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JP7191379B2 - Friction observation method and observation device - Google Patents
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Description

本発明は、摩擦の観察方法及び観察装置に関する。 The present invention relates to a friction observation method and observation device.

摩擦は二つの表面間が接触・摺動する「界面」で生じる。界面という固体間で挟まれた領域は「その場」観察が非常に困難で、観察および分析は摩擦後に行われる。これに対して、例えば、非特許文献1では、光学顕微鏡を用いて摩擦界面を観察する試みがなされている。 Friction occurs at the "interface" where two surfaces contact and slide. The interface, the region sandwiched between solids, is very difficult to observe 'in situ', and observation and analysis are performed after friction. On the other hand, for example, in Non-Patent Document 1, an attempt is made to observe the frictional interface using an optical microscope.

V. Chauveau, D. Mazuyer, F. Dassenoy, and J. Cayer-Barrioz, Tribol. Lett., 2012, pp. 467-480.V. Chauveau, D. Mazuyer, F. Dassenoy, and J. Cayer-Barrioz, Tribol. Lett., 2012, pp. 467-480.

しかしながら、摩擦界面では、形状変化や物理化学反応などサブミクロンオーダーの現象がダイナミックに変化していると推測されるが、ブラックボックス化して未明の現象が多々ある。この摩擦現象の解明には、非特許文献1のような光学顕微鏡を用いた観察では分解能が全く足りない。そのため、分解能が非常に高い走査型電子顕微鏡などの電子顕微鏡を用いた、摩擦界面のその場観察が不可欠であるが、現在のところ全く実現されていない。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、摩擦中の摩擦界面で生じるサブミクロンオーダーの現象を観察することが可能な摩擦の観察方法及び観察装置を提供することを目的とする。 However, at the friction interface, submicron-order phenomena such as shape change and physico-chemical reaction are presumed to change dynamically, but there are many black-box phenomena that remain unexplained. Observation using an optical microscope as in Non-Patent Document 1 does not have enough resolution to clarify this friction phenomenon. Therefore, in-situ observation of the frictional interface using an electron microscope such as a scanning electron microscope with very high resolution is indispensable, but it has not been realized at all at present. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a friction observation method and an observation device capable of observing submicron-order phenomena occurring at the friction interface during friction. do.

本発明に係る摩擦の観察方法は、電子透過膜の第1面に押圧部材を押し付けつつ、当該電子透過膜の面方向に沿って、前記押圧部材を移動することで、摩擦を生じさせるステップと、前記電子透過膜の前記第1面とは反対側の第2面に対し、電子ビームを照射するステップと、前記電子透過膜を透過した前記電子ビームが前記電子透過膜と前記押圧部材との界面に照射されることで、前記界面において発生する電子または電磁波を検出し、前記電子透過膜において前記摩擦が生じている領域の像を取得するステップと、を備えている。なお、電子ビームを照射するステップは、摩擦を生じさせるステップの後でもよい。 The method for observing friction according to the present invention includes the step of causing friction by moving the pressing member along the plane direction of the electron-permeable membrane while pressing the pressing member against the first surface of the electron-permeable membrane. irradiating a second surface of the electron permeable film opposite to the first surface with an electron beam; detecting electrons or electromagnetic waves generated at the interface by irradiating the interface, and obtaining an image of the region in which the friction occurs in the electron-transmitting film. Note that the step of irradiating the electron beam may be performed after the step of generating friction.

上記摩擦の観察方法においては、前記電子透過膜の厚みを、1~200nmとすることができる。 In the method for observing friction, the thickness of the electron-transmitting film may be 1 to 200 nm.

上記摩擦の観察方法においては、前記押圧部材が曲面を有し、当該曲面を前記電子透過膜に押圧するように構成することができる。 In the method for observing friction, the pressing member may have a curved surface, and the curved surface may be pressed against the electron permeable film.

上記摩擦の観察方法においては、前記電子透過膜を、Si34,SiO2,SiC,Si,DLC,アモルファスカーボン、グラフェン、または酸化グラフェンにより形成することができる。 In the friction observation method, the electron - transmitting film can be made of Si3N4 , SiO2 , SiC, Si, DLC, amorphous carbon, graphene, or graphene oxide.

上記摩擦の観察方法においては、前記電子透過膜によって塞がれた開口を有するとともに、密閉された内部空間を有する、容器を準備するステップをさらに備えることができ、前記電子透過膜の第1面が前記内部空間に面し、前記摩擦を生じさせるステップでは、前記電子透過膜の第1面に潤滑油を塗布し、当該潤滑油が塗布されている領域に対し、前記押圧部材によって前記摩擦を生じさせるように構成することができる。 The friction observation method may further comprise the step of providing a container having an opening closed by the electron permeable membrane and having a sealed interior space, wherein the first surface of the electron permeable membrane is in the step of causing the friction by facing the internal space, applying lubricant to the first surface of the electron permeable film, and applying the friction to the region coated with the lubricant by the pressing member. can be configured to cause

