SPMシミュレータ　代表的な計算例　最初の画面

SPMシミュレータ代表的な計算例

Sample case for Scanning Probe Microscope Simulator

このホームページは、SPMシミュレータの　代表的な計算例を掲載することを目的としています。

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以下の項目をクリックすると各ソルバー代表事例先頭にジャンプします。

実験データ画像処理プロセッサ(Analyzer)

高速相互予測AFMシミュレータ(GeoAFM)

連続弾性体AFMシミュレータ(FemAFM)

液中ソフトマテリアルAFMシミュレータ(LiqAFM)

ｍａｃｒｏＫＰＦＭシミュレータ(macroKPFM)

構造最適化AFM像シミュレータ(CG)

分子動力学AFM像シミュレータ(MD)

量子力学的SPM像シミュレータ(DFTB)

モデリングツール(SetModel)

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実験データ画像処理プロセッサ(Analyzer)

「実験データ画像処理プロセッサ」には、様々な画像処理機能が用意されています。

以下の項目をクリックするとジャンプします。

実験データの読み込み、基板面の傾き補正、および、立体表示機能

●実験データの読み込み、基板面の傾き補正、および、立体表示機能

各メーカーのSPM実験装置から出力されたバイナリ形式の生の実験データを読み込み、基板面の傾斜を補正し、画像を立体表示します。

RHK Technology Inc.のsm4形式のSPM実験データを読み込む
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
RHK Technology Inc.のsm4形式のSPM実験データを読み込む

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Agilent Technologies (Molecular Imaging)のstp形式のSPM実験データを読み込む(その1)
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Agilent Technologies (Molecular Imaging)のstp形式のSPM実験データを読み込む(その2)
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Asylum Researchのibw形式のSPM実験データを読み込む
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Omicronのpar形式のSPM実験データを読み込む(その1)
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Omicronのpar形式のSPM実験データを読み込む(その2)
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Omicronのpar形式のSPM実験データを読み込む(その3)
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●画像のフーリエ解析

SPM実験画像データをフーリエ解析し、特定の周波数成分を強調した図に変換します。

SPM実験データ画像をフーリエ解析することにより高周波を強調した画像に変換する
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
SPM実験データ画像をフーリエ解析することにより低周波を強調した画像に変換する
キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●画像の高解像度化

SPM実験画像データをフーリエ解析し、特定の周波数成分を強調した図に変換します。

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●ニューラルネットワーク学習法による像補正

ニューラルネットにより探針の描くSPM画像の特徴を学習し、この学習データを元に、探針によって生じたSPM画像のアーティファクトを除去します。

理想的な探針によるコラーゲン分子のAFM像と、先端が二股になった不完全な探針によるコラーゲン分子のAFM像を元にして、ニューラルネットワーク学習を行い、先端が二股になった不完全な探針によるポリマー高分子AFM像のアーティファクトを除去する

キャプチャー動画「操作の様子(前半)」
キャプチャー動画「操作の様子(後半)」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●探針形状推定と探針影響除去

Blind Tip Reconstruction Methodにより、SPM実験データ画像から探針形状を推定し、この探針形状に関する情報を使って、オリジナルのSPM実験データ画像からアーティファクトを除去します。

先端が二股になった不完全な探針による人工的な立体構造のAFM像を元にして、探針形状推定を行い、オリジナルAFM像から探針によって生じたアーティファクトを除去する

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
SPM実験画像を元にして、探針形状推定を行い、オリジナルSPM像から探針によって生じたアーティファクトを除去する

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●画像の二値化

閾値を指定して、SPMデータ画像を白黒二値化します。

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●コントラスト調整機能

ガンマ補正により、SPMデータ画像に対してコントラスト調整を行います。

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●エッジ抽出機能

Sobelフィルタにより、SPMデータ画像に対してエッジ抽出できます。

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●ノイズ除去機能

メディアンフィルタ処理により、SPMデータ画像に対してノイズ除去できます。

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書
 設定・出力ファイル(Zip)

●断面図の表示

SPMデータ画像上に２点を指定して、その2点を結ぶ線分での断面図を表示します。

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル

●3点で指定される角度の計測

SPMデータ画像上において、3点A, B, Cを指定することにより、線分AB、線分BCの長さ、∠ABCの角度を測定します。

Si(111)-(7×7)DAS構造のSPM実験画像上に、三点A, B, Cを指定して、線分AB、線分BCの長さ、および∠ABCを測定する

キャプチャー動画「操作の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

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高速相互予測AFMシミュレータ(GeoAFM)

