原子間力顕微鏡による固体表面観察と摩擦過程の分子動力学解析

背 景

原子間力顕微鏡(AFM: Atomic Force Microscope)（図1）は，大気中でも原子レベルの分解能の固体表面像が得られる顕微鏡として，工学，物理，化学のみならず生物といった様々な分野で用いられている．とりわけ近年ではナノテクノロジーの分野において欠かせない存在となり，固体界面における現象の解明にそれを活用している例の数は計り知れない．しかしながら，AFM で観測される固体表面像が表面原子１つ１つによるものなのか，それとも単に表面の周期性によるものなのか、点欠陥などを検出可能か等を含め，AFM による固体表面像の正当性はいまだ不明のままである．また，実験によりAFM 観察時に固体表面で発生する原子間相互作用を調査することは困難である．目下，AFM による固体表面像の正当性を含め，固体表面とAFMプローブの間で生じている現象を明らかにするには実験以外の何らかのアプローチによるサポートが必要である．

図1 原子間力顕微鏡（AFM）の模式図

目 的

・ AFMによる固体表面観察においてプローブと固体表面との間に生ずる原子間相互作用を動力学的に解明

・ AFM による固体表面像の分解能(識別限界)の解明

（固体表面像のプローブ先端形状依存性，原子像が固体表面の周期性によるものか否か，点欠陥の識別は可能か否かなど明らかにし，同時にAFM による固体表面像の妥当性を明確にする．）

・ 実験から発生機構が予測されている，固体表面原子による二次元量子化摩擦現象発生機構の検証と解明

分子動力学解析の概要

図2にシミュレーションモデルを示す．試料に銅単結晶，プローブに完全剛体のダイヤモンドを想定する．カンチレバのばね定数を考慮し，プローブと指示台A, B, C (x, y, z方向)は，それぞればね定数kx, ky, kz のばねを介して接続されている．プローブには支持台とプローブの相対変位に対応したばね力（3軸方向）がもたらされる．プローブの位置は，プローブが試料原子から受ける力を分子動力学計算から求め，それを外力とするばね系の運動方程式を解くことにより記述される．

図2 AFM表面観察の分子動力学シミュレーションモデル

図4 プローブの形状

図3 スキャン位置と方向

解析の概要

・ スキャン箇所による影響（図3）

・ プローブ先端形状による影響（図4，1原子先端と1格子先端）

・ 理想原子像（プローブと試料表面との間隔を一定と想定した場合における，原子間力の分布をプロットしたもの）とシミュレーション像の対比

・ 二次元量子化摩擦状態（二次元スティックスリップ現象）

得られた成果

・ 理想表面像とシミュレーション像の相違を明らかにした（とりわけ1格子プローブの場合）（図5）．

・ スキャン位置による二次元量子化摩擦状態の相違を明らかにした（図6）．

・ プローブ先端と試料表面の原子挙動把握に分子動力学シミュレーションが有効であることを確認した（図7）．

図7 試料表面原子挙動（断面，動画）

現在の状況

・ パラメータ依存性（プロ－ブ先端半径やカンチレバ剛性，スキャン方向，垂直荷重が固体表面像や摩擦挙動に及ぼす影響）を検討中．

日本学術振興会 科学研究費補助金 奨励研究(A)(若手研究(B)) H13～14年度 No. 13750113

「原子間力顕微鏡の固体表面像分解能と二次元量子摩擦現象の解明に関する研究」 （清水 淳）

参考論文

(1) J. Shimizu, H. Eda, M. Yoritsune and E. Ohmura: Molecular Dynamics Simulation of Friction on the Atomic Scale, Nanotechnology, 9, 2 (1998.6) pp.118-123

(2) J. Shimizu, H. Eda and L. Zhou: Molecular Dynamics Simulation on Dependence of Atomic-Scale Stick-Slip Phenomenon upon Probe Tip Shape, Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millennium, (Proc. Int. Conf. 10th ICPE, Yokohama), (2001.7.19) pp.759-763

(3) J. Shimizu, L. Zhou and H. Eda: Simulation Analysis of Contact Process in AFM Surface Observation, Proc. 2nd Int. Conf. WTC2001, Austria, (2001.9.6) 61 (Abstract) M-12-22-157-SHIMIZU.pdf (Proc.)

(4) J. Shimizu, H. Eda, L. Zhou, T. Asano and Y. Nakazawa: Microscopic Analysis of Friction Phenomena in Surface Observation by Atomic Force Microscope, Proc. Int. Conf. ITC2000, Nagasaki, (2001. 12) pp.687-692

(5) J. Shimizu, L. Zhou, H. Eda: Molecular Dynamics Simulation of the Contact Process in AFM Surface Observations, Tribotest Journal, 9, 2 (2002.12) pp.101-115

(6) Jun Shimizu, Libo Zhou, Takeyuki Yamamoto: Molecular Dynamics Simulation of Energy Dissipation Process in Atomic-scale Stick-slip Phenomenon, Tribology Online, 8, 1 (2013.1) pp.38-43