原子間力顕微鏡(AFM)教育用キット

教育、実験、授業用として設計
ブレッドボードを除く全てのハードウェアに加えて、詳細なマニュアルと教材が付いたキット
組立・使用方法が容易

Click to Enlarge
実習生が教育用キットEDU-AFM1(/M)のレーザービームのコリメートを調整しています。

実験内容

原子間力顕微鏡の構築
プローブ先端と試料表面の原子間に働く基礎的力についての学習
ピエゾ駆動アクチュエータを用いたナノメートルレベルの精密モーションコントロールとヒステリシスについての学習
高さ一定モード、力一定モードなど様々な走査方法の原理の理解
表面走査テスト用CD、DVD、Blu-Ray Discと、校正用の微細構造サンプルが付属

当社の原子間力顕微鏡(AFM)教育用キットには基本的な原子間力顕微鏡を構築するのに必要な部品*がすべて含まれています。こちらの教育用システムを用いると、付属のサンプルでイメージングの実験を行いながら、セットアップを操作し、調整することができるようになります。研究グレードの機器ではありませんが、AFMの物理的特性やそこに使われている技術を実演で示すには十分な分解能が得られます。高さ一定、力一定、水平力モードでのイメージングが可能で、力と距離の関係を測定するフォースカーブも記録することができます。

教育用キットには顕微鏡部品のほかに下記のものが含まれます。

Windows^®PCで顕微鏡を制御できるEDU-AFMソフトウェアパッケージ
校正用の微細構造サンプル
コンタクトモード用AFMプローブ:10本
CD、DVD、Blu-Ray Discサンプル
AFMの構築方法、動作理論、および実習例が記載された詳細なマニュアル

上記のように、当社の原子間力顕微鏡教育用キットは幅広いアプリケーション指向のセットアップで、専門的な研究へのイントロダクションに適しています。

*AFMは光学テーブルまたはブレッドボードに取り付ける必要がありますが、それらはキットに付属していません。適当なブレッドボードをお持ちではない場合は、Nexus^®ハニカムブレッドボードB4560Aとダンピング脚AV5/Mをお勧めいたします(別売り、下記参照)。標準的なアルミニウム製ブレッドボードは、AFMを振動から十分にアイソレートできないため、ご使用にならないでください。

Thorlabs教育用製品

教育用実験キットシリーズは、最先端の研究のみならず、多くの古典的な実験を網羅することにより、物理学、光学、フォトニクスの学習を促進させることを目的としています。いずれの教育用キットにも必要な部品が全て含まれており、詳しいセットアップの手順だけでなく教育内容も盛り込まれたマニュアルが付属します。これらのキットの価格は構成部品の金額の総計となっており、付属の教材は無料でご提供しています。

注: マニュアルと教材は英語でご用意しております。ご不明な点は、当社までお問い合わせください。当社ウェブサイトに掲載されている製品の表示価格には、消費税が含まれておりません。

原子間力顕微鏡教育用キットEDU-AFM1/Mの概略図。赤い線はレーザの光路、青い線は電気接続を表しています。

当社の原子間力顕微鏡(AFM)教育用キットは、授業や実験などの教育用として設計されております。内容はAFMプローブ、閉ループ式電動位置コントローラ付きのステージとその上に置かれたサンプルホルダ、プローブのたわみを測定するレーザと4分割フォトダイオードディテクタ、そしてセットアップを制御するEDU-AFMソフトウェアパッケージなどから構成されています。

動作
AFM測定に使用されるプローブは、ナノメートルレベルの探針を取り付けたカンチレバーで、これで試料の表面構造を走査します。右の概略図では原子間力顕微鏡教育用キットEDU-AFM1/Mがどのように動作するのかがご覧いただけます。レーザ光は、635 nmのファイバ出力型ベンチトップ光源から供給されます。レーザ光はパッチケーブルを通って、調整機能付きズーム筐体内のレンズで構成されているコリメータに送られます。このコリメータは、集光されたレーザースポットの位置をカンチレバー表面の中心に合わせられるように、3軸のキネマティックマウントに取り付けられています。カンチレバーからの反射光はディテクターマウントのアセンブリに入射し、4分割フォトダイオードの表面上に再び集光されます。フォトダイオードの電圧測定によりカンチレバーのたわみの大きさが測定でき、その測定値は画像の生成に直接利用することも、サンプルステージの高さを調節するフィードバック信号に利用することもできます。

サンプルステージとカンチレバー
EDU-AFM1/Mではプローブは静止したままで、プローブの下で試料が移動します。その移動には閉ループ式のピエゾ付き3軸ステージMAX311D/Mが使用されています。MAX311D/Mの移動しない面にプラットフォームAMA009/Mが固定され、プローブはその上にカスタム仕様のマウントで保持されています(下の写真参照)。サンプルステージの各軸の駆動には、K-CubeピエゾコントローラKPZ101が使用されています。X軸とY軸のピエゾコントローラは、それぞれピエゾの変位を測定する歪ゲージリーダKSG101とペアになっています。そのためK-Cubeコントローラは閉ループ制御が可能になり、ステージ位置(X、Y)を高精度で設定し、保持することができます。Z軸制御用のKPZ101はK-Cube位置センサーディテクタ用オートアライナKPA101に接続されています。このKPA101にはデジタル信号プロセッサ(DSP) が内蔵されており、下記に記載するようにカンチレバーのたわみをモニタするのに使用されています。

side view showing cantilever & sample stage locations

Click to Enlarge
組み立て例：レーザーコリメータ(右上)、カンチレバー(中央)、ディテクターマウント(左上)