「高速相互予測AFMシミュレータ」には、以下の三つのモードが用意されています。

以下の項目をクリックするとジャンプします。

探針形状データ、試料表面形状データから、測定AFM像データを求めるモード

探針形状データ、測定AFM像データから、試料表面形状データを求めるモード

試料表面形状データ、測定AFM像データから、探針形状データを求めるモード

●探針形状データ、試料表面形状データから、測定AFM像データを求めるモード

ピラミッド型探針を使用した、HOPG(HighlyOriented Pyrolytic Graphite：高配向熱分解黒鉛)上に配置されたラクトン系高分子量ポリマー(CLG：εカプロラクトン・(L)ラクチド・グリコリド共重合体)のAFM像を、シミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
先端が二股になっている不完全な探針を使って、HOPG(HighlyOriented Pyrolytic Graphite：高配向熱分解黒鉛)上に配置されたラクトン系高分子量ポリマー(CLG：εカプロラクトン・(L)ラクチド・グリコリド共重合体)のAFM像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Cone型探針を使って、GroEL(シャペロニン)のAFM像をシミュレーションによって求めたものです。(シャペロニンは、縦140[Å]、横140[Å]、高さ200[Å]の籠のような形をした高分子です。AFM画像によって、籠の上部の穴を再現します。)

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
先端が二股になっている不完全な探針を使って、GroEL(シャペロニン)のAFM像をシミュレーションによって求めたものです。(シャペロニンは、縦140[Å]、横140[Å]、高さ200[Å]の籠のような形をした高分子です。AFM画像によって、籠の上部の穴を再現します。)

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
ピラミッド型探針を使用した、Si(111)-(7×7)DAS構造のAFM像を、シミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●探針形状データ、測定AFM像データから、試料表面形状データを求めるモード

先端が二股になっている不完全な探針を使って得られた、HOPG(HighlyOriented Pyrolytic Graphite：高配向熱分解黒鉛)上に配置されたラクトン系高分子量ポリマー(CLG：εカプロラクトン・(L)ラクチド・グリコリド共重合体)のAFM像から、アーティファクトを除去した試料画像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●試料表面形状データ、測定AFM像データから、探針形状データを求めるモード

先端が二股になっている不完全な探針を使って得られた、HOPG(HighlyOriented Pyrolytic Graphite：高配向熱分解黒鉛)上に配置されたラクトン系高分子量ポリマー(CLG：εカプロラクトン・(L)ラクチド・グリコリド共重合体)のAFM像、および、分子構造データから得られる試料画像データから、探針形状画像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
先端が二股になっている不完全な探針を使って得られた、GroEL(シャペロニン)のAFM像、および、分子構造データから得られる試料画像データから、探針形状画像をシミュレーションによって求めたものです。(シャペロニンは、縦140[Å]、横140[Å]、高さ200[Å]の籠のような形をした高分子です。)

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Si(111)-(7×7)DAS構造のAFM像、および、結晶原子構造データから得られる試料画像データから、探針形状画像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目の入力、および、計算の様子」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

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連続弾性体AFMシミュレータ(FemAFM)

「連続弾性体AFMシミュレータ」には、以下の三つのモードが用意されています。

以下の項目をクリックするとジャンプします。

ノンコンタクトモード
カンチレバー先端の探針が、試料表面から数Å離れた状態で原子間に働く相互作用を測定しつつ、試料表面を走査する状況に対応しています。

周波数シフト像モード
カンチレバーを外力によって一定の周波数で振動させながら、非接触で試料表面に近付け、探針-試料間の相互作用により生じる周波数シフトの分布画像を求める状況に対応しています。

粘弾性接触解析モード
試料表面の一点上において、外力によってカンチレバーを一定の周波数で振動させ、探針が試料に接触し、試料内部に押し込まれてから、引き戻されて離脱する直前までの様子を再現します。

DLVO 理論解析モード
ファンデルワールス力と、電気二重層による斥力の、二種類の相互作用を考慮して、AFM 像をシミュレートします。

●ノンコンタクトモード

HOPG(HighlyOriented Pyrolytic Graphite：高配向熱分解黒鉛)上に配置されたラクトン系高分子量ポリマー(CLG：εカプロラクトン・(L)ラクチド・グリコリド共重合体)のAFM像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
DNA(Self-assembled Three-Dimensional DNA)のAFM像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Collagen(Collagen alpha-1(III) chain)のAFM像をシミュレーションによって求めたもの。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Collagen(COLLAGEN ALPHA 1)のAFM像をシミュレーションによって求めたもの。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●周波数シフト像モード

