企業内研究員のニーズと観察に適した「原子間力顕微鏡(AFM)」を選ぶポイントをまとめたサイトです。
AFMで「何ができるか？」「ほかの顕微鏡との違いは？」「どの会社の装置を選べばいい？」など、導入・検討前に必要な情報を徹底リサーチしています。
目次目次
「原子間力顕微鏡(AFM)」は、微小な探針をサンプル最表面で走査させ、物体に働く“原子間力”によって計測する装置です。原子間力の高い空間分解能により、ナノスケールでの表面粗さや硬度が測定可能で、サンプル破壊のリスクも少ないことが特長です。
また、光の波長に限界のある光学顕微鏡や電子顕微鏡よりも、高い分解能を実現することや、光学カメラによるリアルタイムでの高解像イメージングも可能なこと、さらには装置の種類によって液中でも計測できるため、「半導体」から「DNA」まで様々な研究分野で導入されています。
これら3つのポイントからサンプル評価を求める研究現場においては、既存の顕微鏡では調べられないことが、「原子間力顕微鏡(AFM)」では見ることができる場合があります。次に、AFMがどのような原理で研究に活用できるか、概要を解説していきます。
参照元：高分子学会公式HP(https://www.spsj.or.jp/equipment/news/news_detail_65.html)
原子間力顕微鏡(AFM)は、「走査プローブ顕微鏡(SPM)*1」の一種で、同じ分類に「走査トンネル顕微鏡(STM)*2」や「走査型近接場光顕微鏡(SNOM*3)」があります。
AFMは、STMやSNOMよりも高い分解能で物体の最表面を計測できる装置として登場し、1986年にはドイツの発明者G.ビニックがノーベル物理学賞を受賞。導電性サンプルしか観察できなかったSTMや、SNOMの分解能と比べて高い性能を誇るAFMは、サイエンス界の発展を後押しするきっかけとなりました。
「原子間力顕微鏡(AFM)」は、サンプル最表面に探針を近づけ、光学顕微鏡の解像度では測定できないナノスケールの観察を可能にします。
カンチレバーにレーザーを当て、その反射光をフォトディテクタ(検出器)で感知し、光量に比例する電圧を出力することで、探針の位置や振動を測定。その際の位相差を検出し、3次元の表面凹凸像や位相像を得る仕組みです。この原理は、「光てこ方式」とも呼ばれています。
原子間力顕微鏡(AFM)の「タッピングモード」では、ピエゾ素子が電気信号を受け取り、探針を高周波で強制振動させて走査します。これにより、最表面にかかる摩擦力を減らし、探針による接触ダメージを大幅に軽減できるのです。
例えば、力学物性をもつ2種類以上の異なる材料からなる物体(ブレンドポリマーなど)の研究では、次の画像のようなコントラストの凹凸像と位相像が取得できます。位相像は定量的な解析が難しいものの、定性的な空間分析は可能です。
原子間力顕微鏡(AFM)は、その高い性能と特徴からアカデミアではすでに広く活用されていますが、企業内研究の現場においても、製品開発やルーティンワークの品質管理などでAFMを導入する企業が増えています。AFMは、自社研究の精度を高めるために有用な顕微鏡として、未来研究の成功につながる装置といえます。
原子間力顕微鏡(AFM)の導入・検討時には、AFMの分解能やノイズレベルなどから「自社の研究に必要な性能レベルかどうか」を見極めることが重要です。
また、サンプルを極力非破壊かつ正しく観察するためには、AFMの操作手順やパラメーターの詳細などが記載されている「アプリケーションノート」も製品選択のポイント。英語表記のアプリケーションノートは、翻訳に時間がかかるうえ理解の過程でミスが起こりやすいため、直観的に内容を把握しやすい日本語表記のアプリケーションノートを参考に測定するのが望ましいといえます。
次では、この2つの観点からおすすめのAFMを紹介しています。頻繁に使うものだからこそ、準備にかかる手間やサンプルの位置合わせの手軽さも考慮して検討しましょう。
原子間力顕微鏡（AFM）を用いれば、半導体製品などのナノ材料を高精度で、かつ壊さずに測定することが可能です。
液中や大気中などさまざまな環境で測定したい場合や、製造過程での故障原因を突き止めたい場合など、使用目的は多岐にわたるでしょう。
ここでは、測定用途別におすすめの原子間力顕微鏡（AFM）を紹介します。
米国に本社を置く「カンタム・デザイン社」の日本法人として、原子間力顕微鏡(AFM)をはじめ、プロセス分析計などの測定装置を販売しています。AFM導入前はセールスエンジニアが、使用分野や活用目的に沿った装置を提案。導入後は、専任のアプリケーションエンジニアによる測定時のトラブル対応ほか、カンチレバーなどの消耗パーツの見積・相談などのアフターサポートも行っています。“地球と人類に優しい科学技術の促進”を経営方針に、業界有数のハイテク技術商社として展開しています。
■分解能 お問合せください ■ノイズレベル 30pm(0.03nm)
■サンプル φ100mm/t40mm
▲カンチレバーの光励振(CleanDrive)で、大気中や液中での高い安定性と励起帯域幅を実現