画像取得と測定モード
走査開始前には、カンチレバーからの反射光が4分割フォトダイオードディテクタの中央に入射するようにシステムを設定します。試料を走査していくにつれてカンチレバーはたわみ始め、それにより集光スポットがディテクタの中央から移動し、出力電圧信号が変化します。この出力電圧信号は走査モードによって使われ方が異なります。高さ一定モードでは、この電圧信号は高さの情報としてそのまま使用されます。EDU-AFMソフトウェアは各電圧測定値を試料のXY位置と組み合わせ、表面の等高線図を作成します。

キットの改良について

こちらのキットは、部品の追加や交換によって、性能の向上や機能の拡大などの改良が可能です。実際に行っていただいた改良の例を共有いただける場合は、是非当社までお知らせください。当ページにて、出典を明記の上、ご紹介させていただく予定です。

力一定モードでは、システムはカンチレバーのたわみが一定に維持されるよう動作します。この動作は、システムのフォトダイオード、オートアライナのDSP、およびZ軸のピエゾコントローラでフィードバック閉ループを構成することで実現されます。4分割フォトダイオードでレーザースポットの位置変化が検出されると、最初のカンチレバーのたわみを維持するために必要な試料の高さをオートアライナのDSPが算出します。この制御信号はEDU-AFMソフトウェアでは高さ情報として扱われ、X軸とY軸のピエゾコントローラのデータと組み合わせて試料表面の等高線図の作成に使用されます。

この2つの走査モードのほかに、EDU-AFM1/Mはカンチレバーにかかる水平方向の力や、試料表面が近づいてきた時にカンチレバーに働く力の変化を測定することもできます。AFM走査モードの詳細については「AFMの基礎」タブをご覧ください。

レーザの安全な使用について
このキットに使われているClass 3Rの半導体レーザは、2.5 mWを超える光パワーを出力します。レーザが直接目に入ると、目を痛める可能性があります。このキットを使用されるときは、適切なレーザ保護メガネをかけることをお勧めします。詳しくは、「レーザの安全性」タブをご覧ください。

Atomic Force Microscope Specifications
Image Acquisition
Scan Area	0.05 µm x 0.05 µm (Min) 20 µm x 20 µm (Max)
Sampled Pixels per Line	50, 100, 250, or 500
Scan Speed	1 Pixel/s (Min) 200 Pixels/s (Max)
Time per Image (Examples)	4 Minutes for 100 x 100 Pixels Sampled at 100 Pixels/s 11 Minutes for 250 x 250 Pixels Sampled at 200 Pixels/s 25 Minutes for 500 x 500 Pixels Sampled at 200 Pixels/s (Forward Only)
Resolution	For the educational AFM we refrain from giving a resolution limit due to varying setup alignments. Typically, features on the scale of 10 nm can be distinguished.^a
Properties and Modes
AFM Tips	Recommended: Al-Coated Cantilever (10 Tips from BudgetSensors Included with Kit)^b Standard Contact Cantilevers^c are also Usable
AFM Modes	Constant Force Constant Height Lateral Force Force-Distance Curves
Feedback Systems	XY Closed-Loop Piezo Stage with KSG101 Strain Gauge Reader
Tip Engagement on Surface	Manual Approach with Differential Adjusters with Assisted Piezo Feedback Compensation
Laser Wavelength	635 nm
Laser Output Power	0.01 to 2.5 mW
PC Requirements
Operating System	Windows^® XP, Service Pack 3 (32 Bit), 7, 8, or 10 (32 Bit or 64 Bit) Windows^® Installer 3.1 or Higher
Additional Software	Microsoft .NET Framework 4.0 Client Profile is required. If installing while connected to the internet, the installer will automatically check for the file and download it from the internet if necessary.
USB Ports	Three USB 2.0

例として、このキットをコバルト粒子の1層から成るPELCO^®　AFM Tip and Resolution Test Specimen(AFM探針ならびに分解能テスト用試料)に使用しました。この粒子の形状は一般に半径が高さよりも大きい扁平な半球状で、その高さは通常1～5 nmです。この試料をキットEDU-AFM1/Mでイメージングし、直径が約25 nmの粒子のイメージが得られました。探針の直径は約15 nmなので、10 nmの粒子が解像されたことになります。「イメージギャラリー」のタブでEDU-AFM1で取得したPELCO^® AFM Tip and Resolution Test Specimenの画像がご覧いただけます。
アルミコーティングされたカンチレバーのAFM用探針はBudgetSensorsでお買い求めいただけます。
標準的なAFM探針はBudgetSensorsでお買い求めいただけます。

Click to Enlarge
画像は、AFMキットに付属しているデジタル顕微鏡で取得しました。カンチレバーに集光されているレーザ光が見えます。

原子間力顕微鏡とは?