本発明に係る摩擦の観察装置は、電子顕微鏡によって摩擦を観察するための観察装置であって、第1面及び当該第1面とは反対の第2面を有する電子透過膜と、前記電子顕微鏡の電子ビームが前記電子透過膜の第2面に対して照射されるように、当該電子透過膜を支持する支持部と、前記電子透過膜の第1面に対して接触する押圧部材と、前記押圧部材を前記電子透過膜の第1面に対して押圧させるとともに、当該第1面に沿って移動させることで、摩擦を生じさせる、移動機構と、を備え、前記電子透過膜を透過した前記電子ビームが前記電子透過膜と前記押圧部材との界面に照射されることで、前記界面で発生した電子または電磁波を検出し、前記電子透過膜において生じている前記摩擦を前記電子顕微鏡で観察するように構成されている。 A friction observation device according to the present invention is an observation device for observing friction with an electron microscope, comprising: an electron-transmitting film having a first surface and a second surface opposite to the first surface; a supporting portion for supporting the electron-transmitting film, a pressing member for contacting the first surface of the electron-transmitting film, and the a moving mechanism for generating friction by pressing a pressing member against the first surface of the electron permeable film and moving it along the first surface; By irradiating the interface between the electron permeable film and the pressing member with an electron beam, electrons or electromagnetic waves generated at the interface are detected, and the friction occurring in the electron permeable film is observed with the electron microscope. is configured as

上記摩擦の観察装置においては、前記電子透過膜の厚みを、1~200nmとすることができる。 In the friction observation device, the thickness of the electron-transmitting film may be 1 to 200 nm.

上記摩擦の観察装置においては、前記押圧部材が曲面を有し、当該曲面が前記電子透過膜に押圧されるように構成することができる。 In the friction observation device, the pressing member may have a curved surface, and the curved surface may be pressed against the electron permeable film.

上記摩擦の観察装置においては、前記電子透過膜を、Si34,SiO2,SiC,Si,DLC,アモルファスカーボン、グラフェン、または酸化グラフェンにより形成することができる。 In the above-mentioned friction observation device, the electron-transmitting film can be made of Si 3 N 4 , SiO 2 , SiC, Si, DLC, amorphous carbon, graphene, or graphene oxide.

上記摩擦の観察装置においては、前記支持部は、開口を有し、密閉された内部空間を有する容器を備えており、前記電子透過膜の第1面が前記内部空間に面するように、当該電子透過膜によって前記開口が塞がれ、前記電子透過膜の第1面に潤滑油が塗布され、当該潤滑油が塗布されている領域に対し、前記押圧部材によって前記摩擦が生じるように構成することができる。 In the above friction observation device, the support includes a container having an opening and a sealed internal space, and the first surface of the electron permeable film faces the internal space. The opening is closed by an electron permeable film, the first surface of the electron permeable film is coated with lubricating oil, and the pressure member causes the friction to occur in the region coated with the lubricating oil. be able to.

本発明によれば、摩擦中の摩擦界面で生じるサブミクロンオーダーの現象を観察することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to observe submicron-order phenomena that occur at friction interfaces during friction.

本発明の第1実施形態に係る観察装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an observation device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第2実施形態に係る観察装置の概略構成図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an observation device according to a second embodiment of the present invention; 本発明の実施例に係る観察装置で観察した摩擦界面の写真である。It is a photograph of the friction interface observed with the observation device according to the example of the present invention.

<A.第1実施形態>
以下、本発明に係る観察装置の第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は、この観察装置の概略構成図である。
<A. First Embodiment>
A first embodiment of an observation device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of this observation device.

<1.観察装置の概要>
図1に示すように、本実施形態に係る観察装置10は、走査型電子顕微鏡(SEM)の真空槽内の試料観察ステージ80上に配置され、電子透過膜1の表面で生じる摩擦を観察するためのものである。具体的には、この観察装置10は、電子透過膜1と、この電子透過膜1とを支持する支持部2と、電子透過膜1に押圧される押圧部材3と、この押圧部材3の動作を制御する制御部(移動機構)4と、を備えている。以下、各部材について、詳細に説明する。
<1. Overview of Observation Device>
As shown in FIG. 1, an observation apparatus 10 according to this embodiment is placed on a sample observation stage 80 in a vacuum chamber of a scanning electron microscope (SEM), and observes friction occurring on the surface of the electron permeable film 1. It is for Specifically, the observation device 10 includes an electron permeable membrane 1, a support section 2 that supports the electron permeable membrane 1, a pressing member 3 that is pressed against the electron permeable membrane 1, and an operation of the pressing member 3. and a control unit (moving mechanism) 4 that controls the . Each member will be described in detail below.

<1-1.電子透過膜>
電子透過膜1は、SEMにおいて照射される電子ビームBが透過するものである。電子透過膜1を形成する材料は、電子が透過するものであれば、特には限定されないが、例えば、Si34,SiO2,SiC,Si,DLC,アモルファスカーボン、グラフェン、または酸化グラフェン等を採用することができる。このうち、Si34は、硬く、破壊されにくい材料であるため、特に好ましい。
<1-1. Electron Permeable Film>
The electron permeable film 1 transmits an electron beam B irradiated in the SEM. The material forming the electron-transmitting film 1 is not particularly limited as long as electrons pass through it, but examples include Si3N4 , SiO2 , SiC, Si, DLC, amorphous carbon, graphene, graphene oxide, and the like. can be adopted. Among these, Si 3 N 4 is particularly preferable because it is a hard and hard-to-break material.

