JP2005249588A - 近接場分光分析装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 バックグラウンド光と近接場光とを分離することにより、感度を向上させた近接場光分光分析装置を提供する。
【解決手段】 探針Pの先端Tに光Lを照射して発生した近接場光Nを試料Sの表面に照射し、これによる試料Sの表面からの反射光Rを分光分析する近接場分光分析装置において、円錐状遮光壁Kにより少なくとも光照射を受ける探針先端Tの周囲を覆い、円錐状遮光壁Kの先端にあるピンホールHから探針先端Tが露出可能なように探針Pを配置し、遮光壁円錐立体角φの内側に上記ピンホールHを通して探針先端Tに光Lを照するための光源Eを配置し、遮光壁円錐立体角φの外側に試料Sの表面からの反射光Rを検出する検出器Dを配置した。
【選択図】 図2
【解決手段】 探針Pの先端Tに光Lを照射して発生した近接場光Nを試料Sの表面に照射し、これによる試料Sの表面からの反射光Rを分光分析する近接場分光分析装置において、円錐状遮光壁Kにより少なくとも光照射を受ける探針先端Tの周囲を覆い、円錐状遮光壁Kの先端にあるピンホールHから探針先端Tが露出可能なように探針Pを配置し、遮光壁円錐立体角φの内側に上記ピンホールHを通して探針先端Tに光Lを照するための光源Eを配置し、遮光壁円錐立体角φの外側に試料Sの表面からの反射光Rを検出する検出器Dを配置した。
【選択図】 図2
Description
本発明は、探針の先端に光を照射して発生した近接場光を試料表面に照射し、これによる試料表面からの反射光を分光分析する近接場分光分析装置に関する。
近接場分光分析装置は、光波長以下の高空間分解能で、試料表面の化学結合状態を解析するための極めて有力な手段であり、その基本的な原理および構造については例えば特許文献1(特開2003−106977号公報)に詳述されている。
図1(1)に示すように、探針Pの先端Tは光の波長より遥かに小さい数百nm以下の曲率半径を持っており、光Lを照射すると探針先端Tから光波長より小さい範囲内に近接場光Nが発生する。これを試料Sに照射し、試料からの反射光Rを検出器Dで検出して分光分析することにより近接場分光分析(この例では散乱型の近接場分光分析)ができる。図1(2)はこれにより得られる近接場光スペクトルの一例である。
その際、探針先端Tの曲率半径を小さくするほど、空間分解能を高めることができるが、近接場光Nの強度は低下し、それに応じて感度が低下する。探針先端Tに照射する光源Lの強度を大きくすれば、原理的には近接場光Nの強度が増加して感度も増加するはずであるが、照射光Lの大半は強いバックグラウンド光Bとなり、弱い近接場光Nあるいはその反射光Rと混在してしまうため、検出スペクトルのバックグラウンドが全体に高くなるだけで、実質的な感度を向上させることはできない。
本発明は、バックグラウンド光と近接場光とを分離することにより、感度を向上させた近接場光分光分析装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、第1発明の近接場分光分析装置は、探針の先端に光を照射して発生した近接場光を試料表面に照射し、これによる試料表面からの反射光を分光分析する近接場分光分析装置において、
円錐状遮光壁により、少なくとも光照射を受ける探針先端の周囲を覆い、
円錐状遮光壁の先端にあるピンホールから探針先端が露出可能なように探針を配置し、
遮光壁円錐立体角の内側に、上記ピンホールを通して探針先端に光を照するための光源を配置し、
遮光壁円錐立体角の外側に、試料表面からの反射光を検出する検出器を配置した
ことを特徴とする。
円錐状遮光壁により、少なくとも光照射を受ける探針先端の周囲を覆い、
円錐状遮光壁の先端にあるピンホールから探針先端が露出可能なように探針を配置し、
遮光壁円錐立体角の内側に、上記ピンホールを通して探針先端に光を照するための光源を配置し、
遮光壁円錐立体角の外側に、試料表面からの反射光を検出する検出器を配置した
ことを特徴とする。
また、第2発明による近接場分光分析装置は、探針の先端に光を照射して発生した近接場光を試料表面に照射し、これによる試料表面からの反射光を分光分析する近接場分光分析装置において、
円錐状遮光壁により、少なくとも光照射を受ける探針先端の周囲を覆い、
円錐状遮光壁の先端にあるピンホールから探針先端が露出可能なように探針を配置し、
遮光壁円錐立体角の外側に、探針先端に光を照射するための光源を配置し、
遮光壁円錐立体角の内側に、試料表面からの反射光を上記ピンホールを通して検出する検出器を配置した
ことを特徴とする。
円錐状遮光壁により、少なくとも光照射を受ける探針先端の周囲を覆い、
円錐状遮光壁の先端にあるピンホールから探針先端が露出可能なように探針を配置し、
遮光壁円錐立体角の外側に、探針先端に光を照射するための光源を配置し、
遮光壁円錐立体角の内側に、試料表面からの反射光を上記ピンホールを通して検出する検出器を配置した
