JP2003207437A - 光ファイバープローブ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
光ファイバープローブ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 蛍光観察が可能でありＳＮＯＭの感度が高い
ＳＮＯＭ／ＳＴＭ、及び局所光照射を可能にし熱膨張の
影響を軽減した照射ＳＴＭを提供する。 【解決手段】 ＳＮＯＭで用いる開口型光ファイバープ
ローブ１１の開口部３３にＩＴＯ薄膜３５をコーティン
グし、このＩＴＯ薄膜３５をＳＴＭ用の電極とする。
ＳＮＯＭ／ＳＴＭ、及び局所光照射を可能にし熱膨張の
影響を軽減した照射ＳＴＭを提供する。 【解決手段】 ＳＮＯＭで用いる開口型光ファイバープ
ローブ１１の開口部３３にＩＴＯ薄膜３５をコーティン
グし、このＩＴＯ薄膜３５をＳＴＭ用の電極とする。
Description
【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、特に近接場光学顕微鏡と走査型トンネル顕微鏡と
を複合させた走査型プローブ顕微鏡、あるいは光励起走
査型トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に関す
る。
微鏡、特に近接場光学顕微鏡と走査型トンネル顕微鏡と
を複合させた走査型プローブ顕微鏡、あるいは光励起走
査型トンネル顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】試料表面の構造や性質を原子レベルある
いは分子レベルで測定する手段として、走査型プローブ
顕微鏡がある。走査型プローブ顕微鏡としては、プロー
ブと試料との間に流れるトンネル電流を利用して表面構
造を画像化する走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning
Tunneling Microscope）や、プローブと試料との間に
作用する原子間力を用いて画像化する原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が良く知られて
いる。また、磁性材料などの磁力分布を観察できる磁気
力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）、プ
ローブと試料表面の間の静電容量の変化を検出し画像化
する走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ：ScanningCapacitanc
e Microscope）等も開発されている。
いは分子レベルで測定する手段として、走査型プローブ
顕微鏡がある。走査型プローブ顕微鏡としては、プロー
ブと試料との間に流れるトンネル電流を利用して表面構
造を画像化する走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning
Tunneling Microscope）や、プローブと試料との間に
作用する原子間力を用いて画像化する原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が良く知られて
いる。また、磁性材料などの磁力分布を観察できる磁気
力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）、プ
ローブと試料表面の間の静電容量の変化を検出し画像化
する走査型容量顕微鏡（ＳＣａＭ：ScanningCapacitanc
e Microscope）等も開発されている。
【０００３】こうした高分解能走査型プローブ顕微鏡の
一種に近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning Near-fi
eld Optical Microscope）がある。ＳＮＯＭにも種々の
方式があるが、典型的には、微細な光ファイバの先端を
除く周囲を金属コーティングしたプローブを試料表面に
近接させて近接場光を取り込むもので、従来の光学顕微
鏡の分解能は回折効果により波長の半分程度に制限され
るのに対して、ＳＮＯＭでは５０ｎｍ程度の高分解能が
得られる。ＳＮＯＭの分解能を規定する要因の一つは、
開口型プローブの開口サイズである。また、ＳＮＯＭの
空間分解能を原子・分子レベルに高めるためには、試料
−プローブ間距離を数ｎｍオーダーに制御する必要があ
る。
一種に近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning Near-fi
eld Optical Microscope）がある。ＳＮＯＭにも種々の
方式があるが、典型的には、微細な光ファイバの先端を
除く周囲を金属コーティングしたプローブを試料表面に
近接させて近接場光を取り込むもので、従来の光学顕微
鏡の分解能は回折効果により波長の半分程度に制限され
るのに対して、ＳＮＯＭでは５０ｎｍ程度の高分解能が
得られる。ＳＮＯＭの分解能を規定する要因の一つは、
開口型プローブの開口サイズである。また、ＳＮＯＭの
空間分解能を原子・分子レベルに高めるためには、試料
−プローブ間距離を数ｎｍオーダーに制御する必要があ
る。
【０００４】本発明者らは以前、ＳＮＯＭの分解能向上
を図るために、ＳＮＯＭとＳＴＭを複合した装置を開発
した（非特許文献１）。この複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭ
は、コア部が円錐形に突出した光ファイバーの先端部を
除いて白金を膜厚１００〜１５０ｎｍにコーティングし
た通常のＳＮＯＭプローブの先端開口部に膜厚２０〜３
０ｎｍの白金超薄膜をコーティングした金属二重コーテ
ィング光ファイバープローブを使用する。膜厚２０〜３
０ｎｍの白金超薄膜は、光に対して半透明であり、電気
伝導性を有する。この金属二重コーティング光ファイバ
ープローブは、近接場光を取り込む開口部表面も電気伝
導性を有するため、プローブの開口部最先端でＳＴＭ測
定が可能となる。開発した複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭは、
ＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定が可能であり、同時測定にお
いて得られるＳＮＯＭ像とＳＴＭ像には全くずれがな
い。また、ＳＴＭ定電流モードで試料−プローブ間距離
制御を行えば、プローブは試料表面から一定距離を保っ
て移動するため、試料−プローブ間距離を数ｎｍオーダ
ーに高精度制御することが可能である。
を図るために、ＳＮＯＭとＳＴＭを複合した装置を開発
した（非特許文献１）。この複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭ
は、コア部が円錐形に突出した光ファイバーの先端部を
除いて白金を膜厚１００〜１５０ｎｍにコーティングし
た通常のＳＮＯＭプローブの先端開口部に膜厚２０〜３
０ｎｍの白金超薄膜をコーティングした金属二重コーテ
ィング光ファイバープローブを使用する。膜厚２０〜３
０ｎｍの白金超薄膜は、光に対して半透明であり、電気
伝導性を有する。この金属二重コーティング光ファイバ
ープローブは、近接場光を取り込む開口部表面も電気伝
導性を有するため、プローブの開口部最先端でＳＴＭ測
定が可能となる。開発した複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭは、
ＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定が可能であり、同時測定にお
いて得られるＳＮＯＭ像とＳＴＭ像には全くずれがな
い。また、ＳＴＭ定電流モードで試料−プローブ間距離
制御を行えば、プローブは試料表面から一定距離を保っ
て移動するため、試料−プローブ間距離を数ｎｍオーダ
ーに高精度制御することが可能である。
【０００５】なお、初期のＳＮＯＭも、ＳＴＭによる距
離制御を行っていた（非特許文献２，３）。しかし、こ
の場合、開口部の周りの金属部位を電子トンネリングの
動作点とし、一方で開口部自身を光子の入射窓としてい
る原理に由来して、得られるＳＮＯＭ像とＳＴＭ像の間
には常に開口サイズ程度のずれが存在する。
離制御を行っていた（非特許文献２，３）。しかし、こ
の場合、開口部の周りの金属部位を電子トンネリングの
動作点とし、一方で開口部自身を光子の入射窓としてい
る原理に由来して、得られるＳＮＯＭ像とＳＴＭ像の間
には常に開口サイズ程度のずれが存在する。
【０００６】また、最近の走査型プローブ顕微鏡の応用
例として、光励起による構造、電子状態変化の検出が挙
げられる。普通この現象の解析には、金属プローブを用
いたＳＴＭと遠視野光学系を組み合わせた光照射ＳＴＭ
（Light-Illumination STM）と呼ばれる手法が用いられ
ている（非特許文献４，５）。光照射ＳＴＭでは、プロ
ーブ・試料部に側方から変調した光を導入し、トンネル
電流の変化を読み取る。
例として、光励起による構造、電子状態変化の検出が挙
げられる。普通この現象の解析には、金属プローブを用
いたＳＴＭと遠視野光学系を組み合わせた光照射ＳＴＭ
（Light-Illumination STM）と呼ばれる手法が用いられ
ている（非特許文献４，５）。光照射ＳＴＭでは、プロ
ーブ・試料部に側方から変調した光を導入し、トンネル
電流の変化を読み取る。
【０００７】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys., 38, 3949 (199
9)
9)
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett., 44, 651(1984)
【非特許文献３】J. Appl. Phys., 59, 3318(1986)
【非特許文献４】J. Appl. Phys., 82, 4153(1997)
【非特許文献５】Phys. Rev. Lett., 66, 1717(1991)
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前記した金属二重コー
ティング光ファイバープローブを使用する複合型ＳＮＯ
Ｍ／ＳＴＭは、試料−プローブ間距離を数ｎｍオーダー
に高精度制御することができるため１０ｎｍ程度の高分
解能を達成することができる。また、ＳＮＯＭ像とＳＴ
Ｍ像の場所の一致を図ることができ、光の情報と構造の
情報とを完全に一対一対応させることができる。
ティング光ファイバープローブを使用する複合型ＳＮＯ
Ｍ／ＳＴＭは、試料−プローブ間距離を数ｎｍオーダー
に高精度制御することができるため１０ｎｍ程度の高分
解能を達成することができる。また、ＳＮＯＭ像とＳＴ
Ｍ像の場所の一致を図ることができ、光の情報と構造の
情報とを完全に一対一対応させることができる。
【０００９】ところで、ＳＮＯＭの適用例として、蛍光
分子を励起して蛍光観察する場合がある。それは、例え
ば多機能光機能性分子の特性を単一分子レベルで測定す
