カンチレバーの高周波振動を用いる超音波原子間力顕微鏡によるナノメカニカル物性評価

強誘電体材料を用いたトランスデューサやアクチュエータではドメイン構造が逆圧電効果により弾性的に変形する。また強誘電体メモリーでは分極状態がスイッチングする際にドメイン境界の移動が生じる。従って、これらデバイスの動作は強誘電体ドメインやドメイン境界の強誘電性だけでなく弾性特性に密接に関係すると考えられる。しかしドメイン構造やドメイン境界について知見を得るためにはnmの空間分解能が必要であるため、従来の超音波を用いた方法では評価が困難である。強誘電体ドメイン構造を評価には、圧電応答力顕微鏡(PFM)が広く用いられている。しかしPFMでは弾性特性を評価することはできない。超音波原子間力顕微鏡(UAFM)は原子間力顕微鏡(AFM)の空間分解能で弾性特性を評価可能な技術である。この方法では探針が試料に接触したカンチレバーに高周波数の共振振動を励起することにより柔軟なAFMカンチレバーを用いながらもセラミックスや合金などの堅い材料の評価が可能になる。試料の弾性は共振周波数から評価されるので、共振スペクトルを高いSN比で測定することが重要である。本研究ではMEMSのアクチュエータや強誘電体メモリーに用いられるような強誘電体薄膜の評価を目指して、その基礎実験として市販のソフト系チタンジルコン酸鉛(PZT)バルクセラミックスに対してUAFMとPFMの評価を組み合わせて強誘電体ドメイン構造の評価を行った。その結果、強誘電体ドメイン構造に基づいた弾性特性の分布を映像化可能なことを確認した。さらに強誘電体ドメイン境界でドメイン内部に比べて弾性が低下する可能性があるという新知見を得た。これはドメイン境界が応力や電場により移動しやすい可能性を示唆する。このような評価を製法や組成の異なる材料に適用することにより有効な強誘電体材料の開発に重要な知見が得られる可能性があると考える。

強誘電体材料を用いたトランスデューサやアクチュエータではドメイン構造が逆圧電効果により弾性的に変形する。また強誘電体メモリーでは分極状態がスイッチングする際にドメイン境界の移動が生じる。従って、これらデバイスの動作は強誘電体ドメインやドメイン境界の強誘電性だけでなく弾性特性に密接に関係すると考えられる。しかしドメイン構造やドメイン境界について知見を得るためにはnmの空間分解能が必要であるため、従来の超音波を用いた方法では評価が困難である。強誘電体ドメイン構造を評価には、圧電応答力顕微鏡(PFM)が広く用いられている。しかしPFMでは弾性特性を評価することはできない。超音波原子間力顕微鏡(UAFM)は原子間力顕微鏡(AFM)の空間分解能で弾性特性を評価可能な技術である。この方法では探針が試料に接触したカンチレバーに高周波数の共振振動を励起することにより柔軟なAFMカンチレバーを用いながらもセラミックスや合金などの堅い材料の評価が可能になる。試料の弾性は共振周波数から評価されるので、共振スペクトルを高いSN比で測定することが重要である。本研究ではMEMSのアクチュエータや強誘電体メモリーに用いられるような強誘電体薄膜の評価を目指して、その基礎実験として市販のソフト系チタンジルコン酸鉛(PZT)バルクセラミックスに対してUAFMとPFMの評価を組み合わせて強誘電体ドメイン構造の評価を行った。その結果、強誘電体ドメイン構造に基づいた弾性特性の分布を映像化可能なことを確認した。さらに強誘電体ドメイン境界でドメイン内部に比べて弾性が低下する可能性があるという新知見を得た。これはドメイン境界が応力や電場により移動しやすい可能性を示唆する。このような評価を製法や組成の異なる材料に適用することにより有効な強誘電体材料の開発に重要な知見が得られる可能性があると考える。