JP2006162279A

JP2006162279A - 微粒子強度測定方法及び装置

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Publication number: JP2006162279A
Application number: JP2004349978A
Authority: JP
Inventors: Hisato Ogiso; 久人小木曽; Jun Aketo; 純明渡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: JP4465450B2

Abstract

【課題】微粒子サイズと同程度の大きさの平坦部（１μｍ以下）をもったダイヤモンド圧子を採用するとともにダイヤモンド基板を装着したステージを１μｍ以下の制御が可能であるクローズドループ制御により制御し、さらに、微粒子の粒径を原子間力顕微鏡で測定するようにしたことにより、１μｍ以下の大きさの微粒子の強度を正確に測定可能とする。
【解決手段】ダイヤモンド基板上に微粒子を分散させ、測定しようとする微粒子を一つ選び原子間力顕微鏡を用いて微粒子の粒径を測定し、次いで、ダイヤモンド基板をクローズドループ制御のステージにより測定しようとする微粒子がダイヤモンド圧子の真下に位置するように移動させ、その後、微粒子のサイズと同程度の大きさの平坦部を形成したダイヤモンド圧子を変位させ微粒子に負荷をかけることにより微粒子の強度を測定するようにしたことを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、窯業分野、化粧品分野及び医薬品分野等に用いられる粉体等の微粒子（本明細書においては、１ミクロン以下のサイズの粒子を「微粒子」という。）の強度を測定可能とする微粒子強度測定方法及び装置に関するものである。

従来、数ミクロン以上の大きさの粒子の圧縮試験手段としては、次のようなものが知られていた。
（１）粒状物試料の１個毎の幾何平均径ｄを測定した後、粒状物試料に圧子を用いて圧縮加重を加えていき、圧縮変位が幾何平均径に対し所定の割合に達した時点の圧縮加重を測定し、圧縮強度を測定する方法（例えば、特許文献１参照。）。
（２）微細試料に圧子を用いて圧縮加重を加え、試料の変形を測定して強度特性を評価する微細試料の圧縮試験方法において、負荷する最大荷重を次第に増加させながら試料に圧縮加重を加えては除荷する負荷・除荷試験を繰り返し行い、試料の最大圧縮変位および除荷時の復元変位を測定して復元率を求め、該復元率が急減する圧縮加重を求める微細試料の圧縮試験方法（例えば、特許文献２参照。）。

また、平均粒子径が１ミクロン以下の粒子の圧縮弾性率を公知の測定器で測定することが困難なため、例えば粒子径が５〜２００ｎｍの粒子の圧縮弾性率を測定する方法として特別に粒子径を大きくすること以外は同条件で調製し、粒子径が２〜３μｍの範囲にある粒子を１０個程度選択し、これについて測定した値の平均値を粒子の圧縮弾性率とする方法（例えば、特許文献３参照。）が知られている。

一方、原子間力顕微鏡により微粒子を計測する技術はすでに実用化されている。しかし、例えば、ダイヤモンド基板上におかれた微粒子の観察に適した条件についてはいまだ報告されていない。
特開平３−２２６６４６号公報特開平４−８９５４９号公報特開２００４−２０７４６８号公報

上記した特許文献１乃至３に示された従来の圧縮試験は、以下に示す問題点があった。
（１）ダイヤモンド圧子に関する問題点
粒子の圧縮試験は図１のように、平坦な基板１の上に単粒子２を分散させ、その上から、先端が平坦な圧子３で粒子を挟むような形で圧縮試験を行う。ここで基板１と圧子３は、試料よりも硬く変形しない材質をつかわなければならない。セラミック材料の試験を行うことを考えると、基板と圧子の材質はダイヤモンドであることが不可欠である。
そして、従来の圧縮試験用のダイヤモンド圧子３は平坦部を機械加工で作成していたため最も小さくても、数１０ミクロン程度あった。このようなダイヤモンド圧子３では、ミクロンサイズ以下のサイズの粒子の圧縮試験を行うと、図２に示す２つの問題点が生じるため、実際には正確な圧縮試験を行うことはできなかった。
すなわち、図２（ａ）に示すように、ダイヤモンド基板１とダイヤモンド圧子３の間に複数の粒子２が存在したりするため、実際には複数の粒子２の試験をしてしまったり、あるいは、図２（ｂ）に示すように、ダイヤモンド圧子３の平坦部が粒子２に比較して大きいため、粒子２以外の場所で、ダイヤモンド圧子３とダイヤモンド基板１が接触してしまうことがあった。
また、逆に、ダイヤモンド圧子３を小さくすると、図３に示すように、ダイヤモンド圧子３が粒子２と僅かな位置がずれが生じても、斜めに押してしまうために圧縮試験を行うことができないといった問題があった。
そのため、粒子サイズと同程度の大きさの平坦部（ミクロンサイズ以下）をもった圧子を作成する必要がある。