原子間力顕微鏡は走査型プローブ顕微鏡の1種で、光学顕微鏡の分解能を超えたナノ構造の世界まで見ることが可能です。走査は微細な走査プローブを用いて行われ、そのプローブは半径10 nm未満の探針とそれを支えるカンチレバーと呼ばれる柔軟なアームで構成されています。探針と試料の表面が相互作用するとカンチレバーのたわみが記録され、ライン毎の表面の高さプロファイルが作成されます。原子間力顕微鏡(AFM)が適切に機能するには、カンチレバーはいくつかの要件を満たす必要があります。まず小さな力でも測定できるように、ばね定数は小さいことが必要です。そして機械的振動の影響が小さくなるように、共振周波数は大きくなければいけません。従って、カンチレバーは質量もサイズも小さいことが必要です。

EDU-AFM1/Mでは、レーザ光源からの光は調整機能付きズーム筐体内の集光レンズによりカンチレバーに集光されます。カンチレバーからの反射光は位置センサーディテクタ(4分割フォトダイオード)に入射します。走査中に表面高さが変化してカンチレバーがたわむと、それによって生じるレーザービームの変位が測定され、その測定値はデジタル信号プロセッサ(DSP)に読み取られて処理されます。カンチレバーのたわみによって生じる4分割フォトダイオードからの電圧は、利用している走査モード(下記参照)によって、試料表面の等高線図作成用の高さ情報として利用されるか、または試料を支えるZ軸位置決めユニットへのフィードバック信号として利用されます。後者の場合、Z軸位置決めユニットは、カンチレバーのたわみ(4分割フォトダイオードの測定値)を一定に維持するように、試料の高さを調整します。そして試料表面の等高線図は、ステージの高さの変化を記録することで作成されます。

測定モード

AFMの走査モードはすべてプローブ先端と試料の間の相互作用をベースにしていますが、試料を調べる際にこの相互作用の異なる側面を調べることも可能です。一般にAFMモードは2つに分類できます。コンタクト走査モードでは、カンチレバーの探針が試料表面を引きずるように接触し、それによって生じるカンチレバーのたわみが測定されます。ダイナミック走査モードでは、カンチレバーの探針を振動させ、この振動の影響が測定されます。EDU-AFM1/Mはコンタクトモードのみが可能なため、ここでは高さ一定モードと力一定モードの2種類のコンタクトモードについて説明します。

図2: 力一定モードでは、カンチレバーのたわみは一定のままで維持され、そのたわみを維持するために必要なプローブホルダ(または試料)の移動量が測定されます。

図1: 高さ一定モードでは、試料の高さが一定に維持され、カンチレバーのたわみが測定されます。

高さ一定モード
高さ一定モードは、カンチレバーのたわみのみを測定するため、最もシンプルな走査方法と言えます。試料とカンチレバーは互いに一定の距離で保持され、図1のようにプローブ先端が試料の表面を走査します。カンチレバーのたわみが測定され、その測定値を試料表面の等高線図の作成に使用します。この方法の弱点は、カンチレバーの動作がそのサイズと柔軟性により制限されるため、比較的平坦な試料でのみ機能することです。深さのある構造では表面に接触できなかったり、カンチレバーや試料に損傷や変形が生じたりする可能性があります。

力一定モード
力一定モードでは、図2に示すように、フィードバック機構を利用してプローブまたは試料の高さを調整し、カンチレバーのたわみを一定に保ちます。EDU-AFM1/Mでは、カンチレバーのたわみは4分割フォトダイオードで測定され、DSPがその結果を使用して、たわみを一定に維持するのに必要なZ軸のピエゾ電圧値を計算します。Z軸ピエゾの制御電圧値は記録され、試料表面の等高線図の作成に使用されます。この走査方法ではカンチレバーにかかる力は一定であるため、探針が試料に届かなかったりカンチレバーや試料を損傷したりすることもなく、高さ一定モードよりも深さのある表面構造を探査できます。

図3: 水平力モードでは、カンチレバーのたわみではなく、ねじれが測定されます。プローブ先端のねじれは試料表面の高さ変化によるたわみとは振る舞いが異なり、試料の表面材料によっても変化します。

水平力モード(LFM)
力一定あるいは高さ一定モードで走査した時、カンチレバーのねじれから追加の情報が得られます。ねじれは、しばしば試料の鋭角な端部で発生したり、材料の変化に伴う試料表面の摩擦力の変化に起因して発生したりします。プローブ先端のねじれによって生じる変位の方向は、試料の高さ変化に伴う変位とは垂直の方向であるため、この2種類の信号は分離できます。図3では、水平力を測定したときに得られる様々なプロファイルの比較がご覧いただけます。

フォースカーブ
原子間力顕微鏡は、トポグラフィ測定に加え、力と距離の関係を表すフォースカーブを記録することができます。これは、生物化学や生物学を含む多くの科学分野で重要なツールとなっています。これらの曲線はプローブ先端を試料表面に近づけるときの力の変化を測定したもので、弾性率などの物理特性を求めるときに使用できます。フォースカーブの測定を行うときは、試料をプローブの方向に移動させ、そして元の位置に戻します。これにより試料表面近くの力でカンチレバーはたわみ(図4参照)、このたわみはプローブと試料間の距離の関数として記録されます。

試料がプローブ方向に移動していくと、あるポイントで探針が引力により引かれて試料に接触します(Snap-In)。試料はそのままプローブの方向に動かし、カンチレバーが真っ直ぐな状態になり、さらに上方向にたわむまで移動させます。その後、試料を下方向に移動します。プローブ先端は、カンチレバーを元に戻すばねの力が探針と試料間の付着力を上回るまで試料表面に接触しています。ばねの力が上回るとカンチレバーは元の位置に戻ります(Pull-Off)。なお、Snap-InとPull-Offの位置では試料の高さが異なることにご留意ください。