る場合であり、ＳＮＯＭはこのような分子エレクトロニ
クス、分子フォトニクス等の分野における基礎研究のた
めのツールとして今後益々重要性が増すものと考えられ
る。しかし、金属二重コーティング光ファイバープロー
ブを使用する複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭは、蛍光観察に適
さないという問題がある。これは、光励起された蛍光分
子のエネルギーがトンネル電流検出のために１ｎｍ程度
の距離に近接して位置する金属（開口部表面を覆ってい
る白金超薄膜）にエネルギー移動してしまい、蛍光とし
て観測されないためと考えられる。
分子を励起して蛍光観察する場合がある。それは、例え
ば多機能光機能性分子の特性を単一分子レベルで測定す
る場合であり、ＳＮＯＭはこのような分子エレクトロニ
クス、分子フォトニクス等の分野における基礎研究のた
めのツールとして今後益々重要性が増すものと考えられ
る。しかし、金属二重コーティング光ファイバープロー
ブを使用する複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭは、蛍光観察に適
さないという問題がある。これは、光励起された蛍光分
子のエネルギーがトンネル電流検出のために１ｎｍ程度
の距離に近接して位置する金属（開口部表面を覆ってい
る白金超薄膜）にエネルギー移動してしまい、蛍光とし
て観測されないためと考えられる。
【００１０】また、従来の金属二重コーティング光ファ
イバープローブを使用する複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭが有
するもう一つの問題点としてＳＮＯＭの感度が低いとい
うことがある。これは、近接場光を取り込む開口部表面
をＳＴＭの動作を可能にするため膜厚２０〜３０ｎｍの
白金超薄膜で覆ったことによる光透過率の低下に起因す
る。白金超薄膜によって光が吸収あるいは反射されるた
め、光検出感度は、開口型プローブの１０％以下になっ
ていた。
イバープローブを使用する複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭが有
するもう一つの問題点としてＳＮＯＭの感度が低いとい
うことがある。これは、近接場光を取り込む開口部表面
をＳＴＭの動作を可能にするため膜厚２０〜３０ｎｍの
白金超薄膜で覆ったことによる光透過率の低下に起因す
る。白金超薄膜によって光が吸収あるいは反射されるた
め、光検出感度は、開口型プローブの１０％以下になっ
ていた。
【００１１】また、従来の光照射ＳＴＭは、プローブ直
下の領域は果たして真に光励起されているのか（一応の
解釈として、ｎｍサイズのギャップ領域にしみ出した近
接場光励起と考えられている）という疑問に対して答え
を与えることが難しい。また技術的な問題として、光照
射に伴うプローブあるいは試料の熱膨張の影響は深刻で
ある。熱膨張によって生じるプローブ−試料間の距離の
変化はＳＴＭの高感度性ゆえに大きな電流変化として測
定されてしまい、実際に測定したい試料からの信号変化
を分離することは容易ではない。通常、光の変調を熱膨
張の影響が無視できるくらいに高速化するか、光強度を
落とすかの対処法がとられるが、変調周波数を上げると
遅い現象は観測できなくなり、強い光を照射しなければ
観測できない現象もあるため、これらによる制約は大き
い。高感度測定を目的として、金属プローブの表面プラ
ズモン励起による電場増強の効果を狙う研究例もある
が、表面プラズモンの励起には金属と光波長の間に特別
の関係が必要であり一般的な方法ではない。更に、遠視
野からの光照射の別の問題として、光入射角に対する実
験結果の強い依存性が報告されている。また、強いレー
ザー光を試料のかなり広い範囲に照射するため、有機材
料に対する測定では消光の問題がある。
下の領域は果たして真に光励起されているのか（一応の
解釈として、ｎｍサイズのギャップ領域にしみ出した近
接場光励起と考えられている）という疑問に対して答え
を与えることが難しい。また技術的な問題として、光照
射に伴うプローブあるいは試料の熱膨張の影響は深刻で
ある。熱膨張によって生じるプローブ−試料間の距離の
変化はＳＴＭの高感度性ゆえに大きな電流変化として測
定されてしまい、実際に測定したい試料からの信号変化
を分離することは容易ではない。通常、光の変調を熱膨
張の影響が無視できるくらいに高速化するか、光強度を
落とすかの対処法がとられるが、変調周波数を上げると
遅い現象は観測できなくなり、強い光を照射しなければ
観測できない現象もあるため、これらによる制約は大き
い。高感度測定を目的として、金属プローブの表面プラ
ズモン励起による電場増強の効果を狙う研究例もある
が、表面プラズモンの励起には金属と光波長の間に特別
の関係が必要であり一般的な方法ではない。更に、遠視
野からの光照射の別の問題として、光入射角に対する実
験結果の強い依存性が報告されている。また、強いレー
ザー光を試料のかなり広い範囲に照射するため、有機材
料に対する測定では消光の問題がある。
【００１２】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑み、蛍光観察が可能なＳＮＯＭ／ＳＴＭを提供するこ
とを目的とする。また、本発明は、ＳＮＯＭの感度が高
いＳＮＯＭ／ＳＴＭを提供することを目的とする。
鑑み、蛍光観察が可能なＳＮＯＭ／ＳＴＭを提供するこ
とを目的とする。また、本発明は、ＳＮＯＭの感度が高
いＳＮＯＭ／ＳＴＭを提供することを目的とする。
【００１３】また、本発明は、近接場の概念を用いて局
所光照射を可能にし、熱膨張の影響を軽減した新しい光
照射ＳＴＭを提供することを目的とする。
所光照射を可能にし、熱膨張の影響を軽減した新しい光
照射ＳＴＭを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明では、開口型光フ
ァイバープローブの開口部に白金超薄膜に代えてＩＴＯ
（Indium Tin Oxide）薄膜をコーティングした光ファイ
バープローブを用いることで前記目的を達成する。
ァイバープローブの開口部に白金超薄膜に代えてＩＴＯ
（Indium Tin Oxide）薄膜をコーティングした光ファイ
バープローブを用いることで前記目的を達成する。
【００１５】すなわち、走査型プローブ顕微鏡に用いら
れる本発明の光ファイバープローブは、円錐状に突出し
た先端部を有する光ファイバーと、前記先端部の最先端
領域以外の領域からの光入出射を防止する遮光膜と、最
先端領域に被覆されたＩＴＯ薄膜とを備えることを特徴
とする。
れる本発明の光ファイバープローブは、円錐状に突出し
た先端部を有する光ファイバーと、前記先端部の最先端
領域以外の領域からの光入出射を防止する遮光膜と、最
先端領域に被覆されたＩＴＯ薄膜とを備えることを特徴
とする。
【００１６】ＩＴＯ薄膜は可視光領域での透過率が８０
〜９０％であり光吸収が少ないため、可視光領域での光
検出感度が約１桁向上する。また、ＩＴＯ薄膜の抵抗率
は１〜１０×１０-6Ωｍであり、金属に比較して抵抗率
は増加するが、トンネル抵抗に比較すれば十分小さいの
で金属二重コーティングプローブと比較してもＳＴＭと
しての性能はほとんど低下しない。
〜９０％であり光吸収が少ないため、可視光領域での光
検出感度が約１桁向上する。また、ＩＴＯ薄膜の抵抗率
は１〜１０×１０-6Ωｍであり、金属に比較して抵抗率
は増加するが、トンネル抵抗に比較すれば十分小さいの
で金属二重コーティングプローブと比較してもＳＴＭと
しての性能はほとんど低下しない。
【００１７】また、本発明による走査型プローブ顕微鏡
は、前述の光ファイバープローブと、光源と、光源から
の光を光ファイバープローブの最先端領域から出射させ
るための手段と、光ファイバープローブの最先端領域か
ら入射した光を検出するための光検出器と、光ファイバ
ープローブを当該光ファイバープローブからの出射光の
光軸方向に駆動するための第１の駆動手段と、光ファイ
バープローブを前記光軸方向と交差する２方向に駆動す
るための第２の駆動手段と、第２の駆動手段に光ファイ
バープローブを光軸と交差する方向に２次元走査するた
めの走査信号を出力する走査制御手段と、光ファイバー
プローブと試料との間に電圧を印加するための電源と、
光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネル電
流が一定値となるように第１の駆動手段をサーボ制御す
るサーボ手段と、光検出器の出力と前記走査制御手段か
らの走査信号が入力される画像表示手段とを備えること
を特徴とする。
は、前述の光ファイバープローブと、光源と、光源から
の光を光ファイバープローブの最先端領域から出射させ
るための手段と、光ファイバープローブの最先端領域か
ら入射した光を検出するための光検出器と、光ファイバ
ープローブを当該光ファイバープローブからの出射光の
光軸方向に駆動するための第１の駆動手段と、光ファイ
バープローブを前記光軸方向と交差する２方向に駆動す
るための第２の駆動手段と、第２の駆動手段に光ファイ
バープローブを光軸と交差する方向に２次元走査するた
めの走査信号を出力する走査制御手段と、光ファイバー
プローブと試料との間に電圧を印加するための電源と、
光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネル電
流が一定値となるように第１の駆動手段をサーボ制御す
るサーボ手段と、光検出器の出力と前記走査制御手段か
らの走査信号が入力される画像表示手段とを備えること
を特徴とする。
【００１８】本発明による走査型プローブ顕微鏡は、Ｓ
ＮＯＭとＳＴＭを複合化することで、ＳＮＯＭとしての
高分解能化が可能である。従来の開口型ＳＮＯＭの平均
的な分解能に比較すると５〜１０倍の高分解能化を達成
できる。
ＮＯＭとＳＴＭを複合化することで、ＳＮＯＭとしての
高分解能化が可能である。従来の開口型ＳＮＯＭの平均
的な分解能に比較すると５〜１０倍の高分解能化を達成
できる。
【００１９】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡によ
ると、金属二重コーティング光ファイバープローブを使
用した従来の複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭでは不可能であっ
た蛍光観測が可能となる。その理由については現在のと
ころ完全に説明することはできないが、ＩＴＯ膜中に分
散させた蛍光分子が無輻射エネルギー移動をしないとい
う実験事実（蛍光顕微鏡観察で実際に確認）と、金属の
場合には無輻射エネルギー移動（光励起された色素分子
が金属に対して数ナノメートルまで接近すると、励起エ
ネルギーが金属膜へ移動し、熱となって光を放たずに緩
和する現象）が起こりうるということ（X. S. Xie, Ac
c. Chem. Res., vol.29, 598-606(1996)）とが関係して
いると思われる。
ると、金属二重コーティング光ファイバープローブを使
用した従来の複合型ＳＮＯＭ／ＳＴＭでは不可能であっ