（２）ダイヤモンド圧子の位置決め精度に関する問題点
ダイヤモンド圧子の平坦部は、先に述べたように測定する粒子サイズ程度のもので測定する必要がある。測定する粒子はダイヤモンド圧子の直下におかなければならないため、測定するダイヤモンド圧子の位置精度が、粒子のサイズであるミクロン程度よりも小さくなる、すなわちサブミクロン以下なければならない。従来の圧縮試験装置では、この位置精度を実現したものはなかった。
（３）粒子の大きさ及び形状を測定するための問題点
強度や弾性率など、機械的性質を示す物理量の単位はパスカル（単位面積あたりの力）であるので、測定する事項としては、力と粒子の大きさの両方が必要となる。粒子の測定では、各々の粒子のサイズにはばらつきがあるため、測定粒子ごとに粒子の大きさ及び形状を測定する必要がある。従来の圧縮試験装置では、ミクロンサイズ以下の粒子の大きさや形状を測定することはできなかった。

本発明は、従来技術の有する問題点を解決するために提案されたものであり、微粒子サイズと同程度の大きさの平坦部（１ミクロン以下）をもったダイヤモンド圧子を採用するとともにダイヤモンド基板を装着したステージを１ミクロン以下の制御が可能であるクローズドループ制御により制御し、さらに、微粒子の粒径を原子間力顕微鏡で測定するようにしたことにより、１ミクロン以下の大きさの微粒子の強度を正確に測定可能とすることを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明の微粒子強度測定方法は、ダイヤモンド基板上に微粒子を分散させ、測定しようとする微粒子を一つ選び原子間力顕微鏡を用いて微粒子の粒径を測定し、次いで、ダイヤモンド基板をクローズドループ制御のステージにより測定しようとする微粒子がダイヤモンド圧子の真下に位置するように移動させ、その後、微粒子のサイズと同程度の大きさの平坦部を形成したダイヤモンド圧子を変位させ微粒子に負荷をかけることにより微粒子の強度を測定するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の微粒子強度測定装置は、クローズドループ制御により精密な位置制御が可能なステージ上に微粒子を裁置するダイヤモンド基板を装着し、ステージの上方の一側には変位センサーを備えた負荷セルを設け、負荷セルの下端には微粒子のサイズと同程度の大きさの平坦部を形成したダイヤモンド圧子を装着し、また、ステージの上方の他側には微粒子の粒径を測定するための原子間力顕微鏡を設けたことを特徴としている。
そして、上記方法または装置によって得られた負荷−変位曲線と測定粒子の大きさから、粒子の強度・弾性率を見積もることを可能するものである。

本発明は、従来の圧縮試験装置では不可能であった１ミクロン以下の個々の粒子の強度の測定を可能とする優れた効果を奏するものである。そのため、実際の粉体に対して以下のような評価が可能になる。
（１）ある特定の応力が加わったとき、１ミクロン以下の粉体の何パーセントが破壊するかという推定ができなかったが、本発明を利用すると、個々の粒子の強度が測定できるため、同一ロット粒子からサンプリングして、強度測定を行うことにより、そのロット粒子のある応力負荷時の破壊確率を評価することが可能になった。また平均強度も見積もることができる。
（２）粒子が小さくなると、強度などの機械特性は、粒子のサイズに依存する効果（サイズ効果）があると考えられていたが、本発明により、１ミクロン以下の粒子のサイズ効果の大きさを実測することが可能になる。

本発明に係る微粒子強度測定方法及び装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図４乃至図７を参照して以下に説明する。

〔微粒子強度測定の概略〕
図４は、微粒子強度測定装置の概略を示したものである。
図において、Ｘ−Ｙ方向に移動自在なステージ１０の上にはダイヤモンド基板１１が装着されており、ダイヤモンド基板１１の上には粒子１２が分散されている。ステージ１０の精度の高いステージ制御は、位置センサーの分解能が０．１μｍのクローズドループコントロールによって行われる。
ステージ１０の上方の一側には、変位センサーを備えた負荷セル１４が設けられ、負荷セル１４の下端には微粒子のサイズと同程度の大きさの平坦部が形成されたダイヤモンド圧子１３が装着されている。
また、ステージ１０の上方の他側には、原子間力顕微鏡１５及び光学顕微鏡１６が回転テーブル１８に装着されている。
ステージ１０は、負荷セル１４及び原子間力顕微鏡１５及び光学顕微鏡１６にダイヤモンド基板１１が正確に対峙するようにクローズドループコントロールによって精密に移動される。
この装置により微粒子強度を測定する手順を概略述べると、まず第一に、ダイヤモンド基板１１上に分散されている微粒子のうち、測定しようとする微粒子を一つ選び原子間力顕微鏡１５あるいは光学顕微鏡１６を用いて粒子の粒径を測定する。次に、この測定用に選んだ粒子をダイヤモンド圧子１３の真下に移動する。この微粒子移動において、位置を合わせるために、前もって原子間力顕微鏡１５及び光学顕微鏡１６とダイヤモンド圧子１３の位置を校正しておく。次に、負荷セル１４を変位させて粒子１２に負荷をかけ、負荷−変位曲線から粒子１２の強度を測定することができる。

