JP2003004619A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡

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JP2003004619A JP2001192149A JP2001192149A JP2003004619A JP 2003004619 A JP2003004619 A JP 2003004619A JP 2001192149 A JP2001192149 A JP 2001192149A JP 2001192149 A JP2001192149 A JP 2001192149A JP 2003004619 A JP2003004619 A JP 2003004619A
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浩貴 細井
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 種々の物性測定が可能であるとともに、生化
学分野など種々の分野に適用することのできる新規な構
成の走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 本発明の走査型プローブ顕微鏡における
探針２の先端部分に、伝導性のアームチェア型結晶構造
を有するカーボンナノチューブ３、又は先端部分が所定
の修飾分子で化学的に修飾されたカーボンナノチューブ
３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡は、物質表面の状
態を高空間分解能で測定することができ、さらにはナノ
メートルのオーダから原子レベルのオーダの精度で、原
子又は分子をマニュピュレートすることができる。した
がって、ナノテクノロジー技術における重要な装置技術
の地位を占めている。
【０００３】しかしながら、従来の走査型プローブ顕微
鏡では物質表面のアスペクト比などに応じた形状などを
測定することができるのみで、他の物性、例えば、物質
の磁気的構造などを測定することはできない。また、適
用できる分野も自ずから限定されてしまい、生化学分野
などにおいて利用することのできる走査型プローブ顕微
鏡を提供することができないでいた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、種々の物性
測定が可能であるとともに、生化学分野など種々の分野
に適用することのできる新規な構成の走査型プローブ顕
微鏡を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明の走査型プローブ顕微鏡（第１の走査型プローブ
顕微鏡）は、カンチレバーと、このカンチレバー上に形
成された探針と、この探針の先端部分に形成された、ア
ームチェア型の結晶構造を有し、伝導性を呈するカーボ
ンナノチューブとを具えることを特徴とする。
【０００６】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡（第
２の走査型プローブ顕微鏡）は、カンチレバーと、この
カンチレバー上に形成された探針と、この探針の先端部
分に形成されたカーボンナノチューブとを具え、前記カ
ーボンナノチューブの先端部分が化学的に修飾され、前
記カーボンナノチューブの前記先端における炭素原子
が、修飾分子で置換されていることを特徴とする。
【０００７】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、従来
の、例えばＳｉなどからなる探針の先端部においてカー
ボンナノチューブを有しており、これを実際のプローブ
として使用するものである。カーボンナノチューブは
０．４〜５０ｎｍの直径を有しているため、本来的に微
少構造の測定を可能ならしめることができる。
【０００８】そして、本発明の第１の走査型プローブ顕
微鏡によれば、カーボンナノチューブはアームチェア型
の結晶構造を有する。アームチェア型結晶構造は、図１
に示すようなものであり、このようなアームチェア型の