図4: この図では、フォースカーブの測定中にカンチレバーが変形する様子を示しています。赤い矢印はプローブホルダに対する試料の動き、青い矢印はカンチレバーの動きを示しています。緑の矢印は、カンチレバーが最初に試料と接触したときの試料の高さ(Snap-In)と、カンチレバーが試料から離れたときの試料の高さ(Pull-Off)の差を示しています。

Click to Enlarge
XY軸校正時のGwyddionソフトウェア画面のスクリーンショット

実習生は教育用原子間力顕微鏡(AFM)を構築したのち、マニュアルに記載された実習を行うことで様々な走査方法を学習し、さらにGwyddionによる後処理技術(「ソフトウェア」タブ参照)を学ぶことができます。こちらでは、キットEDU-AFM1/Mの付属マニュアルに記載された実験の概要を紹介しています。番号はマニュアルに記載された実習番号です。

付属の微細構造サンプルを使用した水平力の校正

AFMは付属の微細構造サンプルを使用して校正することで測定精度を向上させることができます。下記の一連の実習で、校正の確認方法や再校正の方法が学べます。水平力を校正することで、XとYの各データポイントの位置を正確に記録することが可能になります。微細構造サンプルはこの校正用として設計されており、高さ100 nmの構造が5 µm～10 µmのピッチで作られています。

Exercise 1.1: 力一定モードで校正値はデフォルトに設定し、走査ウィンドウは20 µm x 20 µmに設定して、微細構造サンプルの円形構造を測定する。同じ画像を、歪ゲージフィードバックをEnableにした状態とDisableにした状態で測定する。

Exercise 1.2: Gwyddionソフトウェアを使用してXとY方向の構造のピッチを測定し、そのサイズをデータシートに記載された値と比較して、比率を%で算出する。

Exercise 1.3: Exercise 1.2から得た校正データをEDU-AFMソフトウェアに入力し、校正結果を確認するために同じ画像を取得する。

Click to Enlarge
このCD画像はEDU-AFM1で取得しました。ピット長さ(赤い線)、ピット幅(青い線)、トラック幅(緑の線)が記されています。

CD、DVD、Blu-Ray Discのトポグラフィ

こちらのキットにはCD、DVDならびにBlue-Ray Discのサンプルが付属しています。いずれも封止される前の製造途中のものです。つまり、スタンプされた表面は走査可能な状態になっています。実習者はそれぞれのディスクをイメージングして表面形状を測定し、エンコード方法が異なるディスクの記録密度を比較することができます。

Exercise 2.1: 力一定モードでCDの表面画像を記録する。

Exercise 2.2: 力一定モードでDVDの表面画像を記録する。

Exercise 2.3: 力一定モードでBlu-Ray Discの表面画像を記録する。

Exercise 2.4: CD、DVD、Blu-Ray Discのトラック幅、トラックピッチ、最小ならびに最大ピット長を決定する。

Exercise 2.5: Gwyddionのプロファイル機能を使用し、ピット深さを決定する。CD、DVD、Blu-Ray Discのピット深さを比較し、なぜ異なるのかを説明する。

Exercise 2.6: CDの最大記録容量を算出する。

水平力測定

付属の微細構造サンプルと人間の髪の毛を使用し、AFMで水平力を測定する実習

Exercise 3.1: 高さ一定モードで微細構造サンプルを走査し、20 µm x 20 µmの走査範囲での水平力のイメージを記録する。プロファイル情報を解釈する。

Exercise 3.2.1: 人間の髪の毛のトポグラフィを記録する。力一定モードで髪の毛を走査する。

Exercise 3.2.2: 高さ一定モードで髪の毛の水平力を記録する。

Click to Enlarge
EDU-AFMソフトウェアによるフォースカーブ測定のスクリーンショット。曲線の主な特長が記されています。

フォースカーブの測定

この実習によりフォースカーブ(力と距離の関係)の測定に習熟することができます。測定結果は探針と試料表面間の付着力や弾性率を求めるのに使用できます。カンチレバーのばね定数も算出できます。

Exercise 4.1: 微細構造サンプルのフォースカーブ(ズームなし)を記録し、初期位置、Snap-In位置、そしてPull-Off位置を求める。どのような効果が観察できたか?

Exercise 5.1: カンチレバーのばね定数を求める。

Exercise 6.1: 様々な試料(ステンレス、プラスチック、ゴムなど)のフォースカーブを測定する。フォースカーブの最も興味深い箇所にラベルを付ける。

Exercise 6.2: 最大付着力を求める。

Exercise 7.1: 表面が固い(変形しない)試料に対するカンチレバーのたわみと、弾性率を推定したい試料に対するたわみを比較する。

Exercise 7.2: Exercise 7.1における基準試料と測定対象試料に対するカンチレバーのたわみの比較結果から、ヤング率を推定する。

原子間力顕微鏡キット部品

EDU-AFM1/Mは、光学テーブルまたはブレッドボードに取り付ける必要があります。ブレッドボードは多くの研究室で所有されていることが多いため、キットには付属しておりません。別途ブレッドボードを購入する必要がある場合には、Nexus^®ハニカムブレッドボードB4560Aとダンピング脚AV5/Mをお勧めいたします(別売り、下記参照)。　