た蛍光観測が可能となる。その理由については現在のと
ころ完全に説明することはできないが、ＩＴＯ膜中に分
散させた蛍光分子が無輻射エネルギー移動をしないとい
う実験事実（蛍光顕微鏡観察で実際に確認）と、金属の
場合には無輻射エネルギー移動（光励起された色素分子
が金属に対して数ナノメートルまで接近すると、励起エ
ネルギーが金属膜へ移動し、熱となって光を放たずに緩
和する現象）が起こりうるということ（X. S. Xie, Ac
c. Chem. Res., vol.29, 598-606(1996)）とが関係して
いると思われる。
【００２０】更に、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、
開口型光ファイバープローブと同程度の光検出感度を保
持できる。ＩＴＯ薄膜の光透過度は８０〜９０％であ
り、開口型プローブの１００％に比較すると光透過度が
多少減少するが、ＳＴＭとして動作させることでプロー
ブ−試料間距離を大幅に小さくできるため、トータルの
効率としては従来の値を保持、あるいは向上できる。
開口型光ファイバープローブと同程度の光検出感度を保
持できる。ＩＴＯ薄膜の光透過度は８０〜９０％であ
り、開口型プローブの１００％に比較すると光透過度が
多少減少するが、ＳＴＭとして動作させることでプロー
ブ−試料間距離を大幅に小さくできるため、トータルの
効率としては従来の値を保持、あるいは向上できる。
【００２１】また、本発明による走査プローブ顕微鏡を
光照射ＳＴＭとして用いると、従来型の光照射ＳＴＭに
おいて大きな問題であった熱膨張の影響をほとんど受け
ず、高感度な測定が可能となる。また、試料を光照射す
ることによって生じる蛍光と光電流の同時測定が可能と
なる。
光照射ＳＴＭとして用いると、従来型の光照射ＳＴＭに
おいて大きな問題であった熱膨張の影響をほとんど受け
ず、高感度な測定が可能となる。また、試料を光照射す
ることによって生じる蛍光と光電流の同時測定が可能と
なる。
【００２２】光照射ＳＴＭとして用いることのできる本
発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述の光ファイバープ
ローブと、光源と、光源からの光を強度変調する変調手
段と、強度変調された光を光ファイバープローブの最先
端領域から出射させるための手段と、光ファイバープロ
ーブと試料との間に電圧を印加するための電源と、光フ
ァイバープローブと試料との間に流れるトンネル電流を
検出するトンネル電流検出器と、試料への光照射によっ
て生じるトンネル電流検出器の出力変化を検出するトン
ネル電流変化検出手段と、トンネル電流変化検出手段に
よって検出された変化を表示する表示手段とを備えるこ
とを特徴とする。
発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述の光ファイバープ
ローブと、光源と、光源からの光を強度変調する変調手
段と、強度変調された光を光ファイバープローブの最先
端領域から出射させるための手段と、光ファイバープロ
ーブと試料との間に電圧を印加するための電源と、光フ
ァイバープローブと試料との間に流れるトンネル電流を
検出するトンネル電流検出器と、試料への光照射によっ
て生じるトンネル電流検出器の出力変化を検出するトン
ネル電流変化検出手段と、トンネル電流変化検出手段に
よって検出された変化を表示する表示手段とを備えるこ
とを特徴とする。
【００２３】この走査型プローブ顕微鏡に、光ファイバ
ープローブを当該光ファイバープローブからの出射光の
光軸方向に駆動するための第１の駆動手段と、光ファイ
バープローブを光軸方向と交差する２方向に駆動するた
めの第２の駆動手段と、第２の駆動手段に光ファイバー
プローブを光軸と交差する方向に２次元走査するための
走査信号を出力する走査制御手段と、光ファイバープロ
ーブと試料との間に流れるトンネル電流のうち変調手段
の変調周波数より低い周波数成分が一定値となるように
前記第１の駆動手段をサーボ制御するサーボ手段と、ト
ンネル電流変化検出手段の出力と走査制御手段からの走
査信号が入力される画像表示手段とを備えることもでき
る。実際には、変調手段の変調周波数をサーボ手段の応
答周波数より高く設定しておくことで、変調成分が加わ
ったトンネル電流をサーボ手段に直接入れても、サーボ
手段が応答できる以上の周波数成分は無視される。
ープローブを当該光ファイバープローブからの出射光の
光軸方向に駆動するための第１の駆動手段と、光ファイ
バープローブを光軸方向と交差する２方向に駆動するた
めの第２の駆動手段と、第２の駆動手段に光ファイバー
プローブを光軸と交差する方向に２次元走査するための
走査信号を出力する走査制御手段と、光ファイバープロ
ーブと試料との間に流れるトンネル電流のうち変調手段
の変調周波数より低い周波数成分が一定値となるように
前記第１の駆動手段をサーボ制御するサーボ手段と、ト
ンネル電流変化検出手段の出力と走査制御手段からの走
査信号が入力される画像表示手段とを備えることもでき
る。実際には、変調手段の変調周波数をサーボ手段の応
答周波数より高く設定しておくことで、変調成分が加わ
ったトンネル電流をサーボ手段に直接入れても、サーボ
手段が応答できる以上の周波数成分は無視される。
【００２４】本発明による走査型プローブ顕微鏡の他の
態様は、前述の光ファイバープローブと、光源と、光源
からの光を強度変調する変調手段と、強度変調された光
を光ファイバープローブの最先端領域から出射させるた
めの手段と、光ファイバープローブの最先端領域から入
射した光を検出するための光検出器と、光ファイバープ
ローブと試料との間に電圧を印加するための電源と、光
ファイバープローブと試料との間に流れるトンネル電流
を検出するトンネル電流検出器と、試料への光照射によ
って生じるトンネル電流検出器の出力変化を検出するト
ンネル電流変化検出手段と、光検出器の出力及びトンネ
ル電流変化検出手段によって検出された変化を表示する
表示手段とを備えることを特徴とする。
態様は、前述の光ファイバープローブと、光源と、光源
からの光を強度変調する変調手段と、強度変調された光
を光ファイバープローブの最先端領域から出射させるた
めの手段と、光ファイバープローブの最先端領域から入
射した光を検出するための光検出器と、光ファイバープ
ローブと試料との間に電圧を印加するための電源と、光
ファイバープローブと試料との間に流れるトンネル電流
を検出するトンネル電流検出器と、試料への光照射によ
って生じるトンネル電流検出器の出力変化を検出するト
ンネル電流変化検出手段と、光検出器の出力及びトンネ
ル電流変化検出手段によって検出された変化を表示する
表示手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】この走査型プローブ顕微鏡に、光ファイバ
ープローブを当該光ファイバープローブからの出射光の
光軸方向に駆動するための第１の駆動手段と、光ファイ
バープローブを光軸方向と交差する２方向に駆動するた
めの第２の駆動手段と、第２の駆動手段に光ファイバー
プローブを光軸と交差する方向に２次元走査するための
走査信号を出力する走査制御手段と、光ファイバープロ
ーブと試料との間に流れるトンネル電流のうち変調手段
の変調周波数より低い成分が一定値となるように第１の
駆動手段をサーボ制御するサーボ手段とを備えることも
できる。
ープローブを当該光ファイバープローブからの出射光の
光軸方向に駆動するための第１の駆動手段と、光ファイ
バープローブを光軸方向と交差する２方向に駆動するた
めの第２の駆動手段と、第２の駆動手段に光ファイバー
プローブを光軸と交差する方向に２次元走査するための
走査信号を出力する走査制御手段と、光ファイバープロ
ーブと試料との間に流れるトンネル電流のうち変調手段
の変調周波数より低い成分が一定値となるように第１の
駆動手段をサーボ制御するサーボ手段とを備えることも
できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による走査型プロ
ーブ顕微鏡（ＳＮＯＭ／ＳＴＭ複合装置）の一例を示す
全体構成図である。
施の形態を説明する。図１は、本発明による走査型プロ
ーブ顕微鏡（ＳＮＯＭ／ＳＴＭ複合装置）の一例を示す
全体構成図である。
【００２７】この走査型プローブ顕微鏡１０は、詳細を
後述する光ファイバープローブ１１、光ファイバープロ
ーブ１１をＸ，Ｙに駆動するＸＹ駆動部１２，１３、光
ファイバープローブ１１をＺ方向に駆動するＺ駆動部１
４、レーザー等からなる光源１５、光電子増倍管等の光
検出器１７、光学フィルタ１６，１８、ＸＹ駆動部１
２，１３に走査信号を出力して光ファイバープローブ１
１をＸＹ方向に走査する走査回路１９、走査回路１９か
ら出力される走査信号に同期して光検出器１７の検出信
号を表示する画像表示装置２０、光ファイバープローブ
１１と試料２１との間に電圧を印加するための電源２
２、光ファイバープローブ１１と試料２１との間に流れ
るトンネル電流を検出するためのトンネル電流検出器２
３、トンネル電流検出器２３で検出されたトンネル電流
が一定値となるようにＺ駆動部１４をサーボ制御するサ
ーボ回路２４を備える。ＸＹ駆動部１２，１３、Ｚ駆動
部１４は、例えば圧電素子によって構成される。
後述する光ファイバープローブ１１、光ファイバープロ
ーブ１１をＸ，Ｙに駆動するＸＹ駆動部１２，１３、光
ファイバープローブ１１をＺ方向に駆動するＺ駆動部１
４、レーザー等からなる光源１５、光電子増倍管等の光
検出器１７、光学フィルタ１６，１８、ＸＹ駆動部１
２，１３に走査信号を出力して光ファイバープローブ１
１をＸＹ方向に走査する走査回路１９、走査回路１９か
ら出力される走査信号に同期して光検出器１７の検出信
号を表示する画像表示装置２０、光ファイバープローブ
１１と試料２１との間に電圧を印加するための電源２
２、光ファイバープローブ１１と試料２１との間に流れ
るトンネル電流を検出するためのトンネル電流検出器２
３、トンネル電流検出器２３で検出されたトンネル電流
が一定値となるようにＺ駆動部１４をサーボ制御するサ
ーボ回路２４を備える。ＸＹ駆動部１２，１３、Ｚ駆動
部１４は、例えば圧電素子によって構成される。
【００２８】光源１５から出射された光線は、光学フィ
ルタ１６及びダイクロイックミラー２５を通って光ファ
イバープローブ１１に入射され、光ファイバープローブ
１１の先端から試料２１に照射される。図では、光ファ
イバープローブ１１から試料２１に照射される光線の光
軸に平行な方向をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な平面内で互い
に直交するようにＸ軸とＹ軸を設定した。光照射を受け
た試料２１から発せられた光は再び光ファイバープロー
ブ１１に入射し、ダイクロイックミラー２５で反射され
た後、光学フィルタ１８を通って光検出器１７に入射す
る。光検出器１７の出力と走査回路１９の走査信号は、
ＣＲＴ等の画像表示装置２０に入力され、画像表示装置
２０に試料のＳＮＯＭ像が表示される。また、トンネル
電流が一定値となるようにＺ駆動部１４をサーボ制御
