原子分解能・走査型化学プローブのための能動的非線形バネをもつアクチュエータ

用于原子分辨率扫描化学探针的具有主动非线性弹簧的致动器

基本信息

批准号：
17040001
负责人：
小野崇人
金额：
$ 9.47万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

走査型化学顕微鏡は、プローブで単一の原子や分子を拾い、その原子を質量分析器に飛ばして化学分析し原子を同定するための顕微鏡である。このプローブでは、表面をみてターゲット分子を拾い、分析器に分子をとばすために、プローブを大きく変位させるアクチュエータの技術が必須である。ダイナミックモードAFMとの併用により、原子分解能で表面像を観察し、化学分析を可能にする。しかし、プローブを大きく動かすアクチュエータは、剛性が小さく、原子間力顕微鏡との併用が困難である。小型のアクチュエータで発生できる力は弱く、プローブのバネ定数を極めて小さくしないと、駆動できないのが問題である。アクチュエータのバネ定数が小さいと、プローブが原子間力で表面に張り付き、動作が不安定になると共に、十分な分解能が得られない。これらの問題を解決するため、アクチュエータの剛性を能動的に変化するアクチュエータを開発した。原子分解能をもつ走査型化学顕微鏡を実現するには、走査型プローブへの以下のマイクロ・ナノ駆動機構の集積化が不可欠である。(1)ダイナミックモードで原子像を得るための、20N/m以上のバネをもつ駆動機構。(2)原子を化学分析する際に大きく動作させるための、30μm以上の大変位駆動機構。そこで本研究では、非線型バネを有した圧電アクチュエータを開発し、走査型化学顕微鏡に集積化した。この大変位機構は、化学分析のためにプローブ探針を電界放出用電極近傍に持ってくるために非常に重要な役割を果す。また、表面像を観察する際には、バネを硬くし、ダイナミックに振動させて、その共振周波数の変化あるいは振幅の変化を利用してイメージングできる。このアクチュエータ構造で、50μmの大きな変位を達成した。また、先端に圧電の振動センサを集積化し、原子間力顕微鏡に応用できることを示した。

扫描化学显微镜是使用探针拾起单个原子或分子的显微镜，然后将原子发送到质量分析仪进行化学分析和原子鉴定。通过此探针，必须使用一种极大地置换探针以查看表面并拾取目标分子并将分子发送到分析仪的执行器技术。当与动态模式AFM结合使用时，可以在原子分辨率下观察表面图像，从而进行化学分析。然而，一个明显移动探针的执行器几乎没有刚性，并且与原子力显微镜结合使用很难使用。小执行器产生的力很弱，问题在于，除非探针的弹簧常数极小，否则不能将其驱动。如果执行器的弹簧常数很小，则探针由于原子力而粘在表面上，导致操作变得不稳定，并且无法获得足够的分辨率。为了解决这些问题，已经开发了一个积极改变执行器的刚度的执行器。为了实现具有原子分辨率的扫描化学显微镜，必须将以下微纳米驱动机制的整合到扫描探针中是必不可少的：（1）一种弹簧为20n/m或更多的驱动机制，以在动态模式下获得原子图像。（2）在化学分析原子时，用于大型运行的大型驱动机制为30μm或更多。因此，在这项研究中，开发了具有非线性弹簧的压电执行器并将其整合到扫描化学显微镜中。这种庞大的位置机制在将探针探针带到场发射电极附近进行化学分析中起着非常重要的作用。此外，在观察表面图像时，可以将弹簧变硬并动态振动，并使用共振频率或振幅的变化进行成像。该执行器结构可实现50μm的大量位移。此外，在尖端集成了压电振动传感器，并且可以应用于原子力显微镜。