原子間力顕微鏡(AFM)のメリットと弱点

さまざまな物体の表面形状を測定することができる原子間力顕微鏡（AFM）。測定環境の制限も少なく、高精度の測定が可能といわれています。しかしながら、原子間力顕微鏡（AFM）には多少の弱点も存在します。原子間力顕微鏡（AFM）のメリットと弱点についてまとめています。

原子間力顕微鏡（AFM）で調べるメリット

原子間力顕微鏡（AFM）は、カンチレバーの先端についた探針が、試料の表面、数nmという距離にまで近づき、探針先端と試料の間に働く原子間力によって、試料表面の凹凸を測定する装置。いわば、人が物体の表面を指で触って感じるように、探針が原子間力を「感じて」情報を収集していきます。

原子間力顕微鏡（AFM）は微細な探針で試料の表面をスキャンしていくため、ナノスケールの微小な表面形状も測定することができます。金属、半導体、酸化物など、絶縁体から軟質の有機物まで、幅広い試料の測定が可能です。物体の原子間力を検出して像を得るため、導電性のない試料の測定もできます。環境の制限も少ないので、液中や真空中、高温下、低温の中での観察も可能。大気中で測定できるので、試料の前処理も必要なく、実際の使用環境における観察ができます。また、対象となる試料に合わせて測定モードを選ぶことができるので、試料へのダメージも最小限に抑えられます。

光では見ることができない微小物体も観察できる

空間分解能が極めて高い原子間力顕微鏡（AFM）では、試料表面の凹凸をナノスケールで測定することが可能。探針先端のサイズによって空間分解能は変わりますが、現在では、原子レベルの分解能が実現されているといわれています。光学顕微鏡の観察範囲は0.2μm～1mmであるのに対し、原子間力顕微鏡（AFM）は～30μm。μmよりも小さいnmにも対応しているため、光では見ることができない微小物体の観察も可能です。

また、走査型電子顕微鏡（SEM）ではできない高さ方向の計測も、原子間力顕微鏡（AFM）の得意とするところです。

サンプルに接触することで電流値も測れる

原子間力顕微鏡（AFM）では非破壊で、その試料の電気物性、磁気物性、摩擦・粘弾性などを解析することができます。とくによく測定されるのが電気特性。電気特性は、物体に規定の電圧をかけたときの電流の抵抗値で、この値が小さい方が、帯電防止性が高いといわれています。原子間力顕微鏡（AFM）は試料に接触することで、電流値を測ることができます。

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原子間力顕微鏡（AFM）に適さない観察は？

原子間力顕微鏡（AFM）では、低倍率や、数μm以上の高低差があるような大きな凹凸の試料の測定は難しいといわれています。大きな試料についても、前処理や加工が必要になることもあり、測定が難しいケースもあります。また、広視野から狭小領域へと視野を絞り込んでいくため、1サンプルあたりの解析時間がかかってしまい、スピードが必要とされる計測には向いていません。

計測スピードを求める場合は光のほうが速い

従来型の原子間力顕微鏡（AFM）では、1枚の画像のスキャンに数分～数十分という時間がかかっていました。例えば、蛋白質やDNAなどの生物試料を測定する場合、時間がかかってしまうと、タイミングによって形や状態が異なったり、ゆっくりとした現象しか見られなかったりというケースも起こり得ます。そのため、高速スピードを求めるのであれば、光学顕微鏡のほうが適しています。

物体の内部構造の観察には適さない

物体の表面構造や物性などを測定することができ、伝導性・絶縁性、透明・不透明、柔らかいもの・硬いものと、さまざまな試料に対応している原子間力顕微鏡（AFM）ですが、カンチレバーが試料表面をスキャンして測定するという性質上、物体の内部構造の観察には適していません。

しかし近年、金沢大学ナノ生命科学研究所において、生きた細胞の内部を直接観察できる原子間力顕微鏡（AFM）の開発に成功したという事例もあり*、今後の展開が期待されます。

*参照元：金沢大学ナノ生命科学研究所公式HP (https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/post-18447/)

このほか当サイトでは、AFMが活用されている研究分野や、具体的な活用事例を取材して紹介しています。導入を検討される際は、以下のリンクもチェックしてみてください。

研究者が選ぶ、高分解能の
原子間力顕微鏡(AFM)の魅力

原子間力顕微鏡（AFM）のメリットと弱点【まとめ】

原子間力顕微鏡（AFM）は、極小の物体に対して、様々な環境下で安定した測定を行うことができるため、高精度な測定が求められる半導体の分野をはじめ、さまざまなフィールドにおいて、多様なニーズに応えることができます。

高分解能のため、これまで原子間力顕微鏡（AFM）は、測定時間が長くなってしまうというデメリットがありましたが、原子間力顕微鏡（AFM）の画像取得が大幅に改善された高速AFM技術の開発により、近年は、1秒以下のAFM測定も可能になりました。まだ、すべての試料に対応できるというわけではありませんが、測定時間は短縮化されつつあります。

また、カンチレバーの交換作業に手間取ったり、測定パラメーターの設定の仕方によって結果にばらつきが発生するなど、操作が難しいともいわれていますが、カンチレバーを自動交換したり、パラメーター設定が自動化できるものもあり、こうした課題も解消されています。