画像引用元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/driveafm/)
「DriveAFM」は光励振を起こすカンチレバーを実装し、大気中・液中で安定して計測できる環境が整っています。特に液体環境を大きく乱すことなく計測できる点は大きな特徴。
液中の測定環境を乱さず、また水分子の影響もできる限り少なく抑えられ、測定システムの安定稼働につながります。
画像引用元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/coreafm/)
「CoreAFM」は、高速スキャンや高解像度画像を生成できる、Φ100㎜のサンプルにも対応した高精度AFMです。本体サイズは、コントローラを含めても持ち運びができるほどコンパクトながら、アクティブ除振台を内蔵しているため、固体振動のケアが不要。また、高性能スキャナと低ノイズコントローラにより、研究用途に適した性能を発揮します。求めるデータや測定内容に合わせて、多彩なオプションを後付けすることも可能です。
また、コントローラは高性能24bit、ノイズレベルは40pmで低ノイズ。測定したい対象物への位置合わせも簡単に行えるトップビュー/サイドビューの2つのカメラで、観察準備にかかる時間短縮も期待できます。
参照元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/coreafm/)
画像引用元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/naioafm/)
新人研究員や教育機関向けに開発された、エントリーモデルのAFMです。高いスキャン速度と解像度を実現し、自動化機能を搭載。コントローラ一体型のコンパクトサイズで、AFMに不慣れな方でもカンチレバーとサンプルの設定や操作が簡単に行えるよう設計されています。また、小型かつ軽量で持ち運びも楽。本体とノートPCをUSBに接続するだけで、装置起動後数分以内に測定をスタートできます。
参照元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/naioafm/)
「原子間力顕微鏡(AFM)3選」の中で、最もラインナップ数の多い日本カンタム・デザインの製品を9つ紹介。
画像引用元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/driveafm/)
ダイレクトドライブピエゾアクチュエータ(DPA)によるフレクシャスキャナの高い剛性が特徴。100µm×100µmと広範囲のXYスキャニングの安定性を保ち、ライフサイエンスもマテリアルも対応可能です。液中測定でも低ノイズを実現します。
参照元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/driveafm/)
画像引用元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/coreafm/)
除振台が内蔵されたコンパクトな設計が特徴。電気特性や磁場をかけた測定ができるため、半導体や金属の分野にも適しています。また、コントローラは高性能24bit、ノイズレベルは40pmと低ノイズ。持ち運び可能で、設置場所も自由自在です。
参照元：日本カンタム・デザイン公式HP (https://www.qd-japan.com/products/coreafm/)
画像引用元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/naioafm/)
トップとサイドの両方に内蔵された光学カメラにより、微小なサンプルの位置合わせが楽にできる一台。初心者が苦戦するカンチレバーの交換も、専用ツールで簡単にできます。USBで装置とPCを接続するだけで、場所を選ばず測定できます。
参照元：日本カンタム・デザイン公式HP(https://www.qd-japan.com/products/naioafm/)
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科学研究、ナノスケール工学、半導体製造、品質保証の分野に貢献する原子間力顕微鏡システムを製造しています。科学者やエンジニアがナノスケールの最高分解能と精度で観察、計測し、特性評価できる最先端のAFMシステムを提供。化学、材料、物理、ライフサイエンス、半導体業界を対象に、幅広い種類の原子間力顕微鏡（AFM）やその関連製品を提供しており、著名な大学や国立研究所など、幅広い顧客から信頼を得ています。1997年に設立され、今や世界をリードする立場のメーカーです。サンプルに触れずに計測できるノンコンタクトモードから3D計測、研究用・産業用アプリケーション向けの完全自動AFMシステムまで、革新的な技術を使用して開発しています。
分解能 HPに記載なし