電子透過膜1の厚みは、特には限定されないが、例えば、1~200nmであることが好ましく、5~100nmであることがさらに好ましく、20~50nmであることが特に好ましい。これは、電子透過膜1の厚みが小さいと、SEMにおいて明瞭な像を得ることができて好ましいが、小さすぎると、摩擦によって破壊される可能性があることによる。一方、電子透過膜1の厚みが、大きすぎると電子が透過しないおそれがあることによる。 Although the thickness of the electron permeable film 1 is not particularly limited, it is preferably, for example, 1 to 200 nm, more preferably 5 to 100 nm, particularly preferably 20 to 50 nm. This is because if the thickness of the electron permeable film 1 is small, a clear image can be obtained in the SEM, but if it is too small, it may be broken by friction. On the other hand, if the thickness of the electron permeable film 1 is too large, electrons may not pass through.

<1-2.支持部>
支持部2は、電子透過膜1を支持する支持板21と、この支持板21を水平状態でSEMの真空槽の試料観察ステージ80上で支持するための基台22と、備えている。支持板21には、円形の貫通孔211が形成されており、この貫通孔211を塞ぐように、支持板21の下面に電子透過膜1が固定されている。基台22は、支持板21が固定される矩形状の固定板221と、この固定板221の四隅から下方に延びる4本の脚部材222とを備えており、この基台22によって、支持板21が所定の高さに保持される。なお、支持板21には貫通孔211ではなくも、切り欠きを形成し、この切り欠きの少なくとも一部を塞ぐように電子透過膜1を取り付けてもよい。
<1-2. Supporting part>
The support unit 2 includes a support plate 21 for supporting the electron permeable film 1, and a base 22 for supporting the support plate 21 in a horizontal state on the sample observation stage 80 of the vacuum chamber of the SEM. A circular through hole 211 is formed in the support plate 21 , and the electron permeable membrane 1 is fixed to the lower surface of the support plate 21 so as to block the through hole 211 . The base 22 includes a rectangular fixed plate 221 to which the support plate 21 is fixed, and four leg members 222 extending downward from the four corners of the fixed plate 221 . 21 is held at a predetermined height. A notch may be formed in the support plate 21 instead of the through hole 211, and the electron permeable membrane 1 may be attached so as to cover at least a part of the notch.

<1-3.押圧部材>
次に、押圧部材3について説明する。本実施形態において、押圧部材3は球体によって形成されており、後述する制御部4の片持ち梁41によって支持される。そして、片持ち梁41の動作は、後述する制御部4のピエゾステージ42によって制御され、これによって、押圧部材3は、電子透過膜1の下面(第1面)を押圧しつつ、電子透過膜1の面方向に移動するようになっている。すなわち、押圧部材3によって、電子透過膜1の下面が擦られ、摩擦が生じるようになっている。
<1-3. Pressing member>
Next, the pressing member 3 will be described. In this embodiment, the pressing member 3 is formed of a sphere and supported by a cantilever beam 41 of the control section 4, which will be described later. The operation of the cantilever beam 41 is controlled by a piezo stage 42 of the control unit 4, which will be described later. Thereby, the pressing member 3 presses the lower surface (first surface) of the electron permeable membrane 1 and the electron permeable membrane. It is designed to move in the plane direction of 1. That is, the pressing member 3 rubs the lower surface of the electron permeable membrane 1 to generate friction.

押圧部材3は、例えば、金属、セラミックス、樹脂材料など、電子が透過しない種々の材料を使用することができる。このうち、金属は、導電性であるため、SEMでの観察に適している。 For the pressing member 3, various materials such as metals, ceramics, and resin materials that do not transmit electrons can be used. Among them, metals are suitable for SEM observation because they are conductive.

<1-4.制御部>
続いて、制御部4について説明する。制御部4は、上述したように押圧部材3を支持する片持ち梁41と、この片持ち梁41を動作させるピエゾステージ42と、片持ち梁41の位置を検知する検知部43と、を備えている。片持ち梁41は、弾性変形可能な板材や針金などを用いることができ、上述したように、その一端部の上面に押圧部材3が固定されている。そして、片持ち梁41の他端部がピエゾステージ42に固定されている。ピエゾステージ42は、ピエゾアクチュエータによって三次元的(X方向、Y方向、及びZ方向)に動作する公知の装置である。ここでは、電子透過膜1と垂直な方向(鉛直方向)をZ方向とし、それと直交する電子透過膜1の面方向をX方向及びY方向と規定する。
<1-4. Control section>
Next, the controller 4 will be explained. The control unit 4 includes the cantilever beam 41 that supports the pressing member 3 as described above, the piezo stage 42 that operates the cantilever beam 41, and the detection unit 43 that detects the position of the cantilever beam 41. ing. The cantilever beam 41 can be made of an elastically deformable plate, wire, or the like. The other end of the cantilever beam 41 is fixed to the piezo stage 42 . The piezo stage 42 is a well-known device that moves three-dimensionally (X-direction, Y-direction, and Z-direction) by a piezo actuator. Here, the direction perpendicular to the electron permeable film 1 (vertical direction) is defined as the Z direction, and the surface directions of the electron permeable film 1 orthogonal thereto are defined as the X direction and the Y direction.