し、サーボ回路２４の出力と走査回路１９の走査信号を
画像表示装置２０に入力することにより、画像表示装置
２０には試料のＳＴＭ像が表示される。
ルタ１６及びダイクロイックミラー２５を通って光ファ
イバープローブ１１に入射され、光ファイバープローブ
１１の先端から試料２１に照射される。図では、光ファ
イバープローブ１１から試料２１に照射される光線の光
軸に平行な方向をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な平面内で互い
に直交するようにＸ軸とＹ軸を設定した。光照射を受け
た試料２１から発せられた光は再び光ファイバープロー
ブ１１に入射し、ダイクロイックミラー２５で反射され
た後、光学フィルタ１８を通って光検出器１７に入射す
る。光検出器１７の出力と走査回路１９の走査信号は、
ＣＲＴ等の画像表示装置２０に入力され、画像表示装置
２０に試料のＳＮＯＭ像が表示される。また、トンネル
電流が一定値となるようにＺ駆動部１４をサーボ制御
し、サーボ回路２４の出力と走査回路１９の走査信号を
画像表示装置２０に入力することにより、画像表示装置
２０には試料のＳＴＭ像が表示される。
【００２９】一方、光ファイバープローブ１１と試料２
１との間には、電源２２から一定電圧が印加され、トン
ネル電流検出器２３は、試料２１と光ファイバープロー
ブ１１の間に流れるトンネル電流を検出する。サーボ回
路２４は、検出されたトンネル電流が一定値となるよう
にＺ駆動部１４を制御し、試料表面と光ファイバープロ
ーブ１１との間の距離を制御する。
１との間には、電源２２から一定電圧が印加され、トン
ネル電流検出器２３は、試料２１と光ファイバープロー
ブ１１の間に流れるトンネル電流を検出する。サーボ回
路２４は、検出されたトンネル電流が一定値となるよう
にＺ駆動部１４を制御し、試料表面と光ファイバープロ
ーブ１１との間の距離を制御する。
【００３０】図２は、本発明の走査型プローブ顕微鏡に
用いられる光ファイバープローブ（ＳＮＯＭ／ＳＴＭプ
ローブ）の概略図である。
用いられる光ファイバープローブ（ＳＮＯＭ／ＳＴＭプ
ローブ）の概略図である。
【００３１】この光ファイバープローブは、コア３１と
クラッド３２を有する光ファイバーの先端を先鋭化し、
先鋭化したコア３１の最先端部を除く部分に遮光膜とし
て白金、金などからなる金属膜３４を厚さ１００〜２０
０ｎｍに形成してＳＮＯＭ用の開口部３３を形成する。
開口部３３の直径は５０〜２００ｎｍである。更に、開
口部３３の上に厚さ１０〜１００ｎｍのＩＴＯ薄膜３５
を形成する。開口部３３に形成された先鋭化したＩＴＯ
薄膜３５は、ＳＴＭ用の電極として作用する。
クラッド３２を有する光ファイバーの先端を先鋭化し、
先鋭化したコア３１の最先端部を除く部分に遮光膜とし
て白金、金などからなる金属膜３４を厚さ１００〜２０
０ｎｍに形成してＳＮＯＭ用の開口部３３を形成する。
開口部３３の直径は５０〜２００ｎｍである。更に、開
口部３３の上に厚さ１０〜１００ｎｍのＩＴＯ薄膜３５
を形成する。開口部３３に形成された先鋭化したＩＴＯ
薄膜３５は、ＳＴＭ用の電極として作用する。
【００３２】次に、この光ファイバープローブの製造方
法について説明する。まず、２３ｍｏｌ％のＧｅＯ2を
ドープしたクラッド径１２５μｍ、コア径８μｍの光フ
ァイバーをＮＨ4Ｆ（４０重量％）：ＨＦ（５０重量
％）：Ｈ2Ｏ＝２：１：１の溶液中で２時間エッチング
した。この高ＨＦ濃度溶液では、クラッド部、コア部の
エッチング速度は約０．８μｍ／分で実質的に等しく、
その結果、このエッチングによってクラッド径が３０〜
４０μｍにまで減少する。エッチングされる部位の長さ
は、プローブの機械的不安定性に直接関与しており、安
定度の良いプローブ長さは約０．５〜１．０ｍｍであっ
た。次に、ＮＨ4Ｆ（４０重量％）：ＨＦ（５０重量
％）：Ｈ2Ｏ＝１０：１：１の溶液中で１時間エッチン
グする。第１段階のエッチングとは異なり、この場合は
クラッド部のエッチング速度（０．３〜０．４μｍ）が
コア部のエッチング速度（０．１〜０．２μｍ）に比べ
て速いため、コア部が突出し、そしてその先端が円錐形
に成形される。円錐形の部分は、その根本部分の直径は
約２μｍであり、根本から円錐先端までの高さは約５μ
ｍである。円錐角は、ＨＦ濃度とコア中のＧｅＯ2ドー
プ量に強く依存しており、２３ｍｏｌ％の光ファイバー
の場合、円錐角２５度が得られる。
法について説明する。まず、２３ｍｏｌ％のＧｅＯ2を
ドープしたクラッド径１２５μｍ、コア径８μｍの光フ
ァイバーをＮＨ4Ｆ（４０重量％）：ＨＦ（５０重量
％）：Ｈ2Ｏ＝２：１：１の溶液中で２時間エッチング
した。この高ＨＦ濃度溶液では、クラッド部、コア部の
エッチング速度は約０．８μｍ／分で実質的に等しく、
その結果、このエッチングによってクラッド径が３０〜
４０μｍにまで減少する。エッチングされる部位の長さ
は、プローブの機械的不安定性に直接関与しており、安
定度の良いプローブ長さは約０．５〜１．０ｍｍであっ
た。次に、ＮＨ4Ｆ（４０重量％）：ＨＦ（５０重量
％）：Ｈ2Ｏ＝１０：１：１の溶液中で１時間エッチン
グする。第１段階のエッチングとは異なり、この場合は
クラッド部のエッチング速度（０．３〜０．４μｍ）が
コア部のエッチング速度（０．１〜０．２μｍ）に比べ
て速いため、コア部が突出し、そしてその先端が円錐形
に成形される。円錐形の部分は、その根本部分の直径は
約２μｍであり、根本から円錐先端までの高さは約５μ
ｍである。円錐角は、ＨＦ濃度とコア中のＧｅＯ2ドー
プ量に強く依存しており、２３ｍｏｌ％の光ファイバー
の場合、円錐角２５度が得られる。
【００３３】こうして得られた先端が円錐形に尖った光
ファイバーに金のイオンコートを施す。イオンコーター
内の真空度は約０．１Ｔｏｒｒ程度で、コート膜の膜厚
はその真空度とスパッタ時間、ファイバーとターゲット
の間の距離と位置で決まり、１００〜２００ｎｍの膜厚
とした。続いて、金をコーティングした先鋭化光ファイ
バーをアクリル樹脂溶液中に数秒間浸す。アクリル樹脂
は粘性が高く、かつ光ファイバー先端が先鋭化されてい
るため、表面張力によって先端から数十から数百ｎｍ程
度はアクリル樹脂に被覆されず、金コート膜が表面に出
た状態になる。その状態で、ＫＩ：Ｉ2：Ｈ2Ｏ＝２０：
１：４００のエッチング液に浸せば、その先端部分だけ
の金がエッチングされ、数十ｎｍ程度のサイズの開口が
形成される。
ファイバーに金のイオンコートを施す。イオンコーター
内の真空度は約０．１Ｔｏｒｒ程度で、コート膜の膜厚
はその真空度とスパッタ時間、ファイバーとターゲット
の間の距離と位置で決まり、１００〜２００ｎｍの膜厚
とした。続いて、金をコーティングした先鋭化光ファイ
バーをアクリル樹脂溶液中に数秒間浸す。アクリル樹脂
は粘性が高く、かつ光ファイバー先端が先鋭化されてい
るため、表面張力によって先端から数十から数百ｎｍ程
度はアクリル樹脂に被覆されず、金コート膜が表面に出
た状態になる。その状態で、ＫＩ：Ｉ2：Ｈ2Ｏ＝２０：
１：４００のエッチング液に浸せば、その先端部分だけ
の金がエッチングされ、数十ｎｍ程度のサイズの開口が
形成される。
【００３４】次に、マグネトロンスパッタリング法によ
って、このプローブ先端表面にＩＴＯ薄膜を約５０ｎｍ
の厚さに形成した。ＩＴＯの抵抗率は５〜１０×１０-6
Ωｍであった。また、ＩＴＯの光透過率は、膜厚１００
ｎｍにおいて８３〜９３％（波長６３０ｎｍ）であっ
た。
って、このプローブ先端表面にＩＴＯ薄膜を約５０ｎｍ
の厚さに形成した。ＩＴＯの抵抗率は５〜１０×１０-6
Ωｍであった。また、ＩＴＯの光透過率は、膜厚１００
ｎｍにおいて８３〜９３％（波長６３０ｎｍ）であっ
た。
【００３５】図３は、こうして作製された光ファイバー
プローブ先端の電子顕微鏡像である。この光ファイバー
プローブは、開口部表面もＩＴＯ薄膜によって被覆され
ていて電気伝導性があるため、開口部最先端でＳＴＭ測
定が可能になる。従って、ＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定に
おいて得られる２つの画像には全くずれがない。
プローブ先端の電子顕微鏡像である。この光ファイバー
プローブは、開口部表面もＩＴＯ薄膜によって被覆され
ていて電気伝導性があるため、開口部最先端でＳＴＭ測
定が可能になる。従って、ＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定に
おいて得られる２つの画像には全くずれがない。
【００３６】図４は、本発明による光ファイバープロー
ブの先端部と従来のＳＮＯＭプローブの先端部を比較し
て示した模式図である。他の研究で用いられているＳＮ
ＯＭプローブは、光ファイバー４１の周りの被覆金属膜
４２が図４（ａ）に示すように光ファイバー先端から突
出しているか、図４（ｂ）に示すように光ファイバー先
端と同じ平面上にある。この場合、観察対象である蛍光
分子と被覆金属膜４２との接近は避けられない。一方、
本発明による光ファイバープローブは、図４（ｃ）に示
すように、開口部となる光ファイバー４３が被覆金属膜
４４から突出したプローブ形状を有し、被覆金属膜４４
がその下方に位置する試料から十分に離れている。ま
た、その突出部に対して金属をコーティングする従来の
金属二重コーティング光ファイバープローブでは再び金
属と蛍光分子との接近の問題は避けられないが、図４
（ｄ）に示すようにＩＴＯ薄膜４５を被覆した場合には
その問題を回避することができる。
ブの先端部と従来のＳＮＯＭプローブの先端部を比較し
て示した模式図である。他の研究で用いられているＳＮ
ＯＭプローブは、光ファイバー４１の周りの被覆金属膜
４２が図４（ａ）に示すように光ファイバー先端から突
出しているか、図４（ｂ）に示すように光ファイバー先
端と同じ平面上にある。この場合、観察対象である蛍光
分子と被覆金属膜４２との接近は避けられない。一方、
本発明による光ファイバープローブは、図４（ｃ）に示
すように、開口部となる光ファイバー４３が被覆金属膜
４４から突出したプローブ形状を有し、被覆金属膜４４
がその下方に位置する試料から十分に離れている。ま
た、その突出部に対して金属をコーティングする従来の
金属二重コーティング光ファイバープローブでは再び金
属と蛍光分子との接近の問題は避けられないが、図４
（ｄ）に示すようにＩＴＯ薄膜４５を被覆した場合には
その問題を回避することができる。
【００３７】図２に示す光ファイバープローブを組み込
んだ走査型プローブ顕微鏡（ＳＮＯＭ／ＳＴＭ複合装
置）によって、ＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定を行った。試
料は、カバーグラス上にＩＴＯを５０ｎｍコーティング
したものを基板とし、そこにＣｄＳｅナノ粒子をスピン
コートしたものである。ナノ粒子の密度は通常の蛍光顕
微鏡での単一粒子観察に用いるものの約１００倍の濃度
で、蛍光顕微鏡で見るとミクロンオーダーの領域に密に
存在するような条件で試料を作成した。光学系は、５３
２ｎｍのＬＤ励起固体レーザーを光ファイバー端面にカ
ップリングし、光ファイバープローブ先端による局所イ