結晶構造を有するカーボンナノチューブは、金属的な性
質を帯びるようになって伝導性を呈するようになる。
【０００９】したがって、このようなカーボンナノチュ
ーブの量子伝導性を利用した物性測定を行うことができ
る。例えば、Ｆｅなどの強磁性体金属や、強磁場中でス
ピン分裂されたＡｌなどの超伝導体、さらにはＧａＡｓ
などの光励起した半導体からなるスピン偏極電子源など
を接続する。そして、このスピン偏極電子源などから所
定の磁性試料に対して電子注入を行うとともに、前記磁
性試料からのトンネル電流や弾道電子放出電流を、前記
カーボンナノチューブを介して検出することにより、前
記試料の磁気構造やスピン偏極度などの空間分布を測定
することができるようになる。
【００１０】また、本発明の第２の走査型プローブ顕微
鏡によれば、カーボンナノチューブの先端部分が所定の
修飾分子で置換されている。したがって、この修飾分子
を適宜に選択することによって、生化学の分野など種々
の分野に対して用いることのできる走査型プローブ顕微
鏡を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡の主要部分を概略的に示す側面図であり、
図３は、図２に示す走査型プローブ顕微鏡を下側から見
た場合の下平面図である。図２及び図３から明らかなよ
うに、本発明の走査型プローブ顕微鏡においては、カン
チレバー１と、このカンチレバー１上に形成されたＳｉ
などからなる探針２と、この探針２の先端部分に形成さ
れたカーボンナノチューブ３とを具えている。
【００１２】本発明の第１の走査型プローブ顕微鏡にお
いては、カーボンナノチューブ３は図１に示すようなア
ームチェア型の結晶構造を有することが必要である。こ
れによって、カーボンナノチューブ３の量子伝導性を利
用した物性測定が可能となる。
【００１３】図４は、図２及び図３に示すカーボンナノ
チューブにスピン偏極電子線源を取り付けた状態を示す
図である。図４から明らかなように、カーボンナノチュ
ーブ３の後端部分には、スピン偏極電子線源５が取り付
けられている。スピン偏極電子線源５はＦｅなどの強磁
性体金属５から構成されており、さらに強磁性体５の外
周部においては、励磁用コイル７が設けられている。
【００１４】そして、励磁用コイル７に所定の電流を流
すことによって、強磁性体金属５を磁化させ、カーボン
ナノチューブ３に対向して配置された所定の磁性試料Ｓ
に対してスピン電子を注入する。次いで、磁性試料Ｓか
らトンネル電流や弾道電子放出電流などを検出すること
により、磁性試料Ｓの磁気抵抗を計測し、結果として、
磁性試料Ｓの表面磁気構造やスピン偏極度の空間分布を
測定することができる。
【００１５】また、励磁用コイル７に流す電流の向きを
反転させることで、強磁性体金属５の磁化の向きを反転
することができるため、スピンの向きの異なるスピン電
子を注入することもできる。
【００１６】なお、スピン偏極電子線源５は、上述した
強磁性体金属の他に、強磁場中でスピン分裂されたＡｌ
などの超伝導体、さらにはＧａＡｓなどの光励起した半
導体などから構成することができる。
【００１７】本発明の第２の走査型プローブ顕微鏡にお
いては、図２及び図３に示すカーボンナノチューブ３の
先端部分が化学的に修飾され、前記先端部分の炭素原子
が所定の修飾分子で置換されていることが必要である。
この修飾分子は測定しようとする試料及び物性に応じて
任意に選択することができる。したがって、この修飾分
子を適宜に選択することにより、従来適用されることが
少なかった生化学分野などの種々の分野に対して、本発
明の走査型プローブ顕微鏡を適用することができるよう
になる。
【００１８】なお、本発明の第２の走査型プローブ顕微
鏡におけるカーボンナノチューブは、必ずしも伝導性を
有することは要求されないので、アームチェア型の結晶
構造の他、ジグザク型の結晶構造、さらにはキラル型の
結晶構造を有することができる。
【００１９】図５は、カーボンナノチューブの先端部分
を遷移金属錯体で修飾した状態を結晶構造学的に示した
図である。図５から明らかなように、カーボンナノチュ
ーブの先端部分を遷移金属錯体で修飾することにより、
カーボンナノチューブを構成する炭素原子Ａに対して、