また、検知部43は、ピエゾステージ42に固定されたレーザ源431と、片持ち梁41の一端部の下面に取り付けられたミラー432と、ピエゾステージ42に取り付けられたミラー433と、ピエゾステージ42に固定されたフォトダイオード434と、を備えている。この構成によって、レーザ源431から照射されたレーザ光が2枚のミラー432、433で反射し、反射されたレーザ光が、フォトダイオード433によって受光されるようになっている。2枚のミラー432,433は、押圧部材3と対応する位置にあるため、これらミラー432,433で反射するレーザ光を受光することで、押圧部材3の位置を検出できるようになっている。なお、検知部4の構成は特には限定されず、レーザ光を用い、少なくとも一枚以上のミラーによって、反射したレーザ光を受光することで片持ち梁41の一端部、つまり押圧部材3と対応する位置が検出できるように構成されていればよい。 The detection unit 43 includes a laser source 431 fixed to the piezo stage 42, a mirror 432 attached to the lower surface of one end of the cantilever 41, a mirror 433 attached to the piezo stage 42, and the piezo stage 42. and a photodiode 434 fixed to the . With this configuration, the laser light emitted from the laser source 431 is reflected by the two mirrors 432 and 433 , and the reflected laser light is received by the photodiode 433 . Since the two mirrors 432 and 433 are positioned corresponding to the pressing member 3 , the position of the pressing member 3 can be detected by receiving laser light reflected by these mirrors 432 and 433 . Note that the configuration of the detection unit 4 is not particularly limited, and a laser beam is used, and the laser beam reflected by at least one or more mirrors is received. It is only required that the position to be detected can be detected.

<2.観察装置による摩擦の観察方法>
次に、上記のように構成された観察装置10による摩擦の観察方法について説明する。まず、上記観察装置10を、SEMの真空槽内の試料観察ステージ80上に配置する。次に、ピエゾステージ42を駆動し、片持ち梁41を上方に移動する。これにより、片持ち梁41の一端部に固定された押圧部材3が電子透過膜1を押圧する。このとき、電子透過膜1を押圧する力は、電子透過膜1の種類、厚み、押圧部材3の形状によって適宜変更することができる。したがって、この押圧力は特には限定されないが、例えば、押圧部材3が数mm程度の直径のものであれば、例えば、1mN以下とすることができる。なお、後述する実施例においては、15μNで電子透過膜1を押圧するようにしている。
<2. Observation Method of Friction Using Observation Device>
Next, a method of observing friction using the observation device 10 configured as described above will be described. First, the observation device 10 is arranged on the sample observation stage 80 in the vacuum chamber of the SEM. Next, the piezo stage 42 is driven to move the cantilever beam 41 upward. As a result, the pressing member 3 fixed to one end of the cantilever beam 41 presses the electron permeable membrane 1 . At this time, the force for pressing the electron permeable film 1 can be appropriately changed depending on the type and thickness of the electron permeable film 1 and the shape of the pressing member 3 . Therefore, the pressing force is not particularly limited, but if the pressing member 3 has a diameter of several millimeters, it can be 1 mN or less, for example. In the examples described later, the electron permeable membrane 1 is pressed at 15 μN.

続いて、ピエゾステージ42を駆動し、片持ち梁41をX方向に往復動させる。これにより、押圧部材3は、電子透過膜1を押圧しつつ、電子透過膜1の面方向に移動する。例えば、電子透過膜1上で一方向のみ移動してもよいし、二次元的に移動させてもよい。こうして、電子透過膜1と押圧部材3との間で摩擦が生じる。このとき、片持ち梁41の先端部の位置は、上述したレーザによって計測しているため、この先端部の位置に基づいて片持ち梁41の曲げ変位等を得ることができる。したがって、例えば、この先端部の位置を一定にすることで、電子透過膜1への押圧力を一定にすることができる。また、曲げ変位と押圧力との関係を較正しておけば、ピエゾステージ42の移動を制御することで、電子透過膜1への押圧力を調整することができる。さらに、片持ち梁41のねじれも測定される。ねじれは摩擦力に換算するように較正することができる。 Subsequently, the piezo stage 42 is driven to reciprocate the cantilever beam 41 in the X direction. As a result, the pressing member 3 moves in the surface direction of the electron permeable film 1 while pressing the electron permeable film 1 . For example, on the electron permeable film 1, it may be moved only in one direction, or may be moved two-dimensionally. Thus, friction is generated between the electron permeable film 1 and the pressing member 3 . At this time, since the position of the tip of the cantilever 41 is measured by the above-described laser, the bending displacement of the cantilever 41 and the like can be obtained based on the position of the tip. Therefore, for example, by keeping the position of the tip portion constant, the pressing force on the electron permeable membrane 1 can be made constant. Further, by calibrating the relationship between the bending displacement and the pressing force, the pressing force on the electron permeable membrane 1 can be adjusted by controlling the movement of the piezo stage 42 . Additionally, the torsion of the cantilever beam 41 is also measured. Torsion can be calibrated to translate into friction force.

これに続いて、SEMにおいて電子ビームBを観察装置10に対して照射する。すなわち、支持板21の貫通孔211に向けて電子ビームBを照射する。電子ビームBは、電子透過膜1の上面(第2面)から、これを透過し、電子透過膜1と押圧部材3との界面に照射される。これにより、界面から二次電子が発生する。この二次電子は電子透過膜1を透過した後、SEMの検出部によって検出され、これが結像される。すなわち、SEMにより、電子透過膜1と押圧部材3との間で生じる摩擦を観察することができる。 Following this, the observation device 10 is irradiated with an electron beam B in the SEM. That is, the electron beam B is irradiated toward the through hole 211 of the support plate 21 . The electron beam B passes through the upper surface (second surface) of the electron permeable film 1 and irradiates the interface between the electron permeable film 1 and the pressing member 3 . Secondary electrons are thereby generated from the interface. After passing through the electron-transmitting film 1, the secondary electrons are detected by the detector of the SEM and formed into an image. That is, the SEM allows observation of the friction occurring between the electron permeable membrane 1 and the pressing member 3 .

