原子間力顕微鏡(AFM)のアサイラム リサーチ

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 電気機械的ナノ測定を可能にした新型ピエゾフォースモジュール                         
 


新型ピエゾフォース顕微鏡モジュールにより、
ナノスケールでの電気機械的測定が可能になりました!!

電気機械的カップリングは、多くの無機材料やマクロ分子材料に見られる基本的な自然のメカニズムのひとつで、生体システムの中ではいたる所に存在します。強誘電性や、マルチフェロイックの不揮発性メモリ、データストレージデバイスの出現により、ナノスケールにおいて電気機械的に活性のある材料の研究を大きく刺激してきました。この10年において、ピエゾ応答フォース顕微鏡(PFM; Piezoresponse Force Microscopy)が、強誘電材料のナノスケールイメージング、スペクトロスコピー、そしてマニピュレーションに対する優れたツールとなって出現しました。電気機械的イメージングやスペクトロスコピーの応用の成長に対応して、アサイラム社は新しいピエゾフォースモジュールを開発しました。これにより、圧電材料、強誘電材料、マルチフェロイック材料、そして生体システムの、非常に高感度で高いバイアス、そしてクロストークフリー測定が可能になりました。これらのことが可能なのは、MFP-3D原子間力顕微鏡だけです。

非常に弱いピエゾ材料の特性評価を可能にした、
高電圧アクセサリーと先進のイメージングモード

「エレクトロメカニクスとPFMは、データストレージデバイスから電子モータータンパク質、電気生理学のMEMS展開にまで広がっている研究の成長分野です。私たちのピエゾフォースモジュールは、特別の高電圧アクセサリーと先進のイメージングモードを利用して、非常に弱い圧電材料に対してさえもピエゾ応答を測定することができます。」とロジャー・プロクシュ博士(アサイラム リサーチ社の社長であり、共同創設者)は話しています。「私たちは数多くのさまざまな分野で発揮できる、この新しい測定法の潜在能力に、非常にワクワクしています。」
ピエゾフォースモジュールとは、MFP-3Dのアクセサリーであり、高電圧PFM測定と、サンプル材料特性を評価するための、先進のイメージングモードを可能にしています。このピエゾフォースモジュールでは、専用のエレクトロニクスや高電圧カンチレバー、そしてサンプルホルダーを使用して、AFM探針にバイアスを印加できます。垂直・水平応答振幅が、表面の局所的な電気機械的活性度を測定し、応答の位相が分極方向に関する情報を引き出します。最大±220V高プロービング電圧で、非常に弱いピエゾ材料でさえも特性評価が可能です。

分極ダイナミクスのメカニズムに定量的に迫る、
再現性の良い、局所的な測定を提供!!

専用特許申請イメージングモードである、デュアル周波数トラッキングとバンド励起では、PFMは共振強化を実効的に使用しており、標準AFMスキャニングモードでは得ることのできない局所的な応答と、エネルギー散逸に関する新しい情報を提供します。これらの技術により、カンチレバーの振幅、共振周波数、そしてQファクターを独立して測定し、従来の正弦波カンチレバー励起の制限を克服できました。
MFP-3Dの広範囲な周波数レンジ(1kHz−2MHz)により、静的状態および、いくつかのカンチレバー共振の実効的利用、そしてカンチレバーの慣性硬化の利用でのイメージングが可能です。
分極ダイナミクスも、シングルポイント・ヒステリシスループ測定およびスイッチング・スペクトロスコピーマッピングを含む、内蔵スペクトロスコピーモードで研究することが可能です。これらのモードは、局所的マイクロストラクチャーとの相関をとるために、抗電界と核生成バイアス、インプリント、残留分極、そしてスイッチング関数(ヒステリシスループ内の面積)のようなパラメータの局所的測定を提供します。高電圧モジュールと組み合わせることで、電気光学単結晶のような高電界材料の中の局所的分極スイッチングを探ることも可能です。
PFMの開拓研究は現在、オークリッジ国立研究所(ORNL)の材料科学技術部門と、ナノフェーズ材料科学センターおよびアサイラム リサーチ社の共同研究で行われています。最新の成果の多くは2007年ボストンで開催される秋季MRSで発表される予定です。
「アサイラム リサーチ社との共同で行った最近の研究は、すでに大きな成果をあげています。ナノスケールで発現する、新しくエキサイティングな電気機械的現象―強誘電体の電界誘起相転移から、電子的撓電性(electronic flexoelectricity)や分子エレクトロモーターまでの現象が、これまで、それらを定量的かつ再現性良く研究することができなかったために埋もれていました。PFMはこれらの研究を可能にする技術です。最終的には、ナノテクノロジーの開発は、ナノスケールで”考える“だけでなく、”行動する“能力が要求されます。PFMはナノスケールにおける電気機械的カップリングのメカニズムを理解するための、そして分子エレクトロメカニカルなシステム開発のための道を開くことでしょう。」とORNLのスタッフ科学者であるカリニン博士は述べています。
ピエゾフォースモジュールはMRS秋季2007ミーティングで紹介される予定です。
ご興味のある方は、
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LiNbO3サンプルの3D表面形状にPFM信号を配色したイメージ。
イメージはスイッチングスペクトロスコピーマッピングを行った後にとりました。図はあるポイントで測定した、ヒステリシスループを示しています。4μmスキャン。
イメージをクリックすると、拡大画像をご覧いただけます。





赤血球サンプルの3D表面形状にピエゾ応答信号を配色したイメージ。2μmスキャン。イメージは
B. Rodriguez氏とS. Kalinin氏(ORNL)のご好意によります。
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