その先端部分が遷移金属錯体分子Ｂで置換されているこ
とが分かる。
【００２０】したがって、０．４〜５０ｎｍの直径を有
するカーボンナノチューブの微細な構造を利用するとと
もに、遷移金属錯体分子Ｂの特性を利用することによっ
て、例えば、磁性試料との磁気双極子相互作用や交換相
互作用に基づく相互作用力などを検出することによっ
て、前記磁性試料表面の磁気構造を原子レベルで測定す
ることができる。
【００２１】なお、上述した遷移金属錯体としては、Ｆ
ｅフタロシアン、Ｎｉフタロシアン、Ｃｏフタロシア
ン、Ｆｅポルフィリン、Ｎｉポルフィリン、コバルトポ
ルフィリン、Ｆｅ−ＴＭＨＤ及びＮｉ−ＴＭＨＤなどを
用いることができる。そして、入手のし易さ、及び修飾
の容易さなどから、特にはＦｅフタロシアンを用いるこ
とが好ましい。
【００２２】図６は、カーボンナノチューブの先端部分
をラジカル分子で修飾した状態を結晶構造学的に示した
図である。図６から明らかなように、この場合において
も、カーボンナノチューブの先端部分をラジカル分子で
修飾することにより、カーボンナノチューブを構成する
炭素原子Ａに対して、その先端部分がラジカル分子Ｃで
置換されていることが分かる。なお、「ラジカル分子」
とは、ラジカル種を有する分子を総称したものである。
【００２３】このようなラジカル分子で置換されたカー
ボンナノチューブを利用することにより、ラジカル分子
を構成するラジカル種の不対電子などを利用して、磁気
的な特性の測定が可能となる。したがって、このような
カーボンナノチューブを磁性試料の表面に近接させて、
この磁性試料との磁気双極子相互作用や交換相互作用に
基づく相互作用力などを検出することによって、前記磁
性試料表面の磁気構造を原子レベルで測定することがで
きる。
【００２４】また、前記ラジカル分子を構成するラジカ
ル種と試料との反応性を利用し、所定の物理量を検出す
ることによって、前記試料の所定の物性を測定すること
もできる。
【００２５】ラジカル分子としては、ＴＴＦ型テトララ
ジカルドナー分子、ニトロキシドラジカル類、及びＮ−
オキシルテトラメチルピペリジン誘導体、Ｎ−オキシル
ジメチルオキサゾリジン誘導体などを例示することがで
きる。そして、入手のし易さ、及び修飾の容易さなどか
ら、特にはＴＴＦ型テトララジカルドナー分子を用いる
ことが好ましい。
【００２６】また、カーボンナノチューブの先端部分を
所定の抗体分子で修飾し、置換することができる。この
場合において、前記抗体分子は所定の抗原分子に対して
強い抗体抗原反応を生ぜしめるため、この抗体抗原反応
を利用することによって、例えば生体内における抗原原
子の分布状態を測定することができる。例えば、前記抗
体抗原反応に基づく相互作用力などの物理量を検出する
ことによって、前記抗原原子の分布状態を測定すること
ができる。
【００２７】さらには、カーボンナノチューブの先端部
分をＤＮＡの構成分子であるグアニン分子又はアデニン
分子で修飾し、置換することができる。前記グアニン分
子及びアデニン分子は、それぞれＤＮＡを構成するシト
シン分子又はチミン分子と強く相互作用する。したがっ
て、かかる相互作用に基づく化学結合力などの物理量を
検出することにより、ＤＮＡ中におけるシトシン分子又
はチミン分子の分布状態を分子レベルのオーダで測定す
ることができる。
【００２８】また、逆に、カーボンナノチューブの先端
部分をＤＮＡの構成分子であるシトシン分子又はチミン
分子で修飾することもできる。この場合は、ＤＮＡを構
成するグアニン分子又はアデニン分子の分布状態を分子
レベルのオーダで測定することができる。
【００２９】さらに、カーボンナノチューブの先端部分
をＲＮＡの構成分子であるチミン分子又はウラシル分子
で修飾することができる。この場合は、ＲＮＡを構成す
る他方のウラシル分子又はチミン分子の分布状態を分子
レベルのオーダで測定することができる。
【００３０】図２及び図３に示す本発明の走査型プロー
ブ顕微鏡の主要部分は、以下に示すような手順に従って
作製する。最初に、Ｓｉなどから基板をＳＦ６などのエ
ッチングガスを用いてエッチング処理し、前記基板から
カンチレバー１及び探針２が一体的に形成する。次い