Atomic Force Microscope

当社の原子間力顕微鏡キットはミリ規格とインチ規格の両方をご用意しております。ミリ規格とインチ規格で型番が異なる場合、特記がない限り、ミリ規格の型番ならびに寸法がカッコ内に記されています。

Item #	Description	Qty.
Laser, Fiber, and Mounting
S1FC635	Fiber-Coupled Laser Source, 635 nm, 2.5 mW	1
P1-630A-FC-1	Single Mode Fiber	1
F280FC-B	Fiber Collimator	1
KS1T	Kinematic Mount, 3 Adjusters	1
SM1L05^a	SM1 Lens Tube, 1/2" Long	1
SM1NR05	Adjustable Lens Tube for 1/2" Optics	1
AD11F	SM1-Threaded Collimator Mounting Adapter	1
LA1213-A	Ø1/2" Plano-Convex Lens, f = 50.0 mm	1
Detector, Controller, and Mounting
PDQ80A	Four-Segment Photodiode	1
KPA101	Auto Aligner with Digital Signal Processor (DSP)	1
K6XS	6-Axis Kinematic Mount	1
SM05CP2	SM05-Threaded End Cap	1
SM1A6	SM1 to SM05 Adapter	1
SM05L10	SM05 Lens Tube, 1" Long	1
SM05T2	SM05 Lens Tube Coupler	1
SM05L05	SM05 Lens Tube, 1/2" Long	1
LA1422-A	Ø1" Plano-Convex Lens, f = 40.0 mm	1
DG05-1500	Ø1/2" Glass Diffuser Plate	2
SM1L05^a	SM1 Lens Tube, 1/2" Long	1
SM1V05	SM1 Adjustable Lens Tube	1
SM1L03	SM1 Lens Tube, 0.3" Long	1
SM05L03	SM05 Lens Tube to Hold Diffuser Plate	1
Damped Post and Adapter Plate
DP8A (DP8A/M)	Ø1.5" Damped Post	1
-	Mounting Clamp, 2.5" x 2.5" (64 mm x 64 mm)	1
-	Adapter Plate	1
PSHA (PSHA/M)	Ø1.5" Adjustable Height Collar	1

Item #	Description	Qty.
Sample Stage and Cantilever Holder
MAX311D (MAX311D/M)	3-Axis NanoMax Stage, Differential Drives, Closed-Loop Piezos	1
KPZ101	Piezo Controller	3
KSG101	Strain Gauge Controller	2
KCH601^b	K-Cube Controller Hub	1
HWM003	Sample Support	1
AMA009 (AMA009/M)	Extension Platform	1
-	Mounting Block	1
KB1X1 (KB25/M)	Magnetic Holder	1
-	Probe Holder	1
-	Probe Holder Counter Piece	1
Accessories
-	Tweezers	1
-	Calibration Sample: BudgetSensors HS-100MG	1
-	Al-Coated Cantilever (Box of 10)	1
CA2824	Male SMA to BNC Cable, 24"	3
-	Label Sheet	1
-	Digital Microscope	1
-	Viewing Screen	1
TRP1.17 (TRP29/M)	Ø0.47" Pedestal Post	1
MSC2	Clamping Fork for Ø0.47" Posts	1
AM16C (AM16C/M)	16° Angle Block	1
-	National Instruments 6002 USB DAQ Card	1
-	BNC to DAQ Connection	3
CS1	Cable Clamps (Qty. 15)	1
-	Cable Duct	1
CL6	Table Clamp	4
-	CD Sample	1
-	DVD Sample	1
-	Blu-Ray Sample	1
-	Ruler	1
-	USB Stick w/ EDU-AFM Software Package	1
-	Ground Cable	1

インチ規格:付属のネジとレンチ類　

Item #	Description	Qty.	Item #	Description	Qty.
Screws and Washers
SH25S025^c	1/4"-20 Cap Screw, 1/4" Long	31	SH8S025^e	8-32 Cap Screw, 1/4" Long	1
SH25S038^c	1/4"-20 Cap Screw, 3/8" Long	11	-	8-32 Cap Screw, 5-16" Long	1
SH25S050^c	1/4"-20 Cap Screw, 1/2" Long	3	SH8S038^e	8-32 Cap Screw, 3/8" Long	4
SH25S063^c	1/4"-20 Cap Screw, 5/8" Long	8	-	8-32 Cap Screw, 5/8" Long	1
W25S050^d	1/4" Washer	45	-	2-56 Countersunk Head Screw, 1/4" Long	3
Hex Keys, Ball Drivers, and Spanner Wrenches
BD-3/16L	3/16" Balldriver	1	SPW606	SM1 Spanner Wrench	1
BD-9/64	8-32 Ball Driver	1	SPW603	SM05 Spanner Wrench	1
CCHK	Hex Key Set	1	-

ミリ規格:付属のネジとレンチ類

Item #	Description	Qty.	Item #	Description	Qty.
Screws and Washers
SH6MS06^c	M6 Cap Screw, 6 mm Long	31	SH4MS06^e	M4 Cap Screw, 6 mm Long	1
SH6MS10^c	M6 Cap Screw, 10 mm Long	11	-	M4 Cap Screw, 8 mm Long	1
SH6MS12^c	M6 Cap Screw, 12 mm Long	3	SH4MS10^e	M4 Cap Screw, 10 mm Long	4
SH6MS16^c	M6 Cap Screw, 16 mm Long	8	SH4MS16^e	M4 Cap Screw, 16 mm Long	1
W25S050^d	M6 Washer	45	-	M2.5 Countersunk Head Screw, 6 mm Long	3
Hex Keys, Ball Drivers, and Spanner Wrenches
BD-5ML	5 mm Balldriver	1	SPW606	SM1 Spanner Wrench	1
BD-3M	3 mm Balldriver	1	SPW603	SM05 Spanner Wrench	1
CCHK/M	Hex Key Set	1	-

