-電圧変換器)の開発水晶振動子の振動を高いS/Nで検出するために初段のアンプであるI/Vの高ゲイン化を行った。回路方式の変更と超高速のオペアンプを用いることで、帯域3MHzで、トランスインピーダンスゲイン320kΩと10倍以上に高めることに成功した。2.高感度FM復調器の開発通常AFMに比べ約3桁近く周波数シフト量が水晶振動子からの信号を検出するためアナログクワドラチャ方式を採用し、多段水晶振動子移送器を用いることで、超高感度(最小検出10mHz)と高帯域(135Hz(1ms))を得、励振回路、I/Vを含む総合特性で、通常のAFMより約2桁感度を高めた。3.Q値を高める正帰還励振方式の開発空気中を初め、溶液中でも高いQ値を持ち安定した励振を可能.とするため、発振器と自動ゲイン調整回路および移相器を組み合わせた回路方式を考案した。単純な励振に比べQ値を10倍以上に向上させ、感度の向上を図ることができた。4.大気中でのSi(111)単原子ステップの観察本装置の分解能を評価するためSi(111)単原子ステップの観察を行った。空気中での最適振動振幅は12〜16Åであった周波数シフト量と周波数ノイズとから最適値を求めた。観察は平均周波数シフトは-70mHz、1画面9分で画像化に成功した。約5倍の高速化と垂直分解能0. 8Å、水平分解能44Åが得られた。

High Q values indicate crystal oscillator force separation, high sensitivity, high resolution energy atomic force microscopy (AFM) measurements are performed in biological samples, molecular samples, catalytic reactions in solutions, and vacuum observations. In this paper, we study the development of non-contact AFM for crystal oscillator with large action. 1. High sensitivity I/V(current-voltage converter) of the open crystal oscillator vibration high S/N detection, initial stage and high I/V detection. The circuit mode is changed to high speed and high bandwidth. The bandwidth is 3MHz. The frequency is 320kΩ. The frequency is 10 times higher. 2. High Sensitivity FM Multiplexer's development is usually more than about 3 times faster than AFM's. The frequency range of the crystal oscillator signal is about 2 times faster than AFM's. The multi-stage crystal oscillator transmitter is used in the high frequency range (135Hz(1ms)). The excitation circuit and I/V include the combination characteristics. The AFM's general sensitivity is about 2 times higher. 3. Q value is high, Q value is high, Q value is The transmitter and the phase shifter automatically adjust the loop mode. Pure vibration is more than 10 times higher than Q, and sensitivity is higher than Q. 4. Si(111) single atoms in the large space can be observed by the decomposition energy of the device. The optimum vibration amplitude in the air is 12 ~ 16 The average frequency is-70mHz,1 frame 9 minutes and the image is successfully transformed. About 5 times faster and vertical decomposition energy 0. 8, horizontal decomposition energy 44.

项目成果

Ryuji Nishi et al.: "Phase change detection of attractive force gradient by using a quartz resonator in noncontact atomic force microscopy"Applied Surface Science. 145・4. 322-326 (2000)

Ryuji Nishi 等人：“在非接触原子力显微镜中使用石英谐振器进行吸引力梯度的相变检测”应用表面科学 145・4（2000 年）。

Ryuji Nishi: "Phase change detection of attractive force gradient by using a quartz resonator in noncontact atomic force microscopy"Applied Surface Science. 154・4. 332-336 (2000)

Ryuji Nishi：“在非接触原子力显微镜中使用石英谐振器进行吸引力梯度的相变检测”应用表面科学154・4（2000）。

Ryuji Nishi et al.: "A noncontact atomic force microscope in air using a quartz r esonator and the FM detection method"Applied Physics A. 72・Suppl. S93-S95 (2001)

Ryuji Nishi 等人：“使用石英谐振器和 FM 检测方法的空气中非接触式原子力显微镜”Applied Chemistry A. 72・Suppl. (2001)