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測定・評価

熱雑音を測ることでポリマーに埋もれたナノ構造を検出 ~走査型熱振動顕微鏡法によるナノスケール表面下構造イメージング~

 京都大学は2017年2月20日,同大学大学院工学研究科の小林 圭准教授,山田 啓文教授,および豊田工業大学の八尾 惇研究員らの研究グループが,原子間力顕微鏡(AFM)を基にした新たな分析手法,走査型熱振動顕微鏡法(Scanning Thermal Noise Microscopy:STNM)を開発し,高分子膜の内部に埋め込まれた金ナノ粒子の非破壊的検出に成功したと発表した.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費補助金の支援を受けて行われ,成果は英国科学誌Scientific Reportsに掲載された(注).

 近年,材料・デバイスの解析やバイオ・医療分野などで,非破壊・非侵襲の内部構造検出法の開発が求められている.本研究では,ナノスケールの表面観察に用いられるAFMを利用して,探針直下領域の弾性率を探る新たな技術が開発された.AFMは,カンチレバーをその共振周波数で振動させながら,探針と試料表面との間に作用する微小な力を検出し,試料表面の微細形状やナノ物性を計測する装置である.探針を試料に接触させると,カンチレバーの共振周波数が試料の弾性率(硬さ)に応じて変化するので,これにより試料表面の弾性率を測定することもできる.通常はカンチレバーを人為的に振動させて測定するが,人為的な力を加えなくともカンチレバーは熱ゆらぎにより常に振動(熱雑音振動=熱振動)している.本研究では,この熱振動のスペクトルを利用した試料の弾性率測定(STNM)が可能なことが見出された.

 実験に使用された装置は,市販AFMの光ビーム偏差センサーのノイズを低減するよう光学系と電子回路に改造を施したもので,取り込まれた熱ゆらぎノイズ信号を高速フーリエ変換して熱振動スペクトルが得られる.測定に使用された試料は,厚さ125µmのポリイミド基板上に直径40nmの金ナノ粒子を散布し,膜厚300nmの高分子膜(フォトポリマー)で覆ったものである.試料表面の780nm×780nmの領域をスキャンしながら,各ポイントにおける熱ゆらぎをサンプリング周波数400kHzで取り込んで250,000のデータが採取された.それらから得られた熱振動スペクトルを25ポイントずつ平均化し,ピーク周波数データから構成された100×100pixelの画像が得られた.弾性率に対応するピーク周波数は,探針直下での金ナノ粒子の有無により異なり,金ナノ粒子の存在するところでは凡そ104kHz,存在しないところは凡そ102kHzとなった.事前に同一領域を通常のタッピングモードのAFMで測定した画像には金ナノ粒子に対応する凹凸は検出されておらず,本手法により,厚い高分子膜に埋もれた金ナノ粒子の検出が可能であることが示された.

 本研究の成果は,様々な分野において,ナノ解像度での表面粘弾性計測や,非破壊的なナノ内部診断の実現などにつながることが期待されるという.

(注)Atsushi Yao, Kei Kobayashi, Shunta Nosaka, Kuniko Kimura, and Hirofumi Yamada, "Visualization of Au Nanoparticles Buried in a Polymer Matrix by Scanning Thermal Noise Microscopy", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 42718 (2017), doi: 10.1038/srep42718; Published online: 17 February 2017