キットにはレンズチューブSM1L05が2つ、レーザーコリメートアセンブリとディテクターマウントのアセンブリに付いています。
日本国内向けのアダプタープラグと共に発送します。
キットに含まれるネジの数量についてはQty.欄をご覧ください。補充用のネジは25本入りでご用意しております。詳しくはItem#欄の型番をクリックしてください。　
キットに含まれるワッシャの数量についてはQty.欄をご覧ください。補充用のワッシャは100個入りでご用意しております。詳しくはItem#欄の型番をクリックしてください。　
キットに含まれるネジの数量についてはQty.欄をご覧ください。補充用のネジは50本入りでご用意しております。詳しくはItem#欄の型番をクリックしてください。

ソフトウェア

キットにはAFMを制御し、測定結果を記録できるEDU-AFMソフトウェアが入ったUSBスティックが付属します。このソフトウェアでは4分割フォトディテクタがグラフィック表示されます。また、各測定モード別にタブが分かれています。測定値は画像もしくはデータ形式で保存可能です。USBスティックを紛失された場合には当社までお知らせください。ソフトウェアのコピーをご提供いたします。ソフトウェアの更新は無料で、EDU-AFMのSoftware Update機能からアクセスできます。

Gwyddion
このキットは、AFM測定で良く使用されている画像処理プログラムGwyddionも利用できます。Gwyddionへのデータインポートや画像の後処理などに関するチュートリアルは、EDU-AFM1/Mのマニュアルに記載されています。ソフトウェアパッケージはこちらからダウンロードいただけます。

Click to Enlarge
EDU-AFMソフトウェアにおける4分割フォトダイオードのグラフィック表示。レーザの全強度(SUM)とレーザの位置(XDIFF/YDIFF)はグラフの右上に表示されます。ステージのXY位置と歪ゲージからのフィードバック、およびZ軸コントローラについてはサイドバーに表示されます。

Click to Enlarge
高さ一定モードによる微細構造サンプルの測定例。

Click to Enlarge
フォースカーブの例。ステージを4 µm (15 V)上方向に移動し、試料との相互作用によるカンチレバーのたわみを測定しています。このデータは付着力とヤング率の算出に利用できます。

キットEDU-AFM1(/M)の組み立て方法。ブレッドボードは付属しておりませんが、別途ご購入が可能です(下記参照)。　

Drawings and 3D Models^a
Document Description	EDU-AFM1	EDU-AFM1/M
Auto CAD PDF
Auto CAD DXF
Solidworks
eDrawing
Step

表示のブレッドボードはキットには付属しておりません。

キットの組み立て　

右の動画ではキットEDU-AFM1(/M)の組み立て手順をご紹介しています。動画の速度は右下のギアアイコンをクリックすることにより調整できます。

動画で紹介しているセットアップの図面と3Dモデルは右表のリンクをクリックするとご覧になれます。なお、図面やソリッドモデルではブレッドボードが表示されていますが、研究室で所有されていることが多いブレッドボードや光学テーブルはキットには付属していません。別途、Nexus^®ハニカムブレッドボードB4560Aのご購入が可能です(下記参照)。標準的なアルミニウム製ブレッドボードは、AFMを振動から十分にアイソレートできないため、ご使用にならないでください。　

力一定モードでのプローブ先端と試料面のエンゲージメント

Click to Enlarge
EDU-AFMソフトウェアで取得した2D画像

AFMキットでのプローブ先端のエンゲージメント

右の動画ではAFMプローブの先端を手動で調整し、試料面にエンゲージメントさせる方法をご案内しています。粗調整と微調整の付いた差動ネジと、プローブ先端を損傷させずに軽く接触させるための高さフィードバックセンサとを組み合わせて使用しています。高倍率のカメラを使用しているため、1 mm未満の先端が試料に近づくのをソフトウェアでご覧いただくことが可能です。右の動画では、試料と先端が接触したのちAFMキットが力一定モードで走査している様子がご覧いただけます。なおUSBカメラでは走査するカンチレバーの動きもご覧いただけます。右は画像の一例です。その他の画像は「イメージギャラリ」のタブでご覧いただけます。

カンチレバー先端の交換方法

Click to Enlarge
画像は、AFMキットに付属しているデジタル顕微鏡で取得しました。カンチレバーに集光されているレーザ光が見えます。

AFMプローブの交換方法

時間の経過とともにAFMプローブの先端は摩耗し、やがて先端の直径が対象より大きくなったり、画像にアーチファクトの影響が現れたりします。このような状態になった場合には、右の動画のようにプローブを交換してください。

キットEDU-AFM1/MにはBudgetSensors ContactAl-G*プローブが10本付属しています。プローブのカンチレバーはアルミコーティングで反射率を向上させているため、迷光による試料表面からの反射光が少なくなっています。標準的なカンチレバーの探針も使用可能です。