ルミネーション、検出は再び光ファイバープローブから
行い（ＩＣモード）、５８０ｎｍのロングパスフィルタ
ーを通過させた後（ＣｄＳｅナノ粒子の発光の中心波長
は５５０〜５６０ｎｍ程度）、光電子増倍管によるフォ
トンカウンティングを行った。ＧｅＯ2ドープの光ファ
イバーであるため、この励起波長ではファイバー自身が
赤い蛍光を発する。従って、測定はそのオフセットの上
で行うことになる。
んだ走査型プローブ顕微鏡（ＳＮＯＭ／ＳＴＭ複合装
置）によって、ＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定を行った。試
料は、カバーグラス上にＩＴＯを５０ｎｍコーティング
したものを基板とし、そこにＣｄＳｅナノ粒子をスピン
コートしたものである。ナノ粒子の密度は通常の蛍光顕
微鏡での単一粒子観察に用いるものの約１００倍の濃度
で、蛍光顕微鏡で見るとミクロンオーダーの領域に密に
存在するような条件で試料を作成した。光学系は、５３
２ｎｍのＬＤ励起固体レーザーを光ファイバー端面にカ
ップリングし、光ファイバープローブ先端による局所イ
ルミネーション、検出は再び光ファイバープローブから
行い（ＩＣモード）、５８０ｎｍのロングパスフィルタ
ーを通過させた後（ＣｄＳｅナノ粒子の発光の中心波長
は５５０〜５６０ｎｍ程度）、光電子増倍管によるフォ
トンカウンティングを行った。ＧｅＯ2ドープの光ファ
イバーであるため、この励起波長ではファイバー自身が
赤い蛍光を発する。従って、測定はそのオフセットの上
で行うことになる。
【００３８】図５に、本発明の走査型プローブ顕微鏡に
よるＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定の測定例を示す。（ａ）
に示したＳＴＭ像（走査範囲３８０ｎｍ、走査速度０．
１３Ｈｚ、１００×１００ピクセル、すなわち３８ｍｓ
ｅｃ／ピクセル）では、ＩＴＯ薄膜の凹凸が確認できる
が、個々のＣｄＳｅナノ粒子（直径５ｎｍ程度）は解像
できていない。（ｂ）に示したＳＮＯＭ像には、先述し
たとおり、約４００カウント／ピクセルのオフセットを
除去した後の像を示した。個々の明るいピークが何に対
応するかは現段階では解釈できていないが、比較のため
に行ったＩＴＯ薄膜だけの試料では得られないものであ
るため、何らかの蛍光イメージングが成功したものと考
えられる。なお、ＳＮＯＭ像に現れている個々の輝点の
クロスセクションプロファイル（断面図）をとると、半
値全幅は約２０ｎｍと、開口サイズ（５０〜２００ｎ
ｍ）に比較して非常に小さい値を示した。
よるＳＮＯＭ／ＳＴＭ同時測定の測定例を示す。（ａ）
に示したＳＴＭ像（走査範囲３８０ｎｍ、走査速度０．
１３Ｈｚ、１００×１００ピクセル、すなわち３８ｍｓ
ｅｃ／ピクセル）では、ＩＴＯ薄膜の凹凸が確認できる
が、個々のＣｄＳｅナノ粒子（直径５ｎｍ程度）は解像
できていない。（ｂ）に示したＳＮＯＭ像には、先述し
たとおり、約４００カウント／ピクセルのオフセットを
除去した後の像を示した。個々の明るいピークが何に対
応するかは現段階では解釈できていないが、比較のため
に行ったＩＴＯ薄膜だけの試料では得られないものであ
るため、何らかの蛍光イメージングが成功したものと考
えられる。なお、ＳＮＯＭ像に現れている個々の輝点の
クロスセクションプロファイル（断面図）をとると、半
値全幅は約２０ｎｍと、開口サイズ（５０〜２００ｎ
ｍ）に比較して非常に小さい値を示した。
【００３９】このように、金属に比較して抵抗率が大き
いＩＴＯを開口部に被覆した本発明の光ファイバープロ
ーブを用いることで、開口部に白金超薄膜を被覆した従
来の金属二重コーティング光ファイバープローブを用い
た場合と異なり、励起された蛍光分子のエネルギー移動
がほとんど生じないため蛍光観察が可能となる。また、
開口型光ファイバープローブを用いたＳＮＯＭでは分解
能がその開口サイズによって規定されるが、本発明で
は、原理的にＳＴＭフィードバックが可能で、プローブ
−試料間距離として１ｎｍ以下を達成でき、その結果、
開口サイズに規定されない高分解能化が図れる。
いＩＴＯを開口部に被覆した本発明の光ファイバープロ
ーブを用いることで、開口部に白金超薄膜を被覆した従
来の金属二重コーティング光ファイバープローブを用い
た場合と異なり、励起された蛍光分子のエネルギー移動
がほとんど生じないため蛍光観察が可能となる。また、
開口型光ファイバープローブを用いたＳＮＯＭでは分解
能がその開口サイズによって規定されるが、本発明で
は、原理的にＳＴＭフィードバックが可能で、プローブ
−試料間距離として１ｎｍ以下を達成でき、その結果、
開口サイズに規定されない高分解能化が図れる。
【００４０】また、従来の金属二重コーティングプロー
ブが実現した高分解能性を保持したまま、光検出を高感
度化（従来の開口型光ファイバープローブと比較して同
程度、金属二重コーティングプローブに対しては約１０
倍）できるため、単一量子構造（蛍光分子、ナノ粒子な
どを含む）などからの微弱光の高速検出が可能となる。
ブが実現した高分解能性を保持したまま、光検出を高感
度化（従来の開口型光ファイバープローブと比較して同
程度、金属二重コーティングプローブに対しては約１０
倍）できるため、単一量子構造（蛍光分子、ナノ粒子な
どを含む）などからの微弱光の高速検出が可能となる。
【００４１】更に、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、
原理的な潜在能力として、光と電子が関わる現象への応
用が可能である。すなわち、ＳＴＭの特徴を積極的に利
用し、トンネル電子注入によるエレクトロルミネッセン
スへの応用、あるいは光励起による様々なシステム（有
機分子、半導体など）の電子状態の変化を観察ないし制
御するという応用が可能である。
原理的な潜在能力として、光と電子が関わる現象への応
用が可能である。すなわち、ＳＴＭの特徴を積極的に利
用し、トンネル電子注入によるエレクトロルミネッセン
スへの応用、あるいは光励起による様々なシステム（有
機分子、半導体など）の電子状態の変化を観察ないし制
御するという応用が可能である。
【００４２】図６は、本発明による走査型プローブ顕微
鏡（光照射ＳＴＭ）の一例を示す全体構成図である。理
解を容易にするため、図６において、図１に示した走査
型プローブ顕微鏡と同じ機能部分には図１と同じ符号を
付して説明する。
鏡（光照射ＳＴＭ）の一例を示す全体構成図である。理
解を容易にするため、図６において、図１に示した走査
型プローブ顕微鏡と同じ機能部分には図１と同じ符号を
付して説明する。
【００４３】この走査型プローブ顕微鏡５０は、円錐状
に突出した先端部の最先端領域以外の領域を金属遮光膜
で被覆し、最先端領域をＩＴＯ薄膜で被覆した本発明の
光ファイバープローブ１１を備える。光ファイバープロ
ーブ１１は、ＸＹ駆動部１２，１３によってＸ，Ｙ方向
に駆動され、Ｚ駆動部１４によってＺ方向に駆動され
る。レーザー等からなる光源１５から出射された光線
は、光学フィルタ１６を通り、チョッパー駆動部５３に
よって駆動されるチョッパー５４によって断続光とされ
た後、光ファイバープローブ１１に入射され、光ファイ
バープローブ１１の先端のＩＴＯ薄膜を通して試料２１
に照射される。光ファイバープローブ１１と試料２１と
の間には、電源制御部５５によって制御される電源５２
から電圧が印加され、トンネル電流検出器２３は、試料
２１と光ファイバープローブ１１の間に流れるトンネル
電流を検出する。トンネル電流検出器２３によって検出
されたトンネル電流はロックイン増幅器５６に入力され
る。ロックイン増幅器５６の参照入力には、チョッパー
駆動部５３からの出力が入力される。ロックイン増幅器
５６の出力は波形表示装置５７あるいは画像表示装置２
０に入力される。波形表示装置５７には、電源制御部５
５から電源５２の電圧と、ロックイン増幅器５６からの
出力が入力される。
に突出した先端部の最先端領域以外の領域を金属遮光膜
で被覆し、最先端領域をＩＴＯ薄膜で被覆した本発明の
光ファイバープローブ１１を備える。光ファイバープロ
ーブ１１は、ＸＹ駆動部１２，１３によってＸ，Ｙ方向
に駆動され、Ｚ駆動部１４によってＺ方向に駆動され
る。レーザー等からなる光源１５から出射された光線
は、光学フィルタ１６を通り、チョッパー駆動部５３に
よって駆動されるチョッパー５４によって断続光とされ
た後、光ファイバープローブ１１に入射され、光ファイ
バープローブ１１の先端のＩＴＯ薄膜を通して試料２１
に照射される。光ファイバープローブ１１と試料２１と
の間には、電源制御部５５によって制御される電源５２
から電圧が印加され、トンネル電流検出器２３は、試料
２１と光ファイバープローブ１１の間に流れるトンネル
電流を検出する。トンネル電流検出器２３によって検出
されたトンネル電流はロックイン増幅器５６に入力され
る。ロックイン増幅器５６の参照入力には、チョッパー
駆動部５３からの出力が入力される。ロックイン増幅器
５６の出力は波形表示装置５７あるいは画像表示装置２
０に入力される。波形表示装置５７には、電源制御部５
５から電源５２の電圧と、ロックイン増幅器５６からの
出力が入力される。
【００４４】なお、チョッパー５４によって光源１５か
らの光を断続する代わりに、光源１５の光強度を変調す
るようにしてもよい。また、ロックイン増幅器５６を用
いずに、トンネル電流検出器２３の出力を直接、画像表
示装置２０あるいは波形表示装置５７に入力することも
可能である。
らの光を断続する代わりに、光源１５の光強度を変調す
るようにしてもよい。また、ロックイン増幅器５６を用
いずに、トンネル電流検出器２３の出力を直接、画像表
示装置２０あるいは波形表示装置５７に入力することも
可能である。
【００４５】次に、図６に示した走査型プローブ顕微鏡
（光照射ＳＴＭ）を用いて測定を行う際の動作について
説明する。ここでは、２種類の測定モードについて説明
する。
（光照射ＳＴＭ）を用いて測定を行う際の動作について
説明する。ここでは、２種類の測定モードについて説明
する。
【００４６】第１の測定モードにおいては、光ファイバ
ープローブ１１の先端を試料２１上の測定点に固定して
測定を行う。従って、第１の測定モードにおいては、測
定の際に走査を行わないため、測定時には走査回路１
９、画像表示装置２０、サーボ回路２４を使用しない。
ープローブ１１の先端を試料２１上の測定点に固定して
測定を行う。従って、第１の測定モードにおいては、測
定の際に走査を行わないため、測定時には走査回路１
９、画像表示装置２０、サーボ回路２４を使用しない。
【００４７】まず、電源５２の電圧を一定に固定し、走
査回路１９を用いて光ファイバープローブ１１を試料２
１上の所望の測定点に移動し、サーボ回路２４を用いて
光ファイバープローブ１１と試料表面上の測定点との間
の距離をトンネル電流が流れる程度、すなわち１ナノメ
ートル程度に設定した後、サーボ回路２４を切る。次
に、光源１５からの断続光を光ファイバープローブ１１
の先端から試料２１上の測定点に照射する。このとき、
試料上の測定点に存在する物質が光励起電流発生現象を
示せば、トンネル電流検出器２３によって検出されるト