<3.特徴>
以上のように、本実施形態によれば、電子透過膜1の下面を押圧部材3で擦ることによって摩擦を生じさせるとともに、電子透過膜1の上面から電子ビームBを照射し、電子透過膜1と押圧部材3との界面に照射する。これにより、界面から発生した二次電子を検出し、結像することで、SEMにより、摩擦を観察することができる。したがって、これまで不可能であった、摩擦中の摩擦界面で生じるサブミクロンオーダーの現象を観察することができる。そのため、摩擦のメカニズムの解明に寄与することが期待される。
<3. Features>
As described above, according to the present embodiment, friction is generated by rubbing the lower surface of the electron permeable film 1 with the pressing member 3, and the electron beam B is irradiated from the upper surface of the electron permeable film 1. and the pressing member 3 is irradiated. Thereby, friction can be observed by SEM by detecting secondary electrons generated from the interface and forming an image. Therefore, it is possible to observe submicron-order phenomena occurring at the friction interface during friction, which has not been possible until now. Therefore, it is expected to contribute to the elucidation of the mechanism of friction.

本実施形態に係る観察装置10は、小型で簡易な構成であるため、SEMを利用して低コストで摩擦の観察を行うことができる。 Since the observation device 10 according to the present embodiment has a small size and a simple configuration, it is possible to observe friction at low cost using an SEM.

<B.第2実施形態>
次に、本発明に係る観察装置の第2実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図2は、第2実施形態に係る観察装置の概略構成図である。以下では、主として第1実施形態と相違する部分について説明し、同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略することがある。
<B. Second Embodiment>
Next, a second embodiment of an observation device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an observation device according to the second embodiment. In the following, the parts that are different from the first embodiment will be mainly described, and the same components will be denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof may be omitted.

本実施形態に係る観察装置20が、第1実施形態と相違するのは、支持部2の代わりに、容器5を有する点である。そして、この容器5に、上述した押圧部材3、制御部4が、密閉された状態で収容されている。すなわち、容器5の内部空間は、SEMの真空槽に対して気密である。 The observation device 20 according to this embodiment differs from the first embodiment in that it has a container 5 instead of the support section 2 . The pressing member 3 and the control unit 4 described above are accommodated in the container 5 in a sealed state. That is, the internal space of the container 5 is airtight with respect to the vacuum chamber of the SEM.

容器5は、直方体状に形成されており、上壁部51に貫通孔52が形成されている。そして、この貫通孔52を上壁部51の下面側から塞ぐように、電子透過膜1が固定されている。容器5に収容された押圧部材3は、この電子透過膜1を下面側から押圧するように設置される。また、押圧部材3を支持する片持ち梁41は、第1実施形態と同様に、ピエゾステージ42によってX,Y,Z方向に駆動され、これによって、押圧部材3と電子透過膜1との間に摩擦が生じる。 The container 5 is formed in a rectangular parallelepiped shape, and a through hole 52 is formed in an upper wall portion 51 . The electron permeable film 1 is fixed so as to block the through hole 52 from the lower surface side of the upper wall portion 51 . The pressing member 3 accommodated in the container 5 is installed so as to press the electron permeable membrane 1 from the lower surface side. Further, the cantilever beam 41 supporting the pressing member 3 is driven in the X, Y, and Z directions by the piezo stage 42 as in the first embodiment. friction occurs.

さらに、本実施形態においては、電子透過膜1の下面に潤滑油6が塗布されており、電子透過膜1において潤滑油6が塗布された領域に、押圧部材3が接している。そして、第1実施形態と同様に、押圧部材3を移動させた状態で、SEMの電子ビームを電子透過膜1に照射すれば、潤滑油6よって低減された摩擦を観察することができる。したがって、各種の潤滑油6の効果の検証のために、この観察装置20を用いることができる。なお、潤滑油は特には限定されず、グリース、水系潤滑剤、粉末も含まれる。 Furthermore, in this embodiment, the lower surface of the electron permeable film 1 is coated with the lubricating oil 6 , and the pressing member 3 is in contact with the region of the electron permeable film 1 to which the lubricating oil 6 is applied. As in the first embodiment, if the electron beam of the SEM is irradiated to the electron permeable film 1 while the pressing member 3 is moved, the friction reduced by the lubricating oil 6 can be observed. Therefore, this observation device 20 can be used to verify the effects of various lubricating oils 6 . Lubricating oil is not particularly limited, and includes grease, water-based lubricant, and powder.

本実施形態では、観察装置20が密閉された容器5を有し、この中に押圧部材3等を収容しているが、これは、容器5がなければ、潤滑油6が、SEMの真空槽において蒸発するおそれがあるためである。なお、容器5の内部空間の圧力は、常圧でもよいが、真空槽に接する電子透過膜1が圧力差によって破壊されるおそれがあるため、減圧することもできる。 In this embodiment, the observation device 20 has a sealed container 5 in which the pressing member 3 and the like are accommodated. This is because there is a risk of evaporation in the The pressure in the inner space of the container 5 may be normal pressure, but may be reduced because the electron permeable membrane 1 in contact with the vacuum chamber may be destroyed due to the pressure difference.