*BudgetSensors社のカンチレバーはこちらからご覧いただけます。

教育用原子間力顕微鏡(AFM)のイメージギャラリ

下の画像はすべて当社の教育用原子間力顕微鏡(AFM)で取得しています。これらのうち、微細構造サンプルとBlu-Ray Discはキットの付属品です。このイメージギャラリにご自身のAFM画像の掲載をご希望の方はご応募ください。当社で検討させていただきます。

BudgetSensorsHS100-MGの微細構造(キット付属品)

Click to Enlarge
EDU-AFMソフトウェアで取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

キットEDU-AFM1(/M)に付属するBudgetSensors社製HS100-MGの微細構造の画像。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、デフォルトのPID設定、走査速度200 Pixels/s。

Blu-Ray Disc(キット付属品)

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

キットEDU-AFM1(/M)に付属するBlu-Ray Discサンプル(オープンレイヤ)の画像。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、P = 0.8、I = 0.4、D = 0.2、走査速度50 Pixels/s。

ストライプ状のアーチファクト

Click to Enlarge
微細構造サンプルの2D画像

Click to Enlarge
CDの2D画像

これらの画像はストライプ状のアーチファクトの例で、埃が付いたプローブ先端で微細構造サンプル表面を走査した結果(左)と、スタンプされたCDの表面が柔らかいときの結果(右)を示しています。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、デフォルトのPID設定、走査速度200 Pixels/s。

コーン形状のモスアイ構造

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

コーン形状のモスアイ構造の画像。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、デフォルトのPID設定、走査速度100 Pixels/s。

乾燥血液細胞

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理と色付けした層を重ねて生成された3D画像

乾燥血液細胞の画像。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、デフォルトのPID設定、走査速度100 Pixels/s。

人間の髪の毛

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

人間の髪の毛の画像。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数100、デフォルトのPID設定、走査速度100 Pixels/s。

コバルトナノ粒子

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

例として教育用AFMキットを使用して1層のコバルト粒子から成るPELCO^®AFM Tip and Resolution Test Specimen(AFM探針ならびに分解能テスト用試料)をイメージングしました。この粒子の形状は一般に半径が高さよりも大きい扁平な半球状で、その高さは通常1～5 nmです。EDU-AFM1でイメージングすると、測定された粒子のサイズは直径が約25 nmでした。探針の直径は約15 nmなので、10 nmの粒子が解像されたことになります。詳細はマニュアルをご覧ください。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数100、デフォルトのPID設定、走査速度100 Pixels/s。

ご提供:Richard Becher氏(KIT)

これらはKarlsruhe Institute of Technology (KIT)のRichard Becher氏からご提供いただいた画像で、教育用AFMを使用して取得されたものです。

Gore-Tex^®

Click to Enlarge
EDU-AFMソフトウェアで取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

Gore-Tex^®繊維の細孔は1 µm未満で、水滴も通り抜けられない大きさです。水蒸気は繊維の反対側に通り抜けられるため、通気性と防水を兼ねた素材になっています。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、P = 0.2、I = 0.2、D = 0.2、走査速度200 Pixels/s。

太陽電池の光吸収効率を向上させる構造

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

バラの花びら構造が光吸収効率を向上させます。KITの科学者たちは太陽電池の表面にこの構造に合うように成形された材料を適用することで集光能力を向上しました。上の画像はそのような花びら構造の1例です。出典:Light Technology Institute at KIT Karlsruhe (www.lti.kit.edu)。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、P = 0.2、I = 0.2、D = 0.2、走査速度100 Pixels/s。

合成モスアイ構造

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
Gwyddionでの後処理により生成された3D画像

蛾の目(モスアイ)は光に敏感な円すい(コーン)形の配列で覆われており、空気-キチン界面での反射を低減しています。本物のモスアイと同じサイズの円すい形の配列を有した材料が、表面の反射防止技術として利用されています。出典:temicon^® (www.temicon.com)。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、デフォルトのPID設定、走査速度100 Pixels/s。

虹色の蝶の羽

Click to Enlarge
EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像

Click to Enlarge
蝶の羽の虹色を示した写真

エガモルフォ蝶の羽にみられるカスケード状のナノ構造が虹色を形成しています。出典:Naturkundemuseum Karlsruhe (www.smnk.de)。
画像取得条件:力一定モード、サンプルピクセル数250、デフォルトのPID設定、走査速度100 Pixels/s。

EDU-AFM1(/M)で取得した画像で、こちらに掲載してみたいものはございませんか? ご希望の方は当社まで画像お送りください。このイメージギャラリへの掲載を検討させて頂きます。

レーザの安全性と分類

レーザを取り扱う際には、安全な操作の実施と、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも起こります。当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光ではヒトの網膜に損傷与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。

安全な作業および安全に関わるアクセサリ

当社では、わずかでも影響のあるレベルのレーザ光線(例：クラス 1よりも高いクラスのレーザ機器)を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ保護眼鏡を必ずご使用いただくようにお勧めしております。
特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ使用装置の近くのわかりやすい場所に置いてください。
レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
レーザ保護カーテンやレーザ安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
遮光用材料は、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
また当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバから取り外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
全てのレーザビームが水平を保って直進するように、実験は光学テーブル上で行ってください。
ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
アライメント作業は、可能な限りレーザの出力パワーを低減して行ってください。
ビームパワーを抑えるためにビームシャッタやフィルタをお使いください。
レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、適切な警告灯などをご用意ください。
適切なビームトラップを用い、代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。