■ノイズレベル 30 pm
■サンプル 最大100 mm × 100 mmのオープンスペース、
厚さ最大20 mmまで
▲故障解析と大型試料における研究開発のための最先端ナノ形状計測ツールです。デバイス障害の原因を明らかにする独自機能を搭載しています。
画像引用元：パークシステムズ公式HP（https://www.parksystems.com/jp/products/large-sample-afm/park-nx20/overview）
故障解析のための原子間力顕微鏡です。対応試料の大きさにも特徴があります。世界で最も正確な大型試料のAFMとして評価を得ており、データの正確性について、半導体・ハードディスク業界でもとても高く評価されています。
デバイス障害の原因を明らかにして、より創造的なソリューションを開発するための独自機能を装備。精度が高く、高解像度のデータ提供を可能にしています。チップがより鋭く、長く保たれるため、無駄な時間と費用も発生しません。
初心者でも使いやすい操作性も魅力です。ユーザーフレンドリーな設計と自動化されたインターフェースが、ツールの使用や教育にかかる時間・労力を削減してくれます。より大きな問題の解決に集中することが可能。明確かつタイムリーに故障解析できます。
画像引用元：パークシステムズ公式HP（https://www.parksystems.com/jp/products/small-sample-afm/fx-40）
デュアルカメラシステムを導入し、これまで以上に鮮明な解像度を実現しています。AIとロボティクスを搭載。アップデートするたびに学習します。レーザーと光検出器、早期警告システム、誤作動を防ぐフェイルセーフと自動的に同期し、あらゆる段階で情報が抽出、保存が可能です。複雑なトレーニングがいらない操作性が魅力。研究に没頭できます。
画像引用元：パークシステムズ公式HP（https://www.parksystems.com/jp/products/small-sample-afm/park-nx10/overview）
ナノスケール解像度で信頼あるデータを提供するAFMです。サンプルのセッティングからイメージング、測定、解析に至るまで、すべての段階の操作が簡単。操作に気を取られることなく、研究に集中できます。試料の表面の状態を傷つけることなく、深針の寿命も延ばすノンコンタクトAFMと、高い精度・解像度を実現するフレクチャーガイド式の独立したX/YおよびZスキャナーを備えています。
パークシステムズでは、6つの原子間力顕微鏡(AFM)を取り揃えています。
画像引用元：パークシステムズ公式HP（https://www.parksystems.com/jp/products/small-sample-afm/park-nx7/overview）
クロストークを排除したスキャナ構造で、スキャン位置、スキャンレート、スキャンサイズに関わらず、湾曲のないフラットな直交XYスキャンが可能になっています。オプティカルフラットのような平坦なサンプルや様々なスキャンオフセットがある場合でも、湾曲が生じることなく、正確な高さ測定と精密なナノ測定が可能です。
画像引用元：パークシステムズ公式HP（https://www.parksystems.com/jp/products/small-sample-afm/park-nx10/overview）
幅広いスキャンモードを搭載し、多岐にわたるデータを正確かつ効率的に収集することができます。プローブ先端の鋭さと試料の完全性を保持する真のノンコンタクトモードから高度な磁気特性解析まで対応しています。
画像引用元：パークシステムズ公式HP（https://www.parksystems.com/jp/products/small-sample-afm/park-nx12/overview）
分析化学研究者・共用施設向けの多目的顕微鏡プラットフォームです。マルチユーザーのために製作されました。標準的大気中のAFMイメージング、液中SPM、光学顕微鏡機能または、ナノ光学観察を一台のみで柔軟に対応しています。
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ブルカーの前身であるDigital Instruments社が1987年にAFM/SPMを商品化して以降、世界の研究者に製品を提供しており、分析機器のリーディングカンパニーとして業界を牽引する存在です。ナノスケール・原子スケールにおける高分解による材料表面形状観察、粗さ測定、微細機械特性等が可能な高性能原子間力顕微鏡（AFM）、高速・非破壊による精密粗さ計測が可能な白色光干渉型顕微鏡の販売を手掛けている会社です。アフターサービスまで対応しています。取引先は、大学・官公庁や企業製造工場など。最先端技術を必要とする研究開発・品質管理に幅広いソリューションを提供しています。
分解能 HPに記載なし
■ノイズレベル HPに記載なし
■サンプル HPに記載なし