<C.変形例>
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。なお、以下の変形例は、適宜組み合わせることができる。
<C. Variation>
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Note that the following modified examples can be combined as appropriate.

<1>
電子透過膜1を支持する支持部2の構成は特には限定されない。すなわち、SEMの電子ビームを電子透過膜1に対して照射できるように、電子透過膜1を支持し、これを真空槽内に設置できる態様であれば、上記実施形態のような支持板21及び基台22以外の構成であってもよい。
<1>
The configuration of the supporting portion 2 that supports the electron permeable film 1 is not particularly limited. That is, if the electron permeable film 1 is supported so that the electron beam of the SEM can be irradiated onto the electron permeable film 1 and it can be installed in a vacuum chamber, the support plate 21 and A configuration other than the base 22 may be used.

<2>
上記実施形態では、片持ち梁41の端部に押圧部材3を固定し、片持ち梁41をピエゾステージ42で移動するように構成しているが、これに限定されない。すなわち、押圧部材3を電子透過膜1に押圧しつつ、これを面方向に移動できるのであれば、種々の移動機構を適用することができる。また、上記実施形態では、電子透過膜1への押圧力や摩擦力を測定するために、レーザを用いているが、これに限定されない。すなわち、押圧力や摩擦力の測定は、例えば、歪みゲージ、変位測定、静電容量方式、ロードセル方式など、種々の方法を採用することができる。
<2>
In the above embodiment, the pressing member 3 is fixed to the end of the cantilever beam 41, and the cantilever beam 41 is moved by the piezo stage 42. However, the present invention is not limited to this. That is, as long as the pressing member 3 can be moved in the plane direction while pressing the pressing member 3 against the electron permeable membrane 1, various moving mechanisms can be applied. In addition, in the above embodiment, a laser is used to measure the pressing force and the frictional force on the electron permeable film 1, but the present invention is not limited to this. That is, various methods such as strain gauge, displacement measurement, capacitance method, and load cell method can be used to measure the pressing force and the frictional force.

<3>
上記実施形態の押圧部材3は球状に形成されているが、電子透過膜1を押圧できるのであれば、種々の形状にすることができる。すなわち、押圧部材3において、電子透過膜1に接する部位の形状を、球面、曲面、平面等種々の形状にすることができる。但し、平面の場合、電子透過膜1との平行度が正確でなければ押圧が困難になるため、球面や曲面であることが好ましい。また、球面や曲面であれば、押圧によって、点ではなく所定の面積で電子透過膜1に接するため、摩擦の観察がしやすいという利点もある。
<3>
Although the pressing member 3 in the above embodiment is formed in a spherical shape, it can have various shapes as long as it can press the electron permeable membrane 1 . That is, in the pressing member 3, the shape of the portion in contact with the electron permeable membrane 1 can be made into various shapes such as a spherical surface, a curved surface, and a flat surface. However, in the case of a flat surface, if the parallelism with the electron permeable film 1 is not accurate, pressing becomes difficult, so a spherical surface or a curved surface is preferable. In addition, if the surface is spherical or curved, it will contact the electron permeable membrane 1 not at a point but at a predetermined area by pressing, so there is an advantage that the friction can be easily observed.

<4>
第2実施形態で用いた容器5の形状は特には限定されず、上述した直方体以外の形状でもよく、密閉された内部空間が形成されていればよい。また、第2実施形態では、制御部4を容器5の内部空間に収容しているが、これに限定されない。すなわち、少なくとも、容器5の開口52を電子透過膜1が塞ぎ、電子透過膜1における容器5の内部空間側の面に潤滑油6及び押圧部材3が配置されていればよい。したがって、押圧部材3の駆動を制御する制御部4の少なくとも一部を、容器5の外部に配置することできる。
<4>
The shape of the container 5 used in the second embodiment is not particularly limited. In addition, in the second embodiment, the controller 4 is housed in the internal space of the container 5, but the invention is not limited to this. That is, at least the opening 52 of the container 5 is closed by the electron permeable film 1 , and the lubricating oil 6 and the pressing member 3 are arranged on the surface of the electron permeable film 1 on the inner space side of the container 5 . Therefore, at least part of the control section 4 that controls driving of the pressing member 3 can be arranged outside the container 5 .

<5>
上記実施形態では、SEMにより電子透過膜1と押圧部材3との界面で発生する二次電子を観察しているが、押圧部材3から生じた反射電子、X線を検出することもでき、これを結像して観察することもできる。また、SEM以外であっても、電子透過膜1を介して押圧部材3に電子ビームを照射でき、押圧部材3で発生した電子、電磁波などを検出し、結像して観察できる、各種の電子顕微鏡等を採用することができる。
<5>
In the above embodiment, secondary electrons generated at the interface between the electron permeable film 1 and the pressing member 3 are observed by SEM, but reflected electrons and X-rays generated from the pressing member 3 can also be detected. can also be imaged and observed. In addition to the SEM, it is possible to irradiate the pressing member 3 with an electron beam through the electron permeable film 1, detect electrons, electromagnetic waves, etc. generated by the pressing member 3, form an image, and observe various types of electrons. A microscope or the like can be employed.

以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されない。 Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the following examples.