レーザ製品のクラス分け

レーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定及び普及を行う国際機関で、 IEC60825-1はレーザ製品の安全性を規定するIEC規格です(対応するJIS規格はJIS C 6802)。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです:

Class	Description	Warning Label
1	ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラスです。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザ光を放射することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ機器には、レーザをシャットダウンするか、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。
1M	クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品です。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を放射し、ビーム径を小さくするために光を集光する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は危険性が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類に移動する場合があります。
2	クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。
2M	このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。
3R	ビーム内観察を行わなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルは低いクラスです。可視域の連続波のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。
3B	クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。ただし、拡散反射は有害ではありません。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときはレーザ保護眼鏡を装着する必要があります。さらに、インターロック機能付きの自動表示灯等の警報装置を設け、それらがONにならない限り、レーザがONにならないようにすることが求められます。クラス3Bのレーザ機器には、キースイッチと安全保護装置が必要です。
4	このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。
全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。

Posted Comments:

user (posted 2020-12-11 09:11:34.933)

Hello, I'd like to discuss the possibility of slowing the scan rate (sitting at each pixel much longer) and adding a trigger output to synchronize additional experiments being conducted via the EDU-AFM platform (we have one of these kits). If someone wouldn't mind contacting me about this, I would really appreciate it. Thanks so much.

MKiess (posted 2020-12-15 09:02:27.0)

Thank you very much for your inquiry. I have contacted you directly to discuss further details.

Marco Salerno (posted 2020-01-24 01:31:39.723)

Dear Sirs, I would like to know if it is possible to work in lift (2-pass) mode, and bias the tip, such as to carry out quantitative EFM (i.e. surface potential, or scanning Kelvin probe) measurements. Thank you in advance for any reply. Best regards, MS

MKiess (posted 2020-01-24 05:59:15.0)

This is a response from Michael at Thorlabs. Thank you for your inquiry. I have contacted you directly to discuss the modification possibilities.

Juan M. Merlo (posted 2019-09-13 07:08:40.52)

Hello, My name is Juan M. Merlo and I'm a new Assistant Professor at Vassar College. I'll be purchasing several educational kits and optical components as my lab will be devoted to plasmonics research. In this sense, I'd like to know where should I send the New Lab Discount Application Form? I appreciate your time and look forward to hearing your answer. Best, Juan M. Merlo

YLohia (posted 2019-09-13 08:26:42.0)

Hello Juan, thank you for your interest in our products! The New Lab Discount Application Form should be sent to our sales team at sales@thorlabs.com.

Fausto Franchini (posted 2019-07-30 02:08:23.3)

Good morning. Very nice kit! I would like to ask if with ferromagnetic-sputtered tips MFM imaging could be also attempted with it. Many thanks

nreusch (posted 2019-07-30 05:24:19.0)

This is a response from Nicola at Thorlabs. Thank you for your inquiry. Unfortunately, MFM imaging is not available for the current version of our EDU-AFM1 kit. As we think this might be an interesting application, we will contact you directly to understand your requirements for future developments.

user (posted 2018-07-25 03:01:04.343)

Hi. I would like to ask, how do we control the position of sample stage? Do we need to adjust it manually or automatically using the given software?

swick (posted 2018-07-30 03:35:36.0)

This is a response from Sebastian at Thorlabs. Thank you for the inquiry. The MAX311D sample stage consists of three micrometer screws and internal piezos with strain gauge feedback. The coarse position of the sample is adjusted manually. Basically the micrometer screws could be swapped with stepper motors but these are not included in the kit and need separate controllers. After setting the coarse position of the sample so when starting the scan in the EDU-AFM software, the piezos are used to control the fine scanning pattern of max 20µm x 20µm. For assistance please contact your local techsupport@thorlabs.com

iamjinwoo90 (posted 2018-06-18 00:14:11.617)

Hi. I am Jinwoo. I measured Al-hole array with 100 nm thickness using EDU-AFM1. Measured Al-hole array image is very nice, but height profile of Al-hole array is reversed. For example, Al is zero point and height of hole is 100 nm. I wonder why height information is reversed. Thank you

mvonsivers (posted 2018-06-18 07:53:21.0)

This is a response from Leo at Thorlabs. Thank you for your inquiry. The data is inverted because the z-piezo retracts when the surface shows a feature. Therefore, we recommend the following steps in post processing: Manual Section 9.2.1 „Invert Data - Since the raw data of the Z-deflection in constant force mode corresponds to the movement of the stage and not the elevation profile of the surface, the data has to be converted to the surface topography with Process Data -> Basic Functions -> Invert Values” We will contact you directly to further discuss your application.

desantic (posted 2017-05-26 17:08:23.14)

Is it possible to electrically contact the tip (i.e. to use it to probe or supply current or voltage)?

jkuchenmeister (posted 2017-05-29 08:53:53.0)

A response from Jens at Thorlabs: The tip holder is connected to ground in the standard configuration (yellow and green cable that is fixed to the steel breadboard). You could decouple this connection and use it to supply a voltage to the tip holder. The tip holder itself is electrically decoupled from the rest of the setup through anodised parts. We will contact you personally to discuss your application design.

View All »Matching Part Numbers

原子間力顕微鏡(AFM)教育用キット