で、ＦｅイオンやＣｒイオンなどの金属イオンを含んだ
メタノール溶液触媒を探針２の先端部分にスピンコート
法などを用いて塗布する。次いで、一体化されたカンチ
レバー１及び探針２を加熱炉中に設置し、６００〜１２
００℃に加熱する。
【００３１】次いで、メタノール溶液触媒が塗布された
探針２の先端部分に、メタンガスを所定時間接触させる
と、探針２の側壁に沿って気相成長が生じ、伝導性のア
ームチェア型のカーボンナノチューブ３が形成される。
【００３２】なお、予め気相成長法やアーク放電法など
でカーボンナノチューブを作製しておき、これを電気泳
動法によってナイフエッジ状に配列させ、ＳＥＭなどで
観察しながら、探針２上に直接接着固定することもでき
る。カーボンナノチューブを接着固定させる際には、電
子ビーム蒸着法などを用い、前記カーボンナノチューブ
の端部を覆うようにして探針２上に炭素膜を被着させる
ことによって行う。
【００３３】また、本発明の第２の走査型プローブ顕微
鏡において、カーボンナノチューブの先端部分を化学的
に修飾して置換させるに際しては、前述したような修飾
分子を含んだ溶液又はガスを前記カーボンナノチューブ
の先端部分に接触させることによって行う。
【００３４】例えば、図５に示すように、カーボンナノ
チューブの先端部分を遷移金属錯体分子で修飾し、置換
する場合は、Ｆｅフタロシアンなどをエタノールなどの
有機溶媒などに含有させ、この有機溶媒を前記カーボン
ナノチューブの前記 先端部分に接触させることによっ
て修飾する。
【００３５】また、図６に示すように、カーボンナノチ
ューブの先端部分をラジカル分子で修飾し、置換する場
合は、ＴＴＦ型テトララジカルドナー分子などをエタノ
ールなどの有機溶剤に含有させ、この有機溶剤を前記カ
ーボンナノチューブの前記先端部分に接触させる。さら
に、抗体分子やグアニン分子、アデニン分子で修飾する
場合は、測定すべく試料の種類及び性質に応じた溶媒な
どが適宜に選択される。
【００３６】また、上述したような溶液やガスを用いる
ことなく、修飾分子を光ピンセットによってカーボンナ
ノチューブの先端部分にまで搬送し、そこで前記光など
を補助的に用いて化学反応を生ぜしめ、前記先端部分の
修飾を行うことができる。
【００３７】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であ
る。
【００３８】
【発明の効果】本発明の走査型プローブ顕微鏡によれ
ば、探針の先端部分に伝導性のアームチェア型結晶構造
を有するカーボンナノチューブ、又は先端部分が所定の
修飾分子で化学的に修飾されたカーボンナノチューブを
設けている。したがって、カーボンナノチューブの微細
な大きさと、このカーボンナノチューブの先端部分が有
する伝導性又は修飾分子の物理特性とに応じて、種々の
試料の種々の物性特性の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アームチェア型カーボンナノチューブの結晶
構造を概略的に示す図である。
【図２】 本発明の走査型プローブ顕微鏡の主要部分を
概略的に示す側面図である。
【図３】 図２に示す走査型プローブ顕微鏡の下側から
見た場合の下平面図である。
【図４】 本発明の第１の走査型プローブ顕微鏡の変形
例を概略的に示す図である。
【図５】 本発明の走査型プローブ顕微鏡におけるカー
ボンナノチューブの先端部分を、遷移金属錯体分子で修
飾した状態を概略的に示す図である。
【図６】 本発明の走査型プローブ顕微鏡におけるカー
ボンナノチューブの先端部分を、ラジカル分子で修飾し
た状態を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１ カンチレバー ２ 探針 ３ カーボンナノチューブ ５ スピン偏極電子線源 ６ 強磁性体金属 ７ 励磁用コイル Ｓ 磁性試料
フロントページの続き (72)発明者 加茂 直樹 北海道札幌市中央区南11条西21丁目２−23 −202 (72)発明者 細井 浩貴 北海道札幌市東区北28条東３丁目１−３ (72)発明者 澤村 誠 北海道札幌市中央区北１条西５丁目大通り ハイム612 Ｆターム(参考） 4H006 AA03 AB91