Si(001)表面の周波数シフトAFM像をシミュレーションによって求めたものです。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
HOPG(HighlyOriented Pyrolytic Graphite：高配向熱分解黒鉛)上に配置されたラクトン系高分子量ポリマー(CLG：εカプロラクトン・(L)ラクチド・グリコリド共重合体)の周波数シフトAFM像をシミュレーションによって求めたもの。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Collagen(Collagen alpha-1(III) chain)の周波数シフトAFM像をシミュレーションによって求めたもの。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
Collagen(COLLAGEN ALPHA 1)の周波数シフトAFM像をシミュレーションによって求めたもの。

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「結果の表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●粘弾性接触解析モード

粘弾性のあるSi(001)表面に探針が凝着する際の、探針の垂直方向の変位、および、探針の感じる外力の時間変化をシミュレーションによって求めたもの。(ばね定数が小さい場合)
キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「Excelファイルからのグラフの表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)
粘弾性のあるSi(001)表面に探針が凝着する際の、探針の垂直方向の変位、および、探針の感じる外力の時間変化をシミュレーションによって求めたもの。(ばね定数が大きい場合)

キャプチャー動画「設定項目を入力して、計算を始めるまで」
キャプチャー動画「Excelファイルからのグラフの表示」
計算手順書(Excel)
設定・出力ファイル(Zip)

●DLVO 理論解析モード

酸化シリコン基板上に付着している分極した水分子の AFM 画像予測
DLVO 理論とは、Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek 理論の略で、電解溶液中に形成される電気二重層の相互作用を記述する理論です。DLVO 理論では、探針・試料表面には負イオンが付着し、マイナスに帯電しているとします。探針・試料は、正・負の両方のイオンが溶け込んだ電解溶液中にあるとします。
計算モード識別番号： [FemAFM_DLVO_Inorganic_001]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\FEM\FemAFM_DLVO\
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
酸化シリコン基板上に付着している分極した水分子の AFM 画像予測（チュートリアルへ）

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液中ソフトマテリアルAFMシミュレータ(LiqAFM)

「液中ソフトマテリアルAFMシミュレータ」には、以下の三つのモードが用意されています。

以下の項目をクリックするとジャンプします。

パラメータ・スキャンモード (Parameter Scan (Resonance Curve))
カンチレバーの共鳴曲線を求め、共振周波数を調べます。あらかじめ定められた範囲内において一定間隔で周波数を取り出し、それら各周波数でカンチレバーの根元を外力により励振させ、カンチレバーの動きの時間発展を調べます。最終的には、、横軸に周波数、縦軸に対応する周波数成分の振幅とした共鳴曲線を求めます。この曲線から、共振周波数を推定できます。

非粘弾性試料解析モード (Point oscillation, Viscoelasticity off)
試料表面上の一点において、カンチレバーの根元を外力によって一定の周波数で振動させ、その時間発展を計算します。この際、試料は粘弾性の性質を持っておらず、探針が試料し接触しても凝着力が生じないと仮定します。

粘弾性接触解析モード (Point oscillation, Viscoelasticity on)
試料表面の一点上において、カンチレバーの根元を外力によって一定の周波数で振動させ、探針が試料に接触し、試料内部に押し込まれてから、引き戻されて離脱する直前までの様子を再現します。

タッピング機能モード
タッピング機能では、探針の付いたカンチレバーを一定の周期・振幅で振動させ、試料表面を走査します。探針が試料表面から離れているときはファンデルワールス力が働くと仮定します。探針が試料表面に接触しているときは、系はJohnson-Kendall-Roberts (JKR)理論によって記述されると仮定します。

タッピング機能による逆問題モード
周波数シフト、位相シフトの値が観測値として与えられているとして、、それらの値を再現するヤング率、表面張力を求める。

●タッピング機能モード

計算モード識別番号： [LiqAFM_Tapping_Polymer_001b]
インストールフォルダ\SampleProject\LIQLiqAFM_Tapping\LiqAFM_Tapping_Polymer_001\
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
タッピング機能による周波数シフト・位相シフト AFM 像シミュレーション（チュートリアルへ）

