高速三次元ＡＦＭの開発とそれを用いた分子吸着構造のサブナノスケール観察技術の確立

高速三维原子力显微镜的研制及分子吸附结构亚纳米尺度观测技术的建立

• 批准号: 16J01938
• 负责人: 宮澤 佳甫
• 金额: $ 1.79万
• 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: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J01938/
• 关键词: 原子間力顕微鏡; 三次元走査型力顕微鏡; ハードディスク; ハードディスク用潤滑剤; AFM; 3D-SFM; 潤滑剤; Hard disk; Lubricant

本研究では、原子間力顕微鏡（AFM）をベースに開発した三次元走査型力顕微鏡（3D-SFM）を用いて、産業実用薄膜材料の複雑な3次元分子吸着構造を分子スケールで直接可視化する手法の開発を目指した。サンプルモデルとして、ハードディスク（HD）表面の防汚や潤滑のために塗布するフッ素系潤滑層の分子吸着構造計測に取り組んだ。昨年度までの研究で、液中環境化の3D-SFM計測でHD用潤滑層の3次元力分布像を安定に取得できることを示した。また、力分布像には、理論モデルと高い相関性が見られる、水平方向に横たわる複雑な繊維状の構造が含まれることを確認した。この繊維状コントラストは、潤滑剤分子の骨格そのものを表していると考えられる。実際に、末端構造を変化させた潤滑剤の計測や、膜厚を変化させた時の計測を行うと、3D-SFMで得られる力分布像は潤滑層成膜条件に対する依存性を示した。また、これらを定量的に解析するために、3次元画像処理手法の確立に取り組み、細線化やラベリングの画像処理を用いて、繊維状構造の密度や配向性を抽出した。本年度は、よりHDの実環境に近い環境下での計測を可能にするために、雰囲気制御AFMを開発した。そして、開発した雰囲気制御AFMを用いて、窒素環境下や大気中でHD用潤滑剤の3D-SFM計測を行った。大気中で取得した力分布像には分子スケールの繊維状構造が見られたが、窒素環境下で取得した力分布像には局所的なコントラストが見られなかった。現在、この結果の理由を理解するために解析を行っているが、計測環境下の違いによる潤滑剤分子の揺動性の変化が観察できたのではないかと考えている。今後、引き続きAFMや探針の開発を進めることで、まずはHD用潤滑剤の3次元分子吸着構造解析手法を完成させる。そして、最終的には、HD用潤滑剤以外の多くの産業実用材料研究に本手法を直接応用させることを目指す。

This study で は, interatomic force 顕 micro mirror (AFM) を ベ ー ス に open 発 し た three dimensional walkthrough type force 顕 micro mirror (3 d - SFM) を い て thin film material, industry be の complex 雑 な 3 dimensional sorption tectonic を molecules ス ケ ー ル で す direct visualization る gimmick の open 発 を refers し た. サ ン プ ル モ デ ル と し て, ハ ー ド デ ィ ス ク の antifouling や (HD) surface lubrication の た め に coated す る フ ッ element is の molecule sorption lubrication layer structure measuring に group take り ん だ. Yesterday's annual ま で の research で, liquid の environment (in 3 d - SFM measuring で の HD with lubrication layer 3 dimensional force distribution similar to で を stability に き る こ と を shown し た. ま た, force distribution like に は, theoretical モ デ ル と high い phase masato が see ら れ る, horizontal transverse に た わ る complex 雑 な 繊 d shape の structure contains が ま れ る こ と を confirm し た. The <s:1> 繊 繊 dimension コ コ トラスト トラスト トラスト ると えられる, the lubricant molecule <s:1> bone lattice そ <s:1> <s:1> を を を surface て て ると ると is studied in えられる. Be interstate に, terminal structure を variations change さ せ た lubrication tonic の measuring や, film thickness を variations change さ せ た when の measuring line を う と, 3 d - SFM で ら れ る force distribution layer like は lubrication film-forming condition に す seaborne る dependency を shown し た. ま た, こ れ ら を quantitative analytical す に る た め に, 3 dimensional portraits 処 gimmick の establish に み take り group, fine line や ラ ベ リ ン グ の portrait 処 Richard を with い て, 繊 d structure の density や match tropism を spare し た. This year, the actual environment of に and よ に in HD に is に close to the current environment of で. It is estimated that を may be にするために and the atmosphere 囲 may control the development of AFMを. そ し て, open 発 し た 雰 囲 気 suppression AFM を with い て や, smothering environment in big 気 で HD with lubrication tonic の 3 d - SFM measuring line を っ た. Big 気 made で し た force distribution like に は molecular ス ケ ー ル の 繊 d structure が see ら れ た で が, smothering environment made し た force distribution like に は bureau of な コ ン ト ラ ス ト が see ら れ な か っ た. Now, こ の results の reason を understand す る た め に parsing line を っ て い る が の violations, measuring environment い に よ る lubrication tonic molecular の 揺 passivity の variations change が 観 examine で き た の で は な い か と exam え て い る. In the future, lead き 続 き AFM や probe の open 発 を into め る こ と で, ま ず は HD with lubrication tonic の 3 dimensional molecular sorption structure parsing technique を complete さ せ る. そ し て, eventually に は, HD with lubrication tonic outside の く の industry be directly with materials research に this gimmick を 応 with さ せ る こ と を refers す.

项目成果

薄膜シールド機構を備えた液中AFMの開発

具有薄膜屏蔽机构的水下原子力显微镜的研制

• 发表时间: 2017
• 作者: 宮澤佳甫;山村俊貴;泉久範;高橋康史;福間剛士
• 通讯作者: 福間剛士

Comparison of 3D force images obtained by 3D-SFM and MD simulation at a calcite-water interface

方解石-水界面处通过 3D-SFM 和 MD 模拟获得的 3D 力图像的比较

• 发表时间: 2017
• 作者: K. Miyazawa;J. Tracey;B. Reishl;P. Spijker;A. S. Foster;T. Fukuma
• 通讯作者: T. Fukuma

In-liquid AFM with a membrane shield for separating a cantilever from liquid environment

具有膜屏蔽的液体 AFM，用于将悬臂与液体环境分开

• 发表时间: 2017
• 作者: K. Miyazawa;T. Yamamura;H. Izumi;Y. Takahashi;T. Fukuma
• 通讯作者: T. Fukuma

Computational Modeling of Chromosomes and Carbon Nanotubes as a Probe of Atomic Force Microscopy

作为原子力显微镜探针的染色体和碳纳米管的计算模型

• 发表时间: 2018
• 作者: T. Sumikama;K. Miyazawa;T. Higasayama;K. Nakayama;M;Harada;T. Fukuma
• 通讯作者: T. Fukuma

三次元走査型力顕微鏡（3D-SFM）を用いたマイカとグラフェン上の3次元水和構造の同時計測

使用 3D 扫描力显微镜 (3D-SFM) 同时测量云母和石墨烯上的 3D 水合结构

• 发表时间: 2017
• 作者: 宮澤佳甫; 楊志文; 宮田一輝; 黄英碩; 福間剛士
• 通讯作者: 福間剛士