ンネル電流が照射光の断続周波数と同じ周波数で変化す
るので、それをロックイン増幅器によって検出し、結果
を波形表示装置５７に表示する。
査回路１９を用いて光ファイバープローブ１１を試料２
１上の所望の測定点に移動し、サーボ回路２４を用いて
光ファイバープローブ１１と試料表面上の測定点との間
の距離をトンネル電流が流れる程度、すなわち１ナノメ
ートル程度に設定した後、サーボ回路２４を切る。次
に、光源１５からの断続光を光ファイバープローブ１１
の先端から試料２１上の測定点に照射する。このとき、
試料上の測定点に存在する物質が光励起電流発生現象を
示せば、トンネル電流検出器２３によって検出されるト
ンネル電流が照射光の断続周波数と同じ周波数で変化す
るので、それをロックイン増幅器によって検出し、結果
を波形表示装置５７に表示する。
【００４８】次に図６に示した走査型プローブ顕微鏡
（光照射ＳＴＭ）による第２の測定モードについて説明
する。
（光照射ＳＴＭ）による第２の測定モードについて説明
する。
【００４９】第２の測定モードにおいては、電源５２の
電圧を一定に固定し、走査回路１９からＸＹ駆動部１
２，１３に走査信号を出力して光ファイバープローブ１
１をＸＹ方向に走査する。サーボ回路２４は、トンネル
電流検出器２３によって検出されたトンネル電流が一定
値となるようにＺ駆動部１４を制御し、試料表面と光フ
ァイバープローブ１１との間の距離を制御する。このと
き、光ファイバープローブ１１のＸＹ方向走査速度に対
して光源１５からの光線の断続周波数を充分に高く設定
すると、サーボ回路２４は、試料への光照射に起因して
高速に変化するトンネル電流成分には応答せず、光ファ
イバープローブ１１と試料表面の間隔が一定となるよう
にＺ駆動部１４を制御する。従って、サーボ回路２４の
出力と走査回路１９の走査信号を画像表示装置２０に入
力することにより、画像表示装置２０には試料のＳＴＭ
像が表示される。このとき、画像表示装置２０に、サー
ボ回路２４の出力に代えてロックイン増幅器５６の出力
を入力すると、画像表示装置２０には光励起に対する試
料の応答の強弱を画像化したものが表示される。
電圧を一定に固定し、走査回路１９からＸＹ駆動部１
２，１３に走査信号を出力して光ファイバープローブ１
１をＸＹ方向に走査する。サーボ回路２４は、トンネル
電流検出器２３によって検出されたトンネル電流が一定
値となるようにＺ駆動部１４を制御し、試料表面と光フ
ァイバープローブ１１との間の距離を制御する。このと
き、光ファイバープローブ１１のＸＹ方向走査速度に対
して光源１５からの光線の断続周波数を充分に高く設定
すると、サーボ回路２４は、試料への光照射に起因して
高速に変化するトンネル電流成分には応答せず、光ファ
イバープローブ１１と試料表面の間隔が一定となるよう
にＺ駆動部１４を制御する。従って、サーボ回路２４の
出力と走査回路１９の走査信号を画像表示装置２０に入
力することにより、画像表示装置２０には試料のＳＴＭ
像が表示される。このとき、画像表示装置２０に、サー
ボ回路２４の出力に代えてロックイン増幅器５６の出力
を入力すると、画像表示装置２０には光励起に対する試
料の応答の強弱を画像化したものが表示される。
【００５０】本発明の光ファイバープローブによると蛍
光観察が可能であることから容易に判断できるように、
その光ファイバープローブを組み込んだ本発明の光照射
ＳＴＭによると、試料に対して光ファイバープローブ開
口からの局所的近接場光照射が行われていることは確実
である。また、プローブ先端でのエネルギー散逸が非常
に少ないため、熱膨張の影響もほとんどない。このよう
に、本発明の光照射ＳＴＭは、従来の光照射ＳＴＭにつ
きまとっていた疑問（プローブ直下の領域は果たして真
に光励起されているのかという疑問）の余地をなくし、
更に従来の光照射ＳＴＭでは解決が困難であった技術的
問題（光照射に伴うプローブあるいは試料の熱膨張の問
題）をも解決するものである。
光観察が可能であることから容易に判断できるように、
その光ファイバープローブを組み込んだ本発明の光照射
ＳＴＭによると、試料に対して光ファイバープローブ開
口からの局所的近接場光照射が行われていることは確実
である。また、プローブ先端でのエネルギー散逸が非常
に少ないため、熱膨張の影響もほとんどない。このよう
に、本発明の光照射ＳＴＭは、従来の光照射ＳＴＭにつ
きまとっていた疑問（プローブ直下の領域は果たして真
に光励起されているのかという疑問）の余地をなくし、
更に従来の光照射ＳＴＭでは解決が困難であった技術的
問題（光照射に伴うプローブあるいは試料の熱膨張の問
題）をも解決するものである。
【００５１】本発明の光ファイバープローブを用いる光
照射ＳＴＭが熱膨張の影響を受けないことを検証するた
めに、本発明の光照射ＳＴＭと、従来型の光照射ＳＴＭ
を用意し、それぞれ光照射に伴う熱膨張の影響を調べ
た。従来型の光照射ＳＴＭは、金属プローブ（金コート
Ｐｔ−Ｉｒプローブ）を備え、焦点距離約１０ｃｍの凸
レンズによって集光した光を側方からプローブ先端に対
向する試料位置に照射するものである。光源として波長
４８８ｎｍ、出力１ｍＷのアルゴンレーザを用いた。照
射光は、機械的チョッパーによって周波数２００Ｈｚで
チョッピングした。プローブに対向する金属製の試料ス
テージ上に試料を設置せず、初期状態でトンネル電流が
２００ｐＡとなるようにプローブ−試料ステージ間距離
を設定した。
照射ＳＴＭが熱膨張の影響を受けないことを検証するた
めに、本発明の光照射ＳＴＭと、従来型の光照射ＳＴＭ
を用意し、それぞれ光照射に伴う熱膨張の影響を調べ
た。従来型の光照射ＳＴＭは、金属プローブ（金コート
Ｐｔ−Ｉｒプローブ）を備え、焦点距離約１０ｃｍの凸
レンズによって集光した光を側方からプローブ先端に対
向する試料位置に照射するものである。光源として波長
４８８ｎｍ、出力１ｍＷのアルゴンレーザを用いた。照
射光は、機械的チョッパーによって周波数２００Ｈｚで
チョッピングした。プローブに対向する金属製の試料ス
テージ上に試料を設置せず、初期状態でトンネル電流が
２００ｐＡとなるようにプローブ−試料ステージ間距離
を設定した。
【００５２】図７及び図８に測定結果を示す。図の横軸
は時間であり、縦軸はトンネル電流と参照信号である。
矩形の参照信号は照射光のチョッピングに対応し、参照
信号がHIGHの状態は光が照射されている状態、参照信号
がLOWの状態は光が照射されていない状態に対応する。
図７は従来型の光照射ＳＴＭの測定結果であり、図８は
本発明による光照射ＳＴＭの測定結果である。
は時間であり、縦軸はトンネル電流と参照信号である。
矩形の参照信号は照射光のチョッピングに対応し、参照
信号がHIGHの状態は光が照射されている状態、参照信号
がLOWの状態は光が照射されていない状態に対応する。
図７は従来型の光照射ＳＴＭの測定結果であり、図８は
本発明による光照射ＳＴＭの測定結果である。
【００５３】図７に示した測定結果から明らかなよう
に、従来型の光照射ＳＴＭによる測定では、試料がない
にもかかわらず計測されるトンネル電流が参照信号に同
期して変動し、照射光をチョッピングした影響が明らか
に現れている。一方、図８に示すように、本発明の光照
射ＳＴＭによると、チョッピングした光を光ファイバー
プローブに入射してもトンネル電流に有意な変化は現れ
ない。このように、本発明の光ファイバープローブを用
いる光照射ＳＴＭが熱膨張の影響を受けないことを確認
した。
に、従来型の光照射ＳＴＭによる測定では、試料がない
にもかかわらず計測されるトンネル電流が参照信号に同
期して変動し、照射光をチョッピングした影響が明らか
に現れている。一方、図８に示すように、本発明の光照
射ＳＴＭによると、チョッピングした光を光ファイバー
プローブに入射してもトンネル電流に有意な変化は現れ
ない。このように、本発明の光ファイバープローブを用
いる光照射ＳＴＭが熱膨張の影響を受けないことを確認
した。
【００５４】次に、本発明の光照射ＳＴＭによる測定例
について説明する。試料として、遺伝工学・タンパク質
工学的手法によって融合されたＧＦＰとチトクロムｂ５
６２から構成されるキメラタンパク質を用い、図６に示
した光照射ＳＴＭにより測定を行った。このキメラタン
パク質の合成法については、Biochemical and Biophysi
cal Research Communication 289, 299-304 (2001)を参
照されたい。このような複合分子系ではＧＦＰ分子の光
励起は蛍光には導かれず、分子内エネルギー移動の末に
チトクロム部位で光電流が生じるため、観測しているト
ンネル電流に変化を生じる。
について説明する。試料として、遺伝工学・タンパク質
工学的手法によって融合されたＧＦＰとチトクロムｂ５
６２から構成されるキメラタンパク質を用い、図６に示
した光照射ＳＴＭにより測定を行った。このキメラタン
パク質の合成法については、Biochemical and Biophysi
cal Research Communication 289, 299-304 (2001)を参
照されたい。このような複合分子系ではＧＦＰ分子の光
励起は蛍光には導かれず、分子内エネルギー移動の末に
チトクロム部位で光電流が生じるため、観測しているト
ンネル電流に変化を生じる。
【００５５】光照射ＳＴＭのプローブ先端をこのキメラ
タンパク質の自己組織化単分子膜上の一点に固定し、そ
の電流−電圧特性を測定して光励起電流の電圧依存性を
調べた。光源としては波長４８８ｎｍのアルゴンレーザ
を用い、チョッパーのチョッピング周波数は２００Ｈｚ
とした。ただし、従来型の光照射ＳＴＭでも測定結果に
熱膨張の影響がでないように、アルゴンレーザの出力を
０．１ｍＷに低く設定して測定した。また、トンネル電
流検出器２３の出力は、ロックイン増幅器５６を通さ
ず、波形表示装置５７に直接入力するようにした。
タンパク質の自己組織化単分子膜上の一点に固定し、そ
の電流−電圧特性を測定して光励起電流の電圧依存性を
調べた。光源としては波長４８８ｎｍのアルゴンレーザ
を用い、チョッパーのチョッピング周波数は２００Ｈｚ
とした。ただし、従来型の光照射ＳＴＭでも測定結果に
熱膨張の影響がでないように、アルゴンレーザの出力を
０．１ｍＷに低く設定して測定した。また、トンネル電
流検出器２３の出力は、ロックイン増幅器５６を通さ
ず、波形表示装置５７に直接入力するようにした。
【００５６】図９から図１１に、従来の光照射ＳＴＭと
本発明の光照射ＳＴＭによる測定結果を比較して示す。
図９は従来の光照射ＳＴＭによる測定結果であり、図１
０は本発明の光照射ＳＴＭによる測定結果である。ま
た、図１１は、図９の一部とそれに対応する図１０の一
部を拡大して重ねて表示した図である。図の横軸は電源
５２から印加されるバイアス電圧、縦軸はトンネル電流
検出器２３で検出されたトンネル電流及び参照信号であ
る。図に矩形波として示された参照信号は照射光のチョ
ッピングに対応し、参照信号がHIGHの状態は光が照射さ
れている状態、参照信号がLOWの状態は光が照射されて
いない状態に対応する。ここでは、測定を簡便に行うた
めに電源制御部５５による電源５２の電圧制御とチョッ