●タッピング機能による逆問題モード

（global_mode）
計算モード識別番号： [LiqAFM_TappingInverse_Polymer_002]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\LIQ\LiqAFM_TappingInverse
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
タッピング機能による周波数シフト・位相シフト AFM 像シミュレーション（チュートリアルへ）
（local_mode）
計算モード識別番号： [LiqAFM_TappingInverse_Polymer_005]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\LIQ\LiqAFM_TappingInverse\
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
タッピング機能による周波数シフト・位相シフト AFM 像シミュレーション（チュートリアルへ）

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ｍａｃｒｏＫＰＦＭシミュレータ(macroKPFM)

「ｍａｃｒｏＫＰＦＭシミュレータ」には、以下の六つのモードが用意されています。

以下の項目をクリックするとジャンプします。

macroKPFM_Forceモード

macroKPFM_LCPDモード

macroKPFM_DLVO_Forceモード

macroKPFM_DLVO_LCPDモード

macroKPFM_DLVO_vdW_Forceモード

macroKPFM_DLVO_vdW_LCPDモード

●macroKPFM_Forceモード

●macroKPFM_LCPDモード

帯電した球体の LCPD 像シミュレーション

帯電した球体の LCPD(Local Contact Potential Difference、局所接触電位差)像を macroKPFM シミュレータで求める方法
計算モード識別番号： [macroKPFM_LCPD_Inorganic_005]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\macroKPFM\macroKPFM_LCPD
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
帯電した球体の LCPD 像シミュレーション（チュートリアルへ）
帯電したミオシン分子の LCPD 像シミュレーション

均一な表面電荷分布によって帯電したミオシン分子の LCPD(LocalContact Potential Difference、局所接触電位差)像を macroKPFMシミュレータで求める方法
計算モード識別番号： [macroKPFM_LCPD_Polymer_002]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\macroKPFM\macroKPFM_LCPD
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
帯電したミオシン分子の LCPD 像シミュレーション（チュートリアルへ）

●macroKPFM_DLVO_Forceモード

●macroKPFM_DLVO_LCPDモード

DLVO 理論に基づいた、有機材料基板上に 12 個の電荷を置いた場合の LCPD 像シミュレーション

均一な表面電荷分布によって帯電したミオシン分子の LCPD(LocalContact Potential Difference、局所接触電位差)像を macroKPFMシミュレータで求める方法
計算モード識別番号： [macroKPFM_DLVO_LCPD_Polymer_001]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\macroKPFM\macroKPFM_DLVO_LCPD
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
DLVO 理論に基づいた、有機材料基板上に 12 個の電荷を置いた場合の LCPD 像シミュレーション（チュートリアルへ）

●macroKPFM_DLVO_vdW_Forceモード

DLVO 理論およびファンデルワールス力を考慮した、無機材料基板上に 12 個の電荷を置いた場合の、探針が感じる力の像

電解質溶液中に置かれた無機材料基板の上に、12個の正負の電荷が置かれた場合の、探針が感じる力の像計算モード識別番号： [macroKPFM_DLVO_vdW_Force_Inorganic_002]
保管場所：インストールフォルダ\SampleProject\macroKPFM\macroKPFM_DLVO_vdW_Force
(保管場所：インストールフォルダは、SPMsimulator がインストールされているフォルダです)
DLVO 理論およびファンデルワールス力を考慮した、無機材料基板上に 12 個の電荷を置いた場合の、探針が感じる力の像（チュートリアルへ）

●macroKPFM_DLVO_vdW_LCPDモード

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構造最適化AFM像シミュレータ(CG)

「構造最適化AFM像シミュレータ」には、以下の五つのモードが用意されています。

以下の項目をクリックするとジャンプします。

高さ一定モード
探針を高さ一定で平面上を走査し、探針に作用する力を計算します。

力一定モード
平面上の各位置において、探針に作用する力が設定した値と近くなる探針高さを求めます。（水中計算は対応していません。）

高さ一定・ノンコンタクトモード
探針を振動させながら高さ一定で平面上を走査し、探針に作用する力を計算します。周波数シフト像を得ることができます。

フォースカーブ測定モード
あるxy位置で探針を試料に近づけ、探針に作用する力を計算します。

力最小モード
平面上の各位置において、探針に作用する力の値が最小になる探針高さを求めます。（水中計算は対応していません。）

「構造最適化AFM像シミュレータ」では、探針を試料に近づけることによる試料分子の変形を考慮したシミュレーションが可能です。分子内部のエネルギーが最小になるような原子配置を探索することにより、安定な分子構造を求めることができます。
「構造最適化AFM像シミュレータ」は、真空中での計算だけでなく、RISM法を用いて水中での計算も扱うことができます。