2. 観察

2.1. 形状

　形状は、試料表面の凹凸や高さ方向の情報をニ次元または三次元画像として表したもので、コンタクトモードAFMやダイナミックモードAFMで観察します。一般に、高さが数µｍ以下の凹凸情報をナノスケールで定量的に捉えることができるため、数値データとして解析ができます。図2-1にケヤキの葉の観察例を示します。葉の表面にある気孔の形状が明瞭に見られます。明るい場所が高い場所(凸部)、暗いな所が低い場所(凹部)を意味します。SPM/AFMでは色の情報は得られないため、画像の色は緑色ですが、ソフトウェア上で人工的に設定しており、実際の色ではありません。島津SPM/AFMでは、画像とともにXY方向の観察視野とＺ方向の高さが示され、高さ分布がヒストグラムに表示されます。

図2-1 ケヤキの葉の観察例

2.2. 位相

　位相モードは、ダイナミックモードAFMと同時に多用されることが多く、表面形状像と位相像を同時に取得できます。試料表面の物性の違いを画像化でき、粘弾性分布の観察に有効です。図2-2にブレンドポリマーの観察例を示します。表面形状像では不明瞭ですが、位相像では相分離構造が素材による物性の違いとして明瞭に観察できています。
　位相モードでは、カンチレバーの振幅(A)、カンチレバー振動の検出信号の加振信号に対する位相の遅れ(δ)，Asinδ，Acosδの4つの信号を使用します。Aとδは、AcosδとAsinδから算出されます。位相像では、角度の単位[deg]で表されます。一般にAcosδ像は弾性成分が支配的な画像に、Asinδ像は粘性成分が支配的な画像になりますが、一概には言い切れません。δやAsinδ、Acosδには表面形状が影響することもあります。これらの数値は絶対値ではなく、同一画像内での相対値(定性的なデータ)であるため、異なる画像間で直接数値を比較することはできません。粘弾性を定量的に評価するには、フォースカーブ測定を行うことで、弾性率や吸着力を測定できます。島津SPM/AFMでは、ナノ物性評価ソフトウェア：ナノ3DマッピングFastで弾性率・吸着力の測定ができます。

図2-2 ブレンドポリマーの観察例

2.3. フォースカーブ

　フォースカーブ測定とは、試料上の一点において、カンチレバーを試料に近づけ(アプローチ)、遠ざけていく(リリース)動作を繰り返すことで、試料近傍で垂直(Z)方向にスイープさせ、カンチレバーに働く力を測定する手法です。フォースカーブ測定から得られる距離-力グラフを「フォースカーブ」と呼びます。図2-3にスイープ過程でカンチレバーが力を受ける様子を、図2-4に典型的なフォースカーブを示します。横軸は、Z位置を表し、右にいくほどカンチレバーと試料が離れており、左にいくほどカンチレバーと試料が近づきます。縦軸は、カンチレバーが受ける力を表し、上にいくと斥力、下にいくと引力となります。図2-3と図2-4の①～⑥は対応しており、図2-3の各状態でカンチレバーが受ける力が図2-4より読み取れます。

フォースカーブ測定から以下のことがわかります。

• 吸着力：ジャンプアウト直前における力を意味します。
• 試料の硬さ：③や⑤の状態における傾き(ΔF/ΔZ)が大きいほど、試料が硬いことを意味します。

2.4. 弾性率・吸着力

　SPM/AFMで弾性率を求めるには、フォースカーブに弾性率算出理論モデルを適用して弾性率を算出します。弾性率算出理論モデルにはいくつか種類がありますが、高分子材料をはじめとするやわらかい試料の場合は、JKR(Johnson, Kendall, Roberts)2点法が最適です。JKR2点法では、フォースカーブのリリース過程における均衡点と最大凝着点を利用し、理論式(1)から試料の弾性率Eを算出します。均衡点は、カンチレバー変位が0である点です。最大凝着点は、カンチレバー変位が試料との凝着によって引きこまれる方向に最大となる点です。図2-5に示すようにこの2点での試料変形量dδとカンチレバーに働く力Fを式(2)、式(3)から求める必要があります。

ここで　𝜈：試料のポアソン比、𝑅：探針先端径、δ₀：均衡点での試料変形量、 δ₁：最大凝着点での試料変形量

ここで　𝑑δ：試料変形量、𝑑𝑍：ピエゾZ変位量、𝑑Δ：カンチレバーのたわみ量、 𝑘：カンチレバーのバネ定数

図2-5 フォースカーブにおけるdδ、dZ、dΔのイメージ

　さらに、試料表面の指定した領域の各測定点でフォースカーブを取得し、弾性率を算出することで弾性率像が得られます。最大凝着点においてカンチレバーに働く力を用いると吸着力像が得られます。SPM/AFMでは試料への荷重が非常に微小であるため、ナノインデンターでも測定困難な薄膜や、数kPa～1GPa程度のやわらかい材料の機械特性評価に威力を発揮します。

　図2-6は室温で硬化する液状硬化型ゴムの弾性率・吸着力マッピング事例です。弾性率と吸着力の分布が明瞭に見られます。弾性率像から異なる3点でフォースカーブを比較すると、それぞれフォースカーブの形状が異なり、1と3では弾性率の違いが600倍あることがわかります。弾性率の大きい2と3では、吸着力が小さい傾向であることがわかります。
島津SPM/AFMでは、ナノ物性評価ソフトウェア：ナノ3DマッピングFastで弾性率・吸着力の測定ができます。

図2-6 液状硬化型ゴムの弾性率・吸着力マッピング