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カンチレバーと、このカンチレバー上に
    形成された探針と、この探針の先端部分に形成された、
    アームチェア型の結晶構造を有し、伝導性を呈するカー
    ボンナノチューブとを具えることを特徴とする、走査型
    プローブ顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記カーボンナノチューブに接続された
    スピン偏極電子源を具えることを特徴とする、請求項１
    に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  3. 【請求項３】 カンチレバーと、このカンチレバー上に
    形成された探針と、この探針の先端部分に形成されたカ
    ーボンナノチューブとを具え、前記カーボンナノチュー
    ブの先端部分が化学的に修飾され、前記カーボンナノチ
    ューブの前記先端における炭素原子が、修飾分子で置換
    されていることを特徴とする、走査型プローブ顕微鏡。
  4. 【請求項４】 前記修飾分子は、遷移金属を含む金属錯
    体分子であることを特徴とする、請求項３に記載の走査
    型プローブ顕微鏡。
  5. 【請求項５】 前記金属錯体分子は、Ｆｅフタロシニア
    ンであることを特徴とする、請求項４に記載の走査型プ
    ローブ顕微鏡。
  6. 【請求項６】 前記修飾分子は、ラジカル分子であるこ
    とを特徴とする、請求項３に記載の走査型プローブ顕微
    鏡。
  7. 【請求項７】 前記ラジカル分子は、ＴＴＦ型テトララ
    ジカルドナー分子であることを特徴とする、請求項６に
    記載の走査型プローブ顕微鏡。
  8. 【請求項８】 前記修飾分子は、抗体分子であることを
    特徴とする、請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡。
  9. 【請求項９】 前記修飾分子は、グアニン分子であるこ
    とを特徴とする、請求項３に記載の走査型プローブ顕微
    鏡。
  10. 【請求項１０】 前記修飾分子は、アデニン分子である
    ことを特徴とする、請求項３に記載の走査型プロ−ブ顕
    微鏡。
  11. 【請求項１１】 前記修飾分子は、チミン分子であるこ
    とを特徴とする、請求項３に記載の走査型プローブ顕微
    鏡。
  12. 【請求項１２】 前記修飾分子は、シトシン分子である
    ことを特徴とする、請求項３に記載の走査型プローブ顕
    微鏡。
  13. 【請求項１３】 前記修飾分子は、ウラシル分子である
    ことを特徴とする、請求項３に記載の走査型プローブ顕
    微鏡。
  14. 【請求項１４】 前記カーボンナノチューブは、前記探
    針の前記先端部分に、金属イオンを含有したメタノール
    溶液触媒を塗布した後、前記探針の前記先端部分にメタ
    ンガスを接触させ、熱ＣＶＤ法によって形成したことを
    特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一に記載の走査
    型プローブ顕微鏡。
  15. 【請求項１５】 前記カーボンナノチューブの前記先端
    部分の修飾は、前記カーボンナノチューブの前記先端部
    分を前記修飾分子を含む溶液又はガスに暴露させて行う
    ことを特徴とする、請求項２〜１４のいずれか一に記載
    の走査型プローブ顕微鏡の作製方法。
  16. 【請求項１６】 前記カーボンナノチューブの前記先端
    部分の修飾は、前記カーボンナノチューブの前記先端部
    分に、前記修飾分子を光ピンセットを用いて搬送し、所
    定の化学反応を通じて行うことを特徴とする、請求項２
    〜１４のいずれか一に記載の走査型プローブ顕微鏡の作
    製方法。
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