Novel scanning probe microscopy methods to reveal solid-liquid-gas three-phase contact lines

固気液三相界線は熱工学に限らず製造技術や生体工学など幅広い分野において重要である。それにもかかわらず、異なる三相が相互作用しあう場の物理機構の正確な理解は困難で、新たな実験的手法による分子スケールでの現象解明が求められている。本研究では走査プローブ顕微鏡の中でも、従来の手法に比べて10倍以上高感度な周波数変調モードや表面電位を計測できるケルビンプローブフォース顕微鏡をさらに発展させ使い分けることによって、空気分子および不純物の吸着や凝縮層、固体表面の不均一性、および三相界線近傍の帯電状態が与える影響について調査することを目的としている。今年度は、架橋グラフェン液体セルという新たな実験用デバイスを開発することを優先して研究を行った。具体的には、最初の困難な技術課題である、厚さが50nmのシリコン窒化膜に100マイクロメートル程度の小さな孔を設ける実験を行った。しかしながら、用いる集束イオンビームの条件変更や保護膜付加などいくつかの工夫を行ったものの、膜の強い残留応力のために孔の周辺の維持されてほしい部分も破断してしまうことが明らかになった。一方で、固気液三相界線の重要な物理であるピニングについては、グリセロールのナノ液滴を対象に原子間力顕微鏡のAMモードで基板を３通り用いて詳しく調べることに成功した。その実験からは、オングストロームオーダーの表面粗さがナノスケールの接触角に対して重要な働きをしていることが示唆される結果が得られた。

固気液三相界線は熱工学に限らず製造技術や生体工学など幅広い分野において重要である。それにもかかわらず、異なる三相が相互作用しあう場の物理機構の正確な理解は困難で、新たな実験的手法による分子スケールでの現象解明が求められている。本研究では走査プローブ顕微鏡の中でも、従来の手法に比べて10倍以上高感度な周波数変調モードや表面電位を計測できるケルビンプローブフォース顕微鏡をさらに発展させ使い分けることによって、空気分子および不純物の吸着や凝縮層、固体表面の不均一性、および三相界線近傍の帯電状態が与える影響について調査することを目的としている。今年度は、架橋グラフェン液体セルという新たな実験用デバイスを開発することを優先して研究を行った。具体的には、最初の困難な技術課題である、厚さが50nmのシリコン窒化膜に100マイクロメートル程度の小さな孔を設ける実験を行った。しかしながら、用いる集束イオンビームの条件変更や保護膜付加などいくつかの工夫を行ったものの、膜の強い残留応力のために孔の周辺の維持されてほしい部分も破断してしまうことが明らかになった。一方で、固気液三相界線の重要な物理であるピニングについては、グリセロールのナノ液滴を対象に原子間力顕微鏡のAMモードで基板を３通り用いて詳しく調べることに成功した。その実験からは、オングストロームオーダーの表面粗さがナノスケールの接触角に対して重要な働きをしていることが示唆される結果が得られた。