以下に、微粒子強度を測定する手順及びその内容を詳細に説明する。
〔試料の準備〕
本発明を実施するためには、粉体をダイヤモンド基板１１上に単粒子に分散させる必要がある。粒子は凝着していることが多いため、粒子をそのまま、ダイヤモンド基板１１上にのせただけでは単粒子が分散することはほとんどない。そこで、例えば、溶液に試料粉を入れ、この溶液をダイヤモンド基板１１に滴下する。その後自然乾燥によって、粒子を基板上に分散させる。

〔単粒子の大きさ測定法〕
粒子１２の大きさ測定は、大きく２つの方法を用いる。
その１つは、粒子１２の大きさが数ミクロン以上の場合は、光学的な測定（光学顕微鏡など）を用いて行う。
また、粒子１２の大きさが数ミクロン以下の場合は、原子間力顕微鏡１５を用いる。

〔原子間力顕微鏡の測定条件〕
上記の方法で作成したダイヤモンド基板１１上の粒子１２は、ダイヤモンド基板１１上に固着させたわけではないので、原子間力顕微鏡１５の計測においては、接触式の測定方法では、測定中に粒子の位置が移動してしまう。そのため、横方向に力がかからない、非接触モードもしくはタッピングモードで測定しなければならない。
さらに、ダイヤモンド基板１１上の粒子１２は、アスペクト比（横方向の大きさと高さ方向の大きさの比）がほぼ１である。これに対して通常の原子間力顕微鏡(ＡＦＭ)用のカンチレバーの先の探針の形状では、非接触モードであっても粒子を動かしてしまう。そこで、針先に、さらにアスペクト比の大きな（２０以上）針を成長させる。このとき、針の長さは計測する粒子１２の大きさ以上（例えば、２ミクロン以上）でなければならない。

〔光学顕微鏡視野と原子間力顕微鏡視野およびダイヤモンド圧子位置の校正〕
単粒子１２を検出、形状およびその位置を正確に測定し、ダイヤモンド圧子１３の直下にもっていくためには、光学顕微鏡１６の視野と原子間力顕微鏡１５の視野およびダイヤモンド圧子１３の位置へのステージ１０の移動の座標が正確に校正されていなければならない。そこで、以下の方法で各々の位置の校正を行う。
（１）光学顕微鏡視野中心と原子間力顕微鏡視野中心のステージ座標校正
観察した場所がわかる、標準サンプルを用いる。
例えば、Ｘ、Ｙ方向ともに１０ミクロン間隔に刻まれた格子とその格子の座標を文字で刻んである試料を用い、光学顕微鏡１６の視野中心を観察したあと、原子間力顕微鏡１５の最大視野像の中心で光学顕微鏡１６の中心の格子が見られるように、ステージ１０の移動座標を設定する。
（２）原子間力顕微鏡の視野中心とダイヤモンド圧子位置へのステージ座標校正
銅などの塑性変形しやすい金属材料の表面を平坦に研磨し、校正用サンプルとする。このサンプル表面に先端が平坦なダイヤモンド圧子１３を用いて、圧縮試験を、１ｍＮ〜数１０ｍＮ程度の負荷で行う。すると、先がとがった圧子を用いた硬度試験の時にできる圧痕と同様のわずかにへこんだ圧痕が表面にできる。ダイヤモンド圧子１３の位置、原子間力顕微鏡１５のカンチレバー１７の先端の位置の設計値を用いて、（２回目以降の校正からは前回の校正によって得られたそれぞれの位置を用いて）ステージ１０を移動させて圧痕を原子間力顕微鏡１５のカンチレバー１７直下に移動させる。原子間力顕微鏡１５は、このへこみを原子間力顕微鏡の最大視野像で観察する。この圧痕像と観察視野中心とのずれ（Ｘ方向、Ｙ方向）を、画像から計測し、位置座標の修正を行う。
次に、同じ場所に圧痕をつけないように、校正用サンプルをわずかに動かし、再び、先端が平坦なダイヤモンド圧子１３の直下にサンプルを移動させ、圧縮負荷をかけ圧痕をつける。同様に、原子間力顕微鏡１５の直下にサンプルをステージ１０で移動させ、先ほどの最大視野観察の視野中心が同じになるように視野を狭め（拡大率をあげ）、さらに位置精度の高い圧痕の観察をして、圧痕の位置の中心のずれから、位置座標の修正を行う。この時の原子間力顕微鏡１５の視野はダイヤモンド圧子１３の平坦部分の大きさの３倍から１０倍程度で行うのが適当である。
必要があれば、この手順をくりかえし、位置座標の校正精度を高める。

