JP2003329565A

JP2003329565A - 走査プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2003329565A
Application number: JP2002132592A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Amakusa; 貴昭天草
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】【目的】カンチレバと一緒に透明板が振動することに
より生ずる分解能の低下を防ぐ。【構成】液中に光線を安定して導入するため、液面に
接するように透明板が設置された液中セルを備えた、カ
ンチレバ先端に設置された探針を試料表面に接近させて
試料表面情報を検出する走査プローブ顕微鏡において、
透明板が、カンチレバ等より成る振動体とは独立して、
液中セル近傍のホルダに保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査プローブ顕微鏡に関
し、特に、液中で試料の観察を行うことに適した走査プ
ローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査プローブ顕微鏡には種々の形態があ
るが、試料表面とカンチレバ等の先端に取り付けられた
探針の間の原子間力等が一定になるように試料表面をな
ぞり、試料表面形状を観察する形態の原子間力顕微鏡等
が含まれる。この動作原理から真空中はもとより、大気
中や溶液中での観察も可能な装置である。近年、試料と
探針間に働く原子間の斥力の領域で観察を行うコンタク
ト・モードだけではなく、原子間の引力が働く領域で観
察するＡＣ・モードと呼ばれる手法も開発されている。
このＡＣ・モードは、圧電振動素子を使用してカンチレ
バを固有振動数で加振し、カンチレバが試料表面により
引力を受けると、見かけ上、カンチレバの固有振動数が
低くなるという現象を利用して、カンチレバの振幅を一
定になるように試料と探針間の距離を制御するものであ
る。カンチレバの振動数の変位は、レーザ光源から照射
されたレーザ光をカンチレバの試料と反対の面に照射
し、反射したレーザ光をフォト受光部で受光し、その位
置の変位を測定することにより検出される。この反射さ
れたレーザ光に含まれる周波数成分の内から、引力作用
による周波数変化を検出し、３次元スキャナにフィード
バックし、探針と試料間の距離を一定に保つように制御
している。これにより探針を試料に接触することなく試
料表面を観察することが可能である。コンタクト・モー
ドは試料と探針の距離が近いため、試料表面を破壊しな
がら観察してしまう危険性があるが、ＡＣ・モードは、
非接触距離から原子間力等を感知して観察するので試料
へのダメージは少なく、試料表面を正確に観察するこが
出来る。

【０００３】生体試料などの観察は、細胞を生かしたま
ま観察するために、しばしば溶液中での観察がなされる
が、一般に生体試料は凹凸が激しく観察は困難である。
そこで溶液中で前述のＡＣ・モードを用いて観察を行う
ことが重要となってくる。液中で観察を行う際は、レー
ザ光を安定させるために、液面をガラス板で覆う。

【０００４】しかしながら、従来は図７のように、ガラ
ス板１１がカンチレバ保持部８に接着等で一体化して固
定されていたため、ガラス板１１もカンチレバ５と一緒
に振動していた。このため、ガラス板１１が溶液の抵抗
を受けて加振振幅を弱める方向に働き、分解能が落ちて
いた。より大きな電圧で加振させれば溶液の抵抗に負け
ないようにすることが出来るが、微小な原子間力等によ
る固有振動数の影響が小さくなり、分解能が落ちてい
た。また、ガラス板１１が溶液を細かく振動し、レーザ
光が当たるガラス板１１自身も振動してレーザ焦点が広
がるため分解能が落ちていた。さらに、液面が試料上面
より下でガラス板が不必要な場合でも、ガラス板を外す
ことが出来なかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する問題は、カンチレバと一緒にガラス板が振動するこ
とにより生ずる分解能の低下を防ぐことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、カンチレバ先
端を試料表面に接近させて、物質間に作用する力に基づ
いて試料表面の情報を検出する走査プローブ顕微鏡であ
って、液中に試料を保持する液中セルと、液中セル内の
試料に対向するよう設置されたカンチレバと、液中に光
線を安定して導入するため、液表面に接するよう保持さ
れた透明板と、を備えており、透明板が、カンチレバと
は独立して保持されたことを特徴とする。また本発明
は、液中セル近傍にホルダを備えており、透明板と、カ
ンチレバが、それぞれ独立して、ホルダに保持されたこ
とを特徴とする。また本発明は、ＸＹＺ方向に走査する
走査手段が液中セルに取り付けられたことを特徴とす
る。また本発明は、透明板が着脱可能なことを特徴とす
る。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明による実施例の断面図であ
る。図２は、図１におけるＡＡ断面である。３次元スキ
ャナ２は、電圧により伸縮する圧電素子によって構成さ
れており、電圧を印加することにより、ＸＹＺ方向の任
意の方向に変位を生じる。３次元スキャナ２上に設置さ
れた開放型の液中セル１の内には、溶液が入っており、
底部に試料３が設置されている。溶液は、水等の液体で
もよい。液中セル１の上方にはホルダ４が固定されてお
り、ガラス板１１はガラス板保持部材１３を介して、カ
ンチレバ保持部材８に触れないように、カンチレバ５と
は独立して支持されている。ガラス板１１は液面に生じ
る波等でレーザ光１４を妨げたり散乱させないために設
置し、溶液の表面張力によりガラス板１１に密着する高
さに調整し、液面１２とガラス板１１の間に気泡が入ら
ないようにする。ガラス板１１は、プラスチックなどの
透明な板でもよい。カンチレバ５は、圧電振動素子１
０、絶縁体９、カンチレバ保持部材８などを介して、ガ
ラス板１１から独立してホルダ４に取り付けられてい
る。圧電振動素子１０の両面は、図示しない電線及び電
源が接続されており、電極になるため、絶縁体９により
絶縁を行う。圧電振動素子１０以下の部分が加振される
部分となる。カンチレバ５は、カンチレバ保持部材８と
ネジ止めされたカンチレバ押さえ７に挟まれて保持され
ている。カンチレバ５の取り付け方法は、バネ等で押さ
えてもよい。カンチレバ５の先端には探針６が試料３に
接近して設置されている。レーザ光１４は、図示しない
レーザ光源より、ほぼ垂直にガラス板１１を通して液中
に入射して、カンチレバ５の試料３と反対の面に反射し
て、再びガラス板１１を通過して液中より出て、図示し
ないフォト受光部によって受光される。液中セル１周辺
の圧力は、真空でも、１０気圧程度の高圧でもよい。ま
た、液中セル１内の温度は、液体窒素・液体ヘリウム等
の冷媒又は機械式のクライオスタットを用いる低温環境
でも、加熱ヒータを用いる高温環境でもよい。さらに、
レーザ光１４は、他の光源を用いてもよい。