AFMだけでなくラマン分光法による解析も可能な「Innova-IRIS」。サンプルの内部はもちろん、表面も傷つけることなく解析でき、化学組成の情報も得られます。
自社独自のプローブを搭載することにより、TERSソリューションを提供できるだけでなく、Renishaw社のinViaマイクロラマンシステムとシームレスに統合可能。
相関的なミクロ・ナノスケールの特性マッピングのために必要な、生産性の高い統合プラットフォームが実現できます。
画像引用元：ブルカー公式HP（https://www.bruker.com/ja/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/dimension-fastscan.html）
分解能やフォースコントロールを損なうことなく、高速なイメージングスピードを達成した初めてのAFM。ベースとなるのはDimension Icon® AFMシステムです。チップスキャン方式を採用しており、大口径から小さなサイズまでサンプルの大きさ・重量に制限されません。大気中、液中ともに測定可能です。1台のシステムで、高性能AFMで得られる高分解能イメージを得られます。
画像引用元：ブルカー公式HP（https://www.bruker.com/ja/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/dimension-icon-afm.html）
大型試料測定、高分解能、操作性、多機能、拡張性と、すべてのニーズに対応できるAFMです。大型試料向けAFMプラットフォームをベースに、数十年にわたる技術革新、お客様からのフィードバックを元に開発したソリューション。超低ノイズ・低ドリフトのクローズドループスキャナーを搭載しています。新技術によりワンプッシュオペレーションも可能になっています。
ブルカーでは、7つの製品を扱っています。
画像引用元：ブルカー公式HP（https://www.bruker.com/ja/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/dimension-edge-afm.html）
PeakForce Tapping®技術を採用して、高性能クローズドループスキャナーを搭載した大型試料用AFM。高い操作性と大型試料に対応しながらも、とてもコンパクトな設計とリーズナブルな価格を実現したエントリーモデルです。
画像引用元：ブルカー公式HP（https://www.bruker.com/ja/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/multimode-8-hr-afm.html）
世界最多の納入実績を誇るMMAFM型高分解能AFMに、次世代型高性能AFMコントローラー（NanoScope V）を搭載。より高速な技術を導入して、ワンプッシュオペレーションを可能にしました。汎用性が高く生産性に優れた小型試料用AFMです。
画像引用元：ブルカー公式HP（https://www.bruker.com/ja/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/innova-afm.html）
小型なのに多機能なAFM。コストパフォーマンスに優れており、AFM研究を始めるときに最適な汎用性の高いAFMです。一般的なAFM走査技術はもちろん、ダークリフト（電気特性評価時に有効）・3軸センサー付きのスキャナなど最新の技術も搭載。光学顕微鏡・防音フードの一体型です。
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国内で原子間力顕微鏡(AFM)扱っている会社を9社の特徴や装置のポイントなどをまとめています。自社にマッチする装置導入の参考にご覧ください。
半導体装置周辺機器や金属機械加工の設計制作・改造・修理・販売などを行っている会社です。ヘッドやプローブの交換が容易なAFMを扱っています。
| 本社所在地 | 千葉県千葉市若葉区 都賀1-4-2 |
|---|---|
| 電話番号 | 043-234-5511 |
| 公式HP | https://arrowseng.com/ |
光学機器や計測器を輸入し、国内に販売している会社です。機能がコンパクトで、2種類のスキャンヘッドオプション付きのAFMなどを扱っています。
| 本社所在地 | 東京都千代田区神田 美倉町10 |
|---|---|
| 電話番号 | 03-6260-8880 |
| 公式HP | https://fit-leadintex.jp/ |
世界の物理・科学分野にコア技術を提供するグローバルカンパニー。同社のAFMは、高速スキャンによりスムーズに測定ができる点がポイントです。
| 本社所在地 | 東京都品川区東品川 3-32-42 ISビル |
|---|---|
| 電話番号 | 公式HPに記載なし |
| 公式HP | https://www.oxinst.jp/ |