まず、上記第1実施形態と同様の図1に示す観察装置を準備した。すなわち、貫通孔が形成された支持板を準備し、その下面に、貫通孔を塞ぐように電子透過膜を固定した。この電子透過膜は、Si34により形成され、厚みが約50nmである。また、摩擦を観察するため、電子透過膜の下面には、酸化ナノカーボン(木材由来の酸化ナノカーボン;oWNCs)分散水を滴下し、乾燥させて被膜を形成した。oWNCsはグラファイト層が殻となった球状の物質で、直径は数十nmである。また、このoWNCsの被膜の厚みは、概ね50~100nmであると考えられる。 First, an observation apparatus shown in FIG. 1 similar to that of the first embodiment was prepared. That is, a support plate having through holes formed therein was prepared, and an electron permeable membrane was fixed to the lower surface thereof so as to close the through holes. This electron-transmitting film is made of Si 3 N 4 and has a thickness of about 50 nm. In order to observe the friction, nanocarbon oxide (wood-derived nanocarbon oxide; oWNCs) dispersion water was dropped on the lower surface of the electron permeable film and dried to form a film. oWNCs are spherical substances with graphite layers serving as shells, and have a diameter of several tens of nanometers. In addition, the thickness of the oWNCs coating is considered to be approximately 50 to 100 nm.

そして、この支持板を支持台に固定した。また、片持ち梁として針金を用い、その先端に、押圧部材としてSUJ2製の直径約1mmのボールを固定した。また、片持ち梁の他端部はピエゾステージに固定し、押圧部材が電子透過膜の下面のoWNCsが設けられている領域を押圧するように位置決めした。そして、押圧部材が約15μNの力で電子透過膜の下面を押圧するように制御し、且つ電子透過膜を押圧する押圧部材を、電子透過膜の面方向に約200μmの長さで一方向に往復動するように設定した。 Then, this support plate was fixed to the support base. A wire was used as the cantilever beam, and a SUJ2 ball having a diameter of about 1 mm was fixed to the tip of the wire as a pressing member. The other end of the cantilever beam was fixed to a piezo stage, and the pressing member was positioned so as to press the region provided with the oWNCs on the lower surface of the electron-transmitting film. Then, the pressing member is controlled to press the lower surface of the electron permeable membrane with a force of about 15 μN, and the pressing member that presses the electron permeable membrane is moved in one direction in the surface direction of the electron permeable membrane with a length of about 200 μm. set to reciprocate.

以上のような観察装置を走査型電子顕微鏡の真空槽に設置し、ピエゾステージによる駆動を開始した。次に、電子透過膜に向けて電子ビームを照射した。そして、電子透過膜と押圧部材との界面から発生する二次電子を検出することで、図3に示すように、摩擦が生じている像を得た。図3(a)は、押圧部材の駆動開始当初の状態を示すものであり、図3(b)は、押圧部材を1000回、往復動させた後の状態を示すものである。 The observation apparatus as described above was installed in a vacuum chamber of a scanning electron microscope, and driving by the piezo stage was started. Next, an electron beam was irradiated toward the electron-transmitting film. By detecting secondary electrons generated from the interface between the electron permeable film and the pressing member, an image of friction was obtained as shown in FIG. FIG. 3(a) shows the initial state of the pressing member when the driving is started, and FIG. 3(b) shows the state after the pressing member has been reciprocated 1000 times.

図3(a)に示す白い領域は、oWNCsが塗布された領域であるが、均一に塗布されているのではなく、厚みにはムラが生じている。そして、図3(b)に示すように、1000回の摩擦を行った後には、図3(a)と比べ白い領域が薄くなっていることが分かる。これは、押圧部材によってoWNCsが擦られ剥離したからである。また、図3(a)及び図3(b)の○で囲まれた部分を対比すると、図3(b)では、白い領域の形状が小さくなっており、摩擦によってoWNCsが電子透過膜から完全に脱離したことが観察できる。なお、本実施例では、静止画によって説明を行っているが、実際の試験では、動画による観察を行っている。 The white area shown in FIG. 3(a) is the area where the oWNCs are applied, but the oWNCs are not applied uniformly and the thickness is uneven. And, as shown in FIG. 3(b), after 1000 times of friction, the white area is thinner than in FIG. 3(a). This is because the oWNCs were rubbed and peeled off by the pressing member. 3(a) and 3(b), the shape of the white region is smaller in FIG. 3(b). It can be observed that the In addition, although still images are used for explanation in this embodiment, moving images are used for observation in the actual test.

このように、本発明に係る観察装置を利用することで、摩擦中の摩擦界面を観察することができた。 Thus, the friction interface during friction could be observed by using the observation device according to the present invention.