パー駆動部５３によるチョッパー５４の駆動、すなわち
照射光のオン・オフを同期させたため、各バイアス電圧
値が照射光のオンあるいはオフのいずれかと対応してい
る。
本発明の光照射ＳＴＭによる測定結果を比較して示す。
図９は従来の光照射ＳＴＭによる測定結果であり、図１
０は本発明の光照射ＳＴＭによる測定結果である。ま
た、図１１は、図９の一部とそれに対応する図１０の一
部を拡大して重ねて表示した図である。図の横軸は電源
５２から印加されるバイアス電圧、縦軸はトンネル電流
検出器２３で検出されたトンネル電流及び参照信号であ
る。図に矩形波として示された参照信号は照射光のチョ
ッピングに対応し、参照信号がHIGHの状態は光が照射さ
れている状態、参照信号がLOWの状態は光が照射されて
いない状態に対応する。ここでは、測定を簡便に行うた
めに電源制御部５５による電源５２の電圧制御とチョッ
パー駆動部５３によるチョッパー５４の駆動、すなわち
照射光のオン・オフを同期させたため、各バイアス電圧
値が照射光のオンあるいはオフのいずれかと対応してい
る。
【００５７】図９に示すように、従来の光照射ＳＴＭの
トンネル電流測定値には光照射したことによる変化がほ
とんど見られない。一方、図１０に示す本発明の光照射
ＳＴＭによると、特にバイアス電圧が比較的大きな領域
で、トンネル電流測定値に照射光のオン・オフに同期し
た変化が見られる。図１１に示した拡大図によると、従
来の光照射ＳＴＭのトンネル電流測定値には参照信号と
の関連が見られないのに対し、本発明の光照射ＳＴＭに
よるトンネル電流測定値は参照信号と強い関連を有して
変化している様子がはっきり見て取れる。このように、
本発明の光照射ＳＴＭによると従来の光照射ＳＴＭでは
分かりづらい、励起光のオン・オフに同期して電流が変
化する様を観察できた。
トンネル電流測定値には光照射したことによる変化がほ
とんど見られない。一方、図１０に示す本発明の光照射
ＳＴＭによると、特にバイアス電圧が比較的大きな領域
で、トンネル電流測定値に照射光のオン・オフに同期し
た変化が見られる。図１１に示した拡大図によると、従
来の光照射ＳＴＭのトンネル電流測定値には参照信号と
の関連が見られないのに対し、本発明の光照射ＳＴＭに
よるトンネル電流測定値は参照信号と強い関連を有して
変化している様子がはっきり見て取れる。このように、
本発明の光照射ＳＴＭによると従来の光照射ＳＴＭでは
分かりづらい、励起光のオン・オフに同期して電流が変
化する様を観察できた。
【００５８】なお、図９に示した測定でも光電流が生じ
ていないわけではないことを確認するため、トンネル電
流検出器２３の出力をロックイン増幅器５６に入力し、
ロックイン信号の変化を調べた。図１２は、その結果を
示す図である。図示するように、ロックイン信号は単な
る熱膨張を見ているだけの測定の場合には生じないバイ
アス電圧依存性を示した。このようにロックイン検波を
行うことで、従来の光照射ＳＴＭを用いた測定において
も光電流が生じていることを確認した。このことは、従
来の光照射ＳＴＭと本発明の光照射ＳＴＭには、ロック
イン検波が必要か否かという程大きな感度の違いがある
ということを意味する。なお従来法の場合には主に探針
の熱膨張を避けるために励起光をチョッピングするが、
本発明の光照射ＳＴＭではその必要性はほとんどない。
図でチョッピングしているのは単に光電流発生が生じて
いることを視覚的により明らかにするために行ったもの
である。
ていないわけではないことを確認するため、トンネル電
流検出器２３の出力をロックイン増幅器５６に入力し、
ロックイン信号の変化を調べた。図１２は、その結果を
示す図である。図示するように、ロックイン信号は単な
る熱膨張を見ているだけの測定の場合には生じないバイ
アス電圧依存性を示した。このようにロックイン検波を
行うことで、従来の光照射ＳＴＭを用いた測定において
も光電流が生じていることを確認した。このことは、従
来の光照射ＳＴＭと本発明の光照射ＳＴＭには、ロック
イン検波が必要か否かという程大きな感度の違いがある
ということを意味する。なお従来法の場合には主に探針
の熱膨張を避けるために励起光をチョッピングするが、
本発明の光照射ＳＴＭではその必要性はほとんどない。
図でチョッピングしているのは単に光電流発生が生じて
いることを視覚的により明らかにするために行ったもの
である。
【００５９】図１３は、本発明による走査型プローブ顕
微鏡（光照射ＳＴＭ）の他の例を示す全体構成図であ
る。図１３に示した走査型プローブ顕微鏡６０は、図６
に示した走査型プローブ顕微鏡（光照射ＳＴＭ）に、図
１に示した蛍光測定機能を付加したものである。図１３
において、図６、図１と同じ機能部分には図６、図１と
同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
微鏡（光照射ＳＴＭ）の他の例を示す全体構成図であ
る。図１３に示した走査型プローブ顕微鏡６０は、図６
に示した走査型プローブ顕微鏡（光照射ＳＴＭ）に、図
１に示した蛍光測定機能を付加したものである。図１３
において、図６、図１と同じ機能部分には図６、図１と
同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００６０】図１３に示した走査型プローブ顕微鏡６０
は、図６に示した光照射ＳＴＭと同様に、測定の際に光
ファイバープローブ１１の先端を試料２１上の測定点に
固定し、走査を行わない測定モードと、電源５２の電圧
を一定に固定し、トンネル電流検出器２３によって検出
されたトンネル電流が一定値となるようにＺ駆動部１４
をサーボ制御する測定モードの２種類の測定モードにお
いて使用することができる。この走査型プローブ顕微鏡
６０によると、ＳＴＭ像の測定、ＳＮＯＭ像の測定、光
励起電流の測定に加えて、光照射によって試料に生じる
蛍光の測定と光電流の測定を組み合わせた測定が可能に
なる。
は、図６に示した光照射ＳＴＭと同様に、測定の際に光
ファイバープローブ１１の先端を試料２１上の測定点に
固定し、走査を行わない測定モードと、電源５２の電圧
を一定に固定し、トンネル電流検出器２３によって検出
されたトンネル電流が一定値となるようにＺ駆動部１４
をサーボ制御する測定モードの２種類の測定モードにお
いて使用することができる。この走査型プローブ顕微鏡
６０によると、ＳＴＭ像の測定、ＳＮＯＭ像の測定、光
励起電流の測定に加えて、光照射によって試料に生じる
蛍光の測定と光電流の測定を組み合わせた測定が可能に
なる。
【００６１】分子の光電流発生機構の解明には、分子内
のエネルギー変換効率を知ることが重要である。そのた
めには、例えばＧＦＰ分子の励起エネルギーのどの程度
が光励起電流発生に寄与しているかを知る必要がある。
そこで、例えばＧＦＰとチトクロムが融合したタンパク
質とＧＦＰ単体の分子の混合膜を作り、それぞれの上で
のデータの比較をする。ＧＦＰ単体の方は光電流発生が
ないが、その代わり強い蛍光が観測されるので、この強
度を１００％とする。次に、光励起電流発生がある場所
での蛍光強度を測定し、前記１００％の強度と比較す
る。この測定により、分子内エネルギー変換効率などの
見積もりが可能となる。得られる画像としては光励起電
流発生像と蛍光像で、それぞれの画像の明暗はお互いに
ポジネガの関係にあるようなものになる。光励起電流発
生像と蛍光像の関係は、両者の空間相関をとるなどの方
法で数値的に解析することもできる。
のエネルギー変換効率を知ることが重要である。そのた
めには、例えばＧＦＰ分子の励起エネルギーのどの程度
が光励起電流発生に寄与しているかを知る必要がある。
そこで、例えばＧＦＰとチトクロムが融合したタンパク
質とＧＦＰ単体の分子の混合膜を作り、それぞれの上で
のデータの比較をする。ＧＦＰ単体の方は光電流発生が
ないが、その代わり強い蛍光が観測されるので、この強
度を１００％とする。次に、光励起電流発生がある場所
での蛍光強度を測定し、前記１００％の強度と比較す
る。この測定により、分子内エネルギー変換効率などの
見積もりが可能となる。得られる画像としては光励起電
流発生像と蛍光像で、それぞれの画像の明暗はお互いに
ポジネガの関係にあるようなものになる。光励起電流発
生像と蛍光像の関係は、両者の空間相関をとるなどの方
法で数値的に解析することもできる。
【００６２】
【発明の効果】本発明によると、ＳＮＯＭの感度が高
く、蛍光観察が可能なＳＮＯＭ／ＳＴＭを提供すること
ができる。また、本発明によると、熱膨張の影響をほと
んど受けずに高感度な測定が可能であり、蛍光と光電流
の同時測定が可能な光照射ＳＴＭを提供することができ
る。
く、蛍光観察が可能なＳＮＯＭ／ＳＴＭを提供すること
ができる。また、本発明によると、熱膨張の影響をほと
んど受けずに高感度な測定が可能であり、蛍光と光電流
の同時測定が可能な光照射ＳＴＭを提供することができ
る。
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡（ＳＮＯＭ
／ＳＴＭ複合装置）の一例を示す全体構成図。
／ＳＴＭ複合装置）の一例を示す全体構成図。
【図２】本発明による走査型プローブ顕微鏡に用いられ
る光ファイバープローブの先端部の概略図。
る光ファイバープローブの先端部の概略図。
【図３】光ファイバープローブ先端の電子顕微鏡像。
【図４】本発明による光ファイバープローブの先端部と
従来のＳＮＯＭプローブの先端部を比較して示した模式
図。
従来のＳＮＯＭプローブの先端部を比較して示した模式
図。
【図５】本発明の走査型プローブ顕微鏡によるＳＮＯＭ
／ＳＴＭ同時測定の測定例を示す図。
／ＳＴＭ同時測定の測定例を示す図。
【図６】本発明による走査型プローブ顕微鏡（光照射Ｓ
ＴＭ）の一例を示す全体構成図。
ＴＭ）の一例を示す全体構成図。
【図７】試料がないときの従来型光照射ＳＴＭの測定結
果を示す図。
果を示す図。
【図８】試料がないときの本発明による光照射ＳＴＭの
測定結果を示す図。
測定結果を示す図。
【図９】従来型光照射ＳＴＭの測定結果を示す図。
【図１０】本発明による光照射ＳＴＭの測定結果を示す
図。
図。
【図１１】図９の一部とそれに対応する図１０の一部を
拡大して重ねて表示した図。
拡大して重ねて表示した図。
【図１２】従来型光照射ＳＴＭの出力をロックイン検波
した結果を示す図。
した結果を示す図。
【図１３】本発明による走査型プローブ顕微鏡（光照射
ＳＴＭ）の他の例を示す全体構成図。
ＳＴＭ）の他の例を示す全体構成図。
１０…走査型プローブ顕微鏡（ＳＮＯＭ／ＳＴＭ複合装
置）、１１…光ファイバープローブ、１２，１３…ＸＹ
駆動部、１４…Ｚ駆動部、１５…光源、１６…光学フィ
ルタ、１７…光検出器、１８…光学フィルタ、１９…走
査回路、２０…画像表示装置、２１…試料、２２…電
源、２３…トンネル電流検出器、２４…サーボ回路、２
５…ダイクロイックミラー、３１…コア、３２…クラッ
ド、３３…開口部、３４…金属膜、３５…ＩＴＯ薄膜、
４１…光ファイバー、４２…被覆金属膜、４３…光ファ
イバー、４４…被覆金属膜、４５…ＩＴＯ薄膜、５０…
走査型プローブ顕微鏡（光照射ＳＴＭ）、５２…電源、
５３…チョッパー駆動部、５４…チョッパー、５５…電
