東大ら,原子の種類や状態をカラー表示するAFMを開発

東京大学は日仏の研究者らと共同で,わずか数十秒から数分でカラーの化学コントラスト像が得られる原子間力顕微法(カラーAFM, Colour Atomic Force Microscopy)を開発した(ニュースリリース)。

原子間力顕微鏡は,鋭利な探針で試料の表面をなぞる装置で,従来から原子の並び方や分子の内部を高い分解能で画像化できていた。しかし,表面の化学情報を精密に計測する場合,一点一点計測し,その結果を統合して数値処理するため,100㎚角の範囲を撮像するために数十時間かかる場合もあった。そのため,化学コントラストを調べる顕微鏡としては汎用化されていなかった。

研究では,探針を支える振動子を原子1個程度以下の幅で1秒間に数100万回振動させ,表面の原子間力の変化を検出した。同時に,1秒間に数千回の頻度で試料を近づけたり遠ざけたりして,1個の原子がどの程度遠くまで影響を及ぼすかを瞬時に計測することを可能とした。

この手法により,原子に関する3つの独立した物理量を同時に計測できるため,それらの値を,赤,緑,青(RGB)に変換し,カラー画像化した。3つの物理量が同じであれば原子は同じ色で表され,1つでも物理量が異なると別の色で表示される。

実際に,シリコン表面の原子の状態を観察し,原子の結合エネルギーや,力の作用する距離,原子が周囲に支持されている剛性の強弱を可視化することに成功した。

この研究で開発した原子間力顕微鏡により,合金,半導体,化合物などの固体試料を,比較的短時間で観察することが可能となり,表面やデバイスの研究や開発に広く活用されることが期待される。今後は,常に特定の分子を探針の先端に固定して試料を観察することで,さらに普遍性の高い撮像手法へ進化するとしている。

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