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CSI社独自の先進的なAFMモード ResiScope™・HD-KFM・Soft Interaction Control

CSInstruments

CSInstruments社が開発した先進的なAFM（原子間力顕微鏡）測定モード、ResiScope™・HD-KFM・Soft Interaction Controlを解説します。ResiScope™は抵抗10²～10¹²Ω、電流fA～µAを一度のスキャンで同時マッピングし、従来の導電性AFM（C-AFM）やSSRMを超える10桁のダイナミックレンジを実現。HD-KFMはシングルパスのケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM）として、リフトモード不要で10nm未満の高分解能な表面電位・仕事関数マッピングと表面下検出に対応します。Soft Interaction Controlは摩擦のない第3のAFMモードとして、脆い試料や生体材料を損傷なく定量測定。全固体電池・半導体・二次元材料の評価に最適です。

10桁の電気測定レンジ、シングルパスの表面電位測定（KFM）、サンプルチップ間で摩擦のない定量イメージングを実現します。Nano-Observer IIのオプションとして利用可能。Galaxy Dual Controllerへのアップグレードした場合もオプションとして利用可能になります。

ResiScopeTM（レジスコープ）

10桁にわたる抵抗・電流のダイナミックレンジ
ResiScopeTMは、広範なレンジにわたり、高精度な抵抗・電流測定を可能とします。電気特性測定の新たな標準を打ち立てます。インテリジェントなリアルタイム適応型エレクトロニクスにより、優れた精度と分解能でアーティファクトのない電流・抵抗像を取得します。

  • 抵抗 102～1012Ω、電流 fA～µA をシングルスキャン（一視野内）で測定
  • リアルタイムアクティブゲイン制御、リニアアンプ設計、スマートなアクティブ電流保護
  • トポグラフィーと電気特性（抵抗・電流・PFM）を同時マッピング。タッピングモード / Soft-IC（Soft-ResiScopeTM）、EFM/MFM、KPFMと組み合わせ可能（同時スキャンは不可）
  • 全固体電池、有機エレクトロニクス、光起電力、半導体、二次元材料などの先端材料に最適
  • 対数アンプを使用しておらず、全範囲にわたって高い線形性を維持
ResiScopeによる電流測定。全ダイナミックレンジを保持
ResiScope™：全ダイナミックレンジを保持
標準的なC-AFM像。高導電領域で信号が飽和
標準的なC-AFM：高導電領域で信号が飽和
項目従来のC-AFMResiScope™
測定能力電流のみ。抵抗は間接的に推定各ピクセルで電流と抵抗を同時に定量取得
ダイナミックレンジ限定的。通常はnA〜µAシングルスキャンで102〜1012 Ω、fA〜µA
試料適合性高コンタクト圧・高バイアスで柔らかい材料を損傷する恐れSoft-ResiScopeTMによる低コンタクト圧で動作
ワークフロー複数回のスキャンや設定が必要抵抗と電流を1回のスキャンで同時取得

 
SSRMとの違い：SSRM（対数アンプ方式）は広いレンジをカバーできる反面、応答の非線形性により各点の正確な定量値が得られにくいという課題がありました。また、多くの場合 約106～107Ω でのみ最適に動作し、電流のみ測定、しばしば高いコンタクト圧を必要とします。ResiScopeTMは102～1012Ωをカバーし各ピクセルで定量値を提供します。Soft-ResiScopeTMはセパレータや固体電解質などの脆い材料を、大幅に低いコンタクト圧で測定可能です。

HD-KFM

ワンクリックの高調波KPFM
HD-KFMは、卓越した感度と優れた空間分解能で定量的な表面電位マッピングを実現します。カンチレバーの第2固有振動モードを高調波検出で利用することにより、シングルパスで動作します。試料表面のごく近傍を測定します。

  • シングルパスKPFM、内蔵アルゴリズムによるワンクリック設定により難易度の高いパラメータ設定が不要
  • リフト（セカンドスキャン）が不要
  • 10 nm未満の分解能。非導電性材料でも高い感度
  • 埋没材料・表面下構造の検出
  • Electric Field Cancelling（EFC）により純粋なMFMを実現。dC/dZマッピングで誘電率変化を可視化
トポグラフィーでは見えない埋没ナノチューブを表面電位で可視化
トポグラフィーでは見えない埋没ナノチューブを、HD-KFM表面電位で可視化
HD-KFMの仕事関数マッピングで単層から4層のグラフェンを識別
グラフェンの層ごとの仕事関数コントラスト：1ML～4ML

Soft Interaction Control

第3のAFMモード：摩擦なし、一定のコンタクト圧、定量的
Soft Interaction Control（Soft-IC）は、コンタクトモードと共振モードの利点を両取りする画期的な測定モードです。探針が接近し、一定のコンタクト圧で試料に接触（電気・熱・圧電の定量測定）、退避（凝着力を取得）した後、横方向の摩擦がゼロの状態で次の測定点へ移動します。摩擦なし、試料損傷なし、結果は定量的です。

Soft-ICの測定サイクル：接近・保持・退避・移動
Soft-ICの測定サイクル：接近・保持・退避・移動
  • コンタクトと共振のハイブリッド：ソフトマター、生体材料、薄膜に特に有効
  • 摩擦なし：水平方向応力がなく、各測定点で安定した一定のコンタクト圧を維持
  • 多機能プラットフォーム：Soft-ResiScopeTM（抵抗率）、Soft-PFM（圧電応答）、Soft-SThM（熱）、Soft-MEKA（誘電）に対応
  • 硬い探針や試料の導電性は不要

最適なモードの選び方

測定ニーズ標準モードCSInstruments技術
表面電位 / 仕事関数標準KPFM（リフトモード）HD-KFM：シングルパス、表面下感度
局所的な抵抗マッピング基本的なC-AFMResiScope™：1回のスキャンで102〜1012 Ω
脆い試料の電流イメージングコンタクトモードC-AFMSoft-ResiScope™
圧電特性の測定標準PFMSoft-PFM
柔らかい試料の熱イメージングコンタクトモードSThMSoft-SThM

 
これらのモードはNano-Observer IIにてオプションで利用可能であり、Galaxy Dual Controllerにより既存AFMへの追加も可能です。