源制御部、５６…ロックイン増幅器、５７…波形表示装
置、６０…走査型プローブ顕微鏡（光照射ＳＴＭ）
置）、１１…光ファイバープローブ、１２，１３…ＸＹ
駆動部、１４…Ｚ駆動部、１５…光源、１６…光学フィ
ルタ、１７…光検出器、１８…光学フィルタ、１９…走
査回路、２０…画像表示装置、２１…試料、２２…電
源、２３…トンネル電流検出器、２４…サーボ回路、２
５…ダイクロイックミラー、３１…コア、３２…クラッ
ド、３３…開口部、３４…金属膜、３５…ＩＴＯ薄膜、
４１…光ファイバー、４２…被覆金属膜、４３…光ファ
イバー、４４…被覆金属膜、４５…ＩＴＯ薄膜、５０…
走査型プローブ顕微鏡（光照射ＳＴＭ）、５２…電源、
５３…チョッパー駆動部、５４…チョッパー、５５…電
源制御部、５６…ロックイン増幅器、５７…波形表示装
置、６０…走査型プローブ顕微鏡（光照射ＳＴＭ）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 原 正彦
埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所
内
(72)発明者 藤田 大介
茨城県つくば市千現一丁目２番１号 独立
行政法人物質・材料研究機構内
Ｆターム(参考） 2F069 AA60 GG06 GG07 GG62 HH30
JJ08 LL03
Claims (7)
- 【請求項１】 走査型プローブ顕微鏡に用いられる光フ
ァイバープローブにおいて、円錐状に突出した先端部を
有する光ファイバーと、前記先端部の最先端領域以外の
領域からの光入出射を防止する遮光膜と、前記最先端領
域に被覆されたＩＴＯ薄膜とを備えることを特徴とする
光ファイバープローブ。 - 【請求項２】 円錐状に突出した先端部を有する光ファ
イバー、前記先端部の最先端領域以外の領域からの光入
出射を防止する遮光膜、及び前記最先端領域に被覆され
たＩＴＯ薄膜を備える光ファイバープローブと、 光源と、 前記光源からの光を前記光ファイバープローブの前記最
先端領域から出射させるための手段と、 前記光ファイバープローブの前記最先端領域から入射し
た光を検出するための光検出器と、 前記光ファイバープローブを当該光ファイバープローブ
からの出射光の光軸方向に駆動するための第１の駆動手
段と、 前記光ファイバープローブを前記光軸方向と交差する２
方向に駆動するための第２の駆動手段と、 前記第２の駆動手段に前記光ファイバープローブを前記
光軸と交差する方向に２次元走査するための走査信号を
出力する走査制御手段と、 前記光ファイバープローブと試料との間に電圧を印加す
るための電源と、 前記光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネ
ル電流が一定値となるように前記第１の駆動手段をサー
ボ制御するサーボ手段と、 前記光検出器の出力と前記走査制御手段からの走査信号
が入力される画像表示手段と、を備えることを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項３】 円錐状に突出した先端部を有する光ファ
イバー、前記先端部の最先端領域以外の領域からの光入
出射を防止する遮光膜、及び前記最先端領域に被覆され
たＩＴＯ薄膜を備える光ファイバープローブと、 光源と、 前記光源からの光を強度変調する変調手段と、 前記強度変調された光を前記光ファイバープローブの前
記最先端領域から出射させるための手段と、 前記光ファイバープローブと試料との間に電圧を印加す
るための電源と、 前記光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネ
ル電流を検出するトンネル電流検出器と、 試料への光照射によって生じる前記トンネル電流検出器
の出力変化を検出するトンネル電流変化検出手段と、 前記トンネル電流変化検出手段によって検出された変化
を表示する表示手段と、を備えることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。 - 【請求項４】 請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡に
おいて、 前記光ファイバープローブを当該光ファイバープローブ
からの出射光の光軸方向に駆動するための第１の駆動手
段と、 前記光ファイバープローブを前記光軸方向と交差する２
方向に駆動するための第２の駆動手段と、 前記第２の駆動手段に前記光ファイバープローブを前記
光軸と交差する方向に２次元走査するための走査信号を
出力する走査制御手段と、 前記光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネ
ル電流のうち前記変調手段の変調周波数より低い周波数
成分が一定値となるように前記第１の駆動手段をサーボ
制御するサーボ手段と、 前記トンネル電流変化検出手段の出力と前記走査制御手
段からの走査信号が入力される画像表示手段とを備える
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項５】 円錐状に突出した先端部を有する光ファ
イバー、前記先端部の最先端領域以外の領域からの光入
出射を防止する遮光膜、及び前記最先端領域に被覆され
たＩＴＯ薄膜を備える光ファイバープローブと、 光源と、 前記光源からの光を強度変調する変調手段と、 前記強度変調された光を前記光ファイバープローブの前
記最先端領域から出射させるための手段と、 前記光ファイバープローブの前記最先端領域から入射し
た光を検出するための光検出器と、 前記光ファイバープローブと試料との間に電圧を印加す
るための電源と、 前記光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネ
ル電流を検出するトンネル電流検出器と、 試料への光照射によって生じる前記トンネル電流検出器
の出力変化を検出するトンネル電流変化検出手段と、 前記光検出器の出力及び前記トンネル電流変化検出手段
によって検出された変化を表示する表示手段と、を備え
ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項６】 請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡に
おいて、 前記光ファイバープローブを当該光ファイバープローブ
からの出射光の光軸方向に駆動するための第１の駆動手
段と、 前記光ファイバープローブを前記光軸方向と交差する２
方向に駆動するための第２の駆動手段と、 前記第２の駆動手段に前記光ファイバープローブを前記
光軸と交差する方向に２次元走査するための走査信号を
出力する走査制御手段と、 前記光ファイバープローブと試料との間に流れるトンネ
ル電流のうち前記変調手段の変調周波数より低い周波数
成分が一定値となるように前記第１の駆動手段をサーボ
制御するサーボ手段とを備えることを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。 - 【請求項７】 請求項３〜６のいずれか１項記載の走査
型プローブ顕微鏡において、前記トンネル電流変化検出
手段は、ロックイン増幅器であることを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002325920A JP2003207437A (ja) | 2001-11-08 | 2002-11-08 | 光ファイバープローブ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001343195 | 2001-11-08 | ||
| JP2001-343195 | 2001-11-08 | ||
| JP2002325920A JP2003207437A (ja) | 2001-11-08 | 2002-11-08 | 光ファイバープローブ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003207437A true JP2003207437A (ja) | 2003-07-25 |
Family
ID=27667001
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002325920A Pending JP2003207437A (ja) | 2001-11-08 | 2002-11-08 | 光ファイバープローブ及びそれを備える走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003207437A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006029831A (ja) * | 2004-07-12 | 2006-02-02 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバプローブ、光検出装置、及び光検出方法 |
| JP2010243377A (ja) * | 2009-04-08 | 2010-10-28 | Mitsubishi Electric Corp | 走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡 |
| JP2012088283A (ja) * | 2010-10-22 | 2012-05-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | プローブ型光測定装置および光測定方法 |
| WO2012145883A1 (zh) * | 2011-04-23 | 2012-11-01 | Fu Defu | 一种发光采集装置 |
-
2002
- 2002-11-08 JP JP2002325920A patent/JP2003207437A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006029831A (ja) * | 2004-07-12 | 2006-02-02 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバプローブ、光検出装置、及び光検出方法 |
| JP2010243377A (ja) * | 2009-04-08 | 2010-10-28 | Mitsubishi Electric Corp | 走査型プローブ光電子収量分光顕微法および走査型プローブ光電子収量分光顕微鏡 |
| JP2012088283A (ja) * | 2010-10-22 | 2012-05-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | プローブ型光測定装置および光測定方法 |
| WO2012145883A1 (zh) * | 2011-04-23 | 2012-11-01 | Fu Defu | 一种发光采集装置 |
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