〔圧縮試験用圧子の先端部加工〕
圧縮試験を行うダイヤモンド圧子１３の平坦部分の大きさは、試験を行う粒子１２の大きさと同じ程度であることが必要である。ダイヤモンド圧子１３をその精度で、微細加工を行うために、集束イオンビーム加工を使う。図５の左側に示す硬度試験用の先端がとがったダイヤモンド圧子１３に対して、図５の右側のように、集束イオンビーム(ＦＩＢ)を長方形状に走査し、ダイヤモンド圧子１３の先端をイオンビーム先端のスパッタリング効果で削り取る。

〔単粒子の検出、形状測定、大きさ測定〕
原子間力顕微鏡１５の非接触モードで観察し、単粒子を探し出し、その大きさおよび形状を計測する。原子間力顕微鏡の像の一例を図６左側の写真で、また、それによるプロファイルを図６右側において示している。
粒子１２の大きさの代表値は、原子間力顕微鏡１５で測定した粒子の最大高さを用いる。

〔強度試験〕
単粒子１２を、原子間力顕微鏡１５の視野の中心になるように、ステージ１０で位置を調整した後、先に校正した、ダイヤモンド圧子１３の位置と原子間力顕微鏡１５の位置に基づいて、試料である粒子１２をダイヤモンド圧子１３の方に移動させ、ダイヤモンド圧子１３の直下に搬送する。
所定の負荷条件に従って、負荷セル１４により粒子１２に負荷をかけ圧縮試験を実行する。このとき、負荷と同時にダイヤモンド圧子１３の変位を負荷センサーで記録する。

〔強度の評価〕
負荷と変位の関係を示した図７のグラフから、粒子１２が破壊した負荷力を求め、この値と、測定した粒子の大きさを用いて、公知の以下の式から、強度を算出する。
Ｓ＝２．８Ｆ／ πｄ^２
ただし、Ｓ：強度、Ｆ：破壊したときの負荷力、ｄ：粒子の大きさ、である。
この実施例の実験では、ｄ＝６２０ｎｍ、Ｆ＝２．８ｍＮ（図の矢印の部分の負荷で破壊）であったため、強度は６．９ＧＰａとなる。

〔弾性率の評価〕
破壊前の粒子の負荷-変位曲線が、球と平面の弾性体がある負荷で接触したとき、変位は負荷力の２／３乗に比例し、その係数は球と平面の弾性率で決まるというヘルツ接触モデルを仮定して、フィティングを行い、その得られた係数から、弾性率を評価できる。

従来の圧縮試験を説明するための概略図である。従来の圧縮試験の問題点を説明するための概略図である。従来の圧縮試験の問題点を説明するための概略図である。本発明の実施の形態に係る微粒子強度測定装置の概略を示した正面図である。本発明の実施の形態に係る圧縮試験用圧子の先端部加工の状況を説明するための概略図である。本発明の実施の形態に係る単粒子の大きさおよび形状を計測した結果を示す原子間力顕微鏡写真及びそれによるプロファイルである。本発明の実施の形態に係る粒子の負荷−変位曲線を示した図である。

符号の説明

１基板
２粒子
３圧子
１０Ｘ−Ｙ方向に移動自在なステージ
１１ダイヤモンド基板
１２測定しようとする粒子
１３ダイヤモンド圧子
１４負荷セル
１５原子間力顕微鏡
１６光学顕微鏡
１７原子間力顕微鏡のカンチレバー
１８回転テーブル

Claims

ダイヤモンド基板上に微粒子を分散させ、測定しようとする微粒子を一つ選び原子間力顕微鏡を用いて微粒子の粒径を測定し、次いで、ダイヤモンド基板をクローズドループ制御のステージにより測定しようとする微粒子がダイヤモンド圧子の真下に位置するように移動させ、その後、微粒子のサイズと同程度の大きさの平坦部を形成したダイヤモンド圧子を変位させ微粒子に負荷をかけることにより微粒子の強度を測定するようにしたことを特徴とする微粒子強度測定方法。
クローズドループ制御により精密な位置制御が可能なステージ上に微粒子を裁置するダイヤモンド基板を装着し、ステージの上方の一側には変位センサーを備えた負荷セルを設け、負荷セルの下端には微粒子のサイズと同程度の大きさの平坦部を形成したダイヤモンド圧子を装着し、また、ステージの上方の他側には微粒子の粒径を測定するための原子間力顕微鏡を設けたことを特徴とする微粒子強度測定装置。