1 電子透過膜
2 支持部
3 押圧部材
4 制御部(移動機構)
5 容器
6 潤滑油
1 Electron Permeable Film 2 Supporting Part 3 Pressing Member 4 Control Part (Moving Mechanism)
5 container 6 lubricating oil

Claims (10)

電子透過膜の第1面に押圧部材を押し付けつつ、当該電子透過膜の面方向に沿って、前記押圧部材を移動することで、摩擦を生じさせるステップと、
前記電子透過膜の前記第1面とは反対側の第2面に対し、電子ビームを照射するステップと、
前記電子透過膜を透過した前記電子ビームが前記電子透過膜と前記押圧部材との界面に照射されることで、前記界面で発生した電子または電磁波を検出し、前記電子透過膜において前記摩擦が生じている領域の像を取得するステップと、を備えている、摩擦の観察方法。
a step of generating friction by moving the pressing member along the surface direction of the electron-permeable film while pressing the pressing member against the first surface of the electron-permeable film;
a step of irradiating an electron beam onto a second surface of the electron transmissive film opposite to the first surface;
By irradiating the interface between the electron permeable film and the pressing member with the electron beam that has passed through the electron permeable film, the electrons or electromagnetic waves generated at the interface are detected, and the friction is generated in the electron permeable film. obtaining an image of a region of friction.
前記電子透過膜の厚みが、1~200nmである、請求項1に記載の摩擦の観察方法。 2. The method for observing friction according to claim 1, wherein the thickness of said electron-transmitting film is 1 to 200 nm. 前記電子透過膜が、Si34,SiO2,SiC,Si,DLC,アモルファスカーボン、グラフェン、または酸化グラフェンにより形成されている、請求項1または2に記載の摩擦の観察方法。 3. The method of observing friction according to claim 1 , wherein the electron-transmitting film is made of Si3N4 , SiO2 , SiC, Si, DLC, amorphous carbon, graphene, or graphene oxide. 前記押圧部材が曲面を有し、当該曲面を前記電子透過膜に押圧する、請求項1から3のいずれかに記載の摩擦の観察方法。 4. The method for observing friction according to claim 1, wherein said pressing member has a curved surface and presses said curved surface against said electron permeable film. 前記電子透過膜によって塞がれた開口を有するとともに、密閉された内部空間を有する、容器を準備するステップをさらに備え、
前記電子透過膜の第1面が前記内部空間に面し、
前記摩擦を生じさせるステップでは、前記電子透過膜の第1面に潤滑油を塗布し、当該潤滑油が塗布されている領域に対し、前記押圧部材によって前記摩擦を生じさせる、請求項1から4のいずれかに記載の摩擦の観察方法。
further comprising providing a container having an opening blocked by the electron permeable membrane and having a sealed interior space;
the first surface of the electron permeable film faces the internal space;
5. In the step of generating friction, a lubricant is applied to the first surface of the electron permeable film, and the friction is generated by the pressing member against the region coated with the lubricant. The method for observing friction according to any one of .
電子顕微鏡によって摩擦を観察するための観察装置であって、
第1面及び当該第1面とは反対の第2面を有する電子透過膜と、
前記電子顕微鏡の電子ビームが前記電子透過膜の第2面に対して照射されるように、当該電子透過膜を支持する支持部と、
前記電子透過膜の第1面に対して接触する押圧部材と、
前記押圧部材を前記電子透過膜の第1面に対して押圧させるとともに、当該第1面に沿って移動させることで、摩擦を生じさせる、移動機構と、
を備え、
前記電子透過膜を透過した前記電子ビームが前記電子透過膜と前記押圧部材との界面に照射されることで、前記界面で発生した電子または電磁波を検出し、前記電子透過膜において生じている前記摩擦を前記電子顕微鏡で観察するように構成されている、摩擦の観察装置。
An observation device for observing friction with an electron microscope,
an electron permeable film having a first surface and a second surface opposite to the first surface;
a support for supporting the electron-transmitting film so that the second surface of the electron-transmitting film is irradiated with the electron beam of the electron microscope;
a pressing member in contact with the first surface of the electron permeable film;
a moving mechanism that causes friction by pressing the pressing member against the first surface of the electron permeable film and moving the pressing member along the first surface;
with
By irradiating the interface between the electron permeable film and the pressing member with the electron beam that has passed through the electron permeable film, the electrons or electromagnetic waves generated at the interface are detected, and the electron beam generated in the electron permeable film is detected. A friction observation device configured to observe friction with the electron microscope.
前記電子透過膜の厚みが、1~200nmである、請求項6に記載の摩擦の観察装置。 7. The friction observation device according to claim 6, wherein the thickness of said electron permeable film is 1 to 200 nm. 前記電子透過膜は、Si34,SiO2,SiC,Si,DLC,アモルファスカーボン、グラフェン、または酸化グラフェンにより形成されている、請求項6または7に記載の摩擦の観察装置。 8. The friction observation device according to claim 6 , wherein said electron transparent film is made of Si3N4 , SiO2 , SiC, Si, DLC, amorphous carbon, graphene, or graphene oxide. 前記押圧部材が曲面を有し、当該曲面が前記電子透過膜に押圧される、請求項6から8のいずれかに記載の摩擦の観察装置。 9. The friction observation device according to claim 6, wherein said pressing member has a curved surface, and said curved surface is pressed against said electron permeable film. 前記支持部は、開口を有し、密閉された内部空間を有する容器を備えており、
前記電子透過膜の第1面が前記内部空間に面するように、当該電子透過膜によって前記開口が塞がれ、
前記電子透過膜の第1面に潤滑油が塗布され、当該潤滑油が塗布されている領域に対し、前記押圧部材によって前記摩擦が生じるように構成されている、請求項6から9のいずれかに記載の摩擦の観察装置。
The support includes a container having an opening and a closed internal space,
the opening is closed by the electron permeable film such that the first surface of the electron permeable film faces the internal space;
10. The structure according to any one of claims 6 to 9, wherein a lubricating oil is applied to the first surface of the electron permeable film, and the friction is generated by the pressing member against the region to which the lubricating oil is applied. The friction observation device according to .
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