【０００８】上記のような構成において、カンチレバ５
はその長さや厚さによって数十ｋＨｚから数百ｋＨｚの
固有振動周波数を有しており、圧電振動素子１０に図示
しない発振器からこの固有振動周波数を加えると、カン
チレバ５の先端に設置されている探針６が数ｎｍ程度上
下動を繰り返す。この状態を定常状態として探針６を試
料３に接近させた場合、最下点で試料３と探針６間に原
子間力が作用する。探針６が原子間力を受けると定常状
態の振動周波数に比べて周波数が低くなる。この周波数
変化は、図示しないフォト受光部で受光された、カンチ
レバ５から反射されたレーザ光１４に含まれる周波数成
分の内から分析することが出来るので、この情報を３次
元スキャナ２にフィードバックし、３次元スキャナ２に
電圧を加えることにより伸縮させ、探針６と試料３の距
離を一定に保つように制御することが出来る。この時３
次元スキャナ２に加えた電圧から距離換算したデータに
基づいて、試料３の凹凸を画像化することが出来る。

【０００９】本発明は、ガラス板１１を独立してホルダ
４に固定したため、ガラス板１１自体が振動することが
なくなり、ガラス板１１が溶液の抵抗を受けて加振振幅
を小さくすることがなく、分解能の低下を招かなくなっ
た。また、カンチレバ５の加振に必要な電圧が小さく出
来て感度が増したため、分解能が高まった。さらに、ガ
ラス板１１の振動が無くなり、カンチレバ５に入射及び
反射するレーザ光が安定し、分解能の低下を招かなくな
った。

【００１０】図３は、本発明による他の実施例である。
図４は、図３におけるＢＢ断面図である。ガラス板保持
部材１３の位置は図２の位置に限らず、図３の位置でも
よい。また、カンチレバ５とガラス板保持部材１３の取
り付けは、図１のようにネジ止めには限らず、図３のよ
うに台形スライダとストッパで固定してもよい。

【００１１】図５、６は、本発明による、溶液量を変化
させた場合の実施例である。図５は、液面１２が試料３
の上面より下の場合の例である。試料３が水分を保持す
ればよい場合は、液面１２を試料３の上面より下にし
て、ガラス板を取り外してもよい。ガラス板が着脱可能
になったため、溶液面１２が試料３の上面より下の場合
はガラス板を取り外すことが出来、より分解能を要する
場合には有効である。しかし、ガラス板を付けたままで
十分な分解能が得られる場合は、ガラス板を外さなくて
もよい。図６は、溶液のない場合である。溶液が全くな
い場合も、ガラス板を取り外してもよい。また、この状
態から溶液を注入して観察を行ってもよい。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ガラス板
が、カンチレバ等より成る振動体とは独立して、ホルダ
に保持されているため、ガラス板が振動することによる
外乱が起こらず、高い分解能を得ることが出来る。

【００１３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例の断面図である。

【図２】図１におけるＡＡ断面図である。

【図３】本発明による、ガラス板の取り付け位置が図１
とは異なる場合の実施例である。

【図４】図３におけるＢＢ断面図である。

【図５】本発明による、液面が試料上面より低い場合の
実施例である。

【図６】本発明による、溶液の無い場合の実施例であ
る。

【図７】従来技術による実施例である。

【図８】図７におけるＣＣ断面図である。

【符号の説明】

１液中セル２３次元スキャナ３試料４ホルダ５カンチレバ６探針７カンチレバ押さえ８カンチレバ保持部材９絶縁体１０圧電振動素子１１ガラス板１２液面１３ガラス板保持部材１４レーザ光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバ先端を試料表面に接近させて、
物質間に作用する力に基づいて試料表面の情報を検出す
る走査プローブ顕微鏡であって、液中に前記試料を保持
する液中セルと、前記液中セル内の前記試料に対向する
よう設置されたカンチレバと、前記液中に光線を安定し
て導入するため、前記液表面に接するよう保持された透
明板と、を備えており、前記透明板が、前記カンチレバ
とは独立して保持された走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】前記液中セル近傍にホルダを備えており、
前記透明板と、前記カンチレバが、それぞれ独立して、
前記ホルダに保持されたことを特徴とする請求項１に記
載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】ＸＹＺ方向に走査する走査手段が前記液中
セルに取り付けられたことを特徴とする請求項１又は請
求項２に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記透明板が着脱可能な請求項１乃至請求
項３のいずれかに記載の走査プローブ顕微鏡。