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原子間力顕微鏡(AFM)教育用キット![]()
Breadboard Not Included ![]() Please Wait 原子間力顕微鏡(AFM)教育用キット
![]() 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
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。
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 サンプルステージとカンチレバー ![]() 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 ![]() 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
![]() 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 力一定モード ![]() 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) フォースカーブ 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)。 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。
インチ規格:付属のネジとレンチ類
ミリ規格:付属のネジとレンチ類
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 ![]() 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)。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。
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。 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 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)。 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)。 虹色の蝶の羽![]() Click to Enlarge EDU-AFM1(/M)で取得した2D画像 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)。
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
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:
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当社の原子間力顕微鏡キットEDU-AFM1/Mは、光学テーブル上またはブレッドボード上に取り付ける必要があります。光学テーブルやブレッドボードは一般に研究室で所有されていることも多いため、キットにブレッドボード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、こちらのNexusハニカムブレッドボードとダンピング脚AV5/Mをお勧めいたします。標準的なアルミニウム製ブレッドボードは、セットアップ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。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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