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特集ページでは、ナノスケールでサンプル最表面を観察できる「原子間力顕微鏡(AFM)」が、実際どのような研究分野で活用されているか、具体例を交えて取材。
材料分野をはじめ、ライフサイエンスにおけるDNAオリガミや、近年注目の「ウイルス/感染力」の研究にも寄与する高分解能AFMの実力に迫ります。
（取材協力：日本カンタム・デザイン）
企業内研究員にとって、原子間力顕微鏡(AFM)はどんな役割を果たしてくれる装置なのか、原理やメリット、観察内容などから紐解きます。測定のカギを握る「カンチレバー」などの仕組みや活用事例もご参考ください。
カンチレバーをサンプル表面の数nmという距離まで近づけ、カンチレバー探針先端の原子とサンプルの原子の間に働く原子間力によって凹凸を測定。カンチレバーに当てたレーザーの反射光の変化を観測して画像に変換しています。
カンチレバーは薄く柔らかい板状の装置で、その先端についた探針がサンプルの表面をなぞることで、サンプルの表面を観測していきます。測定モードによって様々な形状があります。
ピエゾ素子とは、圧力を加えると電圧が発生する「電圧効果」を利用した受動素子のこと。スキャナに内蔵することで制御系を軽量化しやすいというメリットがあります。
原子間力顕微鏡(AFM)のイメージング速度を律するデバイスがスキャナです。ピエゾ素子のスキャナがサンプル表面に対する探針の水平方向の位置と垂直方向の位置を制御してスキャンを行います。
サンプル表面を走査するため、光では見えない微小な物体も観察できるほか、正確な高さが測れる点がメリット。一方、測定時間がかかること、内部構造の観察に向いていない点が特徴でもあります。
コンタクトモードとダイナミックモードがあります。コンタクトモードは斥力が一定で、分解能も高く、比較的硬いものの観察に、ダイナミックモードは比較的柔らかいものや凹凸のあるものなどの観察も可能です。
真空、大気中、溶液中など、様々な環境下において、高分子素材の表面構造や組成のほか、弾性率・粘弾性・凝着力などの力学物性の分布をナノスケール分解能で可視化したり、力学物性の定量解析を行うことができます。
原子間力顕微鏡(AFM)の価格は、メーカーによって様々です。一般的に、スペックが高くなるほど価格が高くなるといわれています。原子間力顕微鏡(AFM)とその付属品等についての価格相場を紹介しています。
ナノスケールの微小な計測・観察が可能なことから、幅広く活用されている原子間力顕微鏡(AFM)。ここでは、活用用途を無機材料、有機材料、ライフサイエンスに大きく分類し、研究や製品開発、品質管理などにおける計測事例を紹介します。
コンピューターのコアとなる電子材料や自動車の半導体として用いられることの多い無機素材の計測ができます。構造用材料や電気・電子部品用材料など、微小パーツをナノスケールで測ることも可能。主に「半導体」、「金属」、「セラミック」の研究などに使われています。
原子間力顕微鏡(AFM)は、「ポリマー」、「有機薄膜」、「フィルム材料」の構造解析や膜圧・粘着度などの計測にも応用が可能。動植物の生体など、タンパク質やセルロースを含む天然物から、ゴム、ポリプロピレンといった石油化学製品の研究現場でも導入されています。
タンパク質や「DNA」など生体分子の細胞研究が進むライフサイエンス分野においても、原子間力顕微鏡(AFM)の導入が進んでいます。生きた「細胞」の表面や内部のナノ構造をナノスケールで計測できることから、DNAオリガミの研究現場でも期待が高まっています。
今、自社の研究室で使用している顕微鏡は、サンプルの調査に適しているでしょうか？日進月歩で進む製品開発の現場で活躍する「原子間力顕微鏡(AFM)」の実力を、そのほかの顕微鏡装置と比較しながら紹介します。
対象物の表面からある点までの光の距離に差があると起こる「光の干渉」を利用して、対象物表面の凹凸を計測する白色干渉計(WLI)と、原子間力顕微鏡(AFM)の仕組みを比較。ここでは、各メリットも紹介しています。
対象物に特定波長の光線を照射し、反射光を測定することで像を得るのがレーザー顕微鏡(LM)です。ここでは、原子間力顕微鏡(AFM)の原理や適したサンプルを比べながら、それぞれの活用法などをまとめています。
対物レンズで拡大された微少な物体の実像を、接岸レンズでさらに拡大して観察することができる光学顕微鏡(OM)。ここでは、サンプルにより原子間力顕微鏡(AFM)と光学顕微鏡いずれを選ぶべきか解説しています。
電子線を使って測定対象物の拡大像を得て、光学顕微鏡より高い倍率の形態観測を可能とするのが電子顕微鏡(SEM)です。ここでは、原子間力顕微鏡(AFM)と比較されやすいSEMの原理などをまとめています。
触診をサンプル表面に接触させてスキャンする触診式膜厚計は、物体の段差や粗さなどの表面形状が計測できます。ここでは、表面を調べる用途は同じでも、大きく異なるそれぞれの分解能についても触れています。