ことを特徴とする。
第1、第2発明ともに、探針照射用光源と試料反射光検出器とを遮光壁円錐立体角の内側と外側とに分けて配置したので、近接場光をバックグラウンド光とは分離して検出できるため、感度が顕著に向上する。
本発明は、光散乱タイプをベースとして、主に赤外分光分析法を適用対象とするが、これに限定する必要はなく、ラマン分光分析法、可視・紫外分光分析法にも適用できる。
〔実施形態1〕
図2に、第1発明の一実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す。
図2に、第1発明の一実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す。
探針Pの先端Tに、光源Eからの光Lを照射して発生した近接場光Nを試料Sの表面に照射し、これによる試料Sの表面からの反射光Rを検出器Dで検出して分光分析する。
円錐状遮光壁Kが、少なくとも光照射を受ける探針先端Tの周囲を覆っており、探針Pは、円錐状遮光壁Kの先端にあるピンホールHから探針先端Tが露出可能なように配置されている。
本実施形態の特徴は、遮光壁Kの円錐立体角φの内側に、探針への光照射用の光源Eを配置し、これに対して、遮光壁Kの円錐立体角φの外側に、試料Sの表面からの反射光Rを検出する検出器Dを配置した構成にある。バックグラウンド光Bが円錐状遮光壁Kにより遮断されるので、近接場光Nおよびその反射光Rがバックグラウンド光Bから分離され、高感度分光分析が可能になる。
基本的には、探針Pと円錐状遮光壁Kは一体構造として作製されており、一緒に試料Sの表面を走査する。ただし、探針PはピンホールHと独立に振動し、探針先端TがピンホールHから高周波数で出入している。ピンホールHから探針先端Tが露出した時に試料Sの表面観察およびその部位での分光解析がなされる。
探針PとピンホールHとは非接触とし、両者間の間隙は、光Lが探針先端Tに十分照射されるように確保すると同時に、バックグラウンド光Bの外部漏洩量をできるだけ少なくするように絞って設定する。
探針Pは、走査プローブ顕微鏡と同等のシリコンまたは窒化珪素製の探針である場合には先端Tの曲率半径が10〜100nmであり、その場合のピンホールHの径は0.1〜10μm程度である。
〔実施形態2〕
図3に、第1発明の他の実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す。
〔実施形態2〕
図3に、第1発明の他の実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す。
基本構成は図1の実施形態1と同様であるが、更に探針Tの直近先方に凹面鏡Cを配置した点が特徴である。凹面鏡Cの中央部には、近接場光Nが通るピンホールhが開口している。
円錐状遮光壁Kの先端ピンホールHからもれたわずかなバックグラウンド光も凹面鏡Cにより反射・回収される。その一部は、探針先端Tに照射され更に近接場光を発生させる。これら2つの作用により更に感度が高まる。
凹面鏡Cのピンホールhの直径は、円錐状遮光壁KのピンホールHと同等か、それ以下とする。
〔実施形態3〕
図4に、第2発明の一実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す。
〔実施形態3〕
図4に、第2発明の一実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す。
本実施形態は、図2の実施形態1に対して光源Eと検出器Dの配置関係を逆にした構成が特徴である。すなわち、遮光壁Kの円錐立体角φの外側に、探針への光照射用の光源E配置し、これに対して、遮光壁Kの円錐立体角φの外側に、試料Sの表面からの反射光Rを検出する検出器Dを配置した。バックグラウンド光Bが円錐状遮光壁Kにより遮断されるので、近接場光Nおよびその反射光Rがバックグラウンド光Bから分離され、高感度分光分析が可能になる。
実施形態1の構造では、探針先端TがピンホールHから露出した状態では、光LがピンホールHで絞られて探針先端Tへの照射量が少なくなるため、近接場が広がり、空間分解能の点で不利になる。
これに対して本実施形態の構造では、光Lは遮光壁KのピンホールHを介さず直接に探針先端Tに照射され、試料Sの表面に最接近した際に、探針先端Tの最先端部より近接場光Nが生じるため、近接場光Nの照射領域が小さく絞られ、高い空間分解能が達成される点で実施形態1の構造に比較して有利である。
他の構造的特長については、実施形態1について説明したのと同様である。
〔実施形態4〕
図5に、第2発明の他の実施形態による近接場分光分析装置を示す。
〔実施形態4〕
図5に、第2発明の他の実施形態による近接場分光分析装置を示す。
本実施形態では、探針先端TをカーボンナノチューブCNTで作製した点が特徴である。CNTは多層(MCNT)でも単層(SCNT)でもよい。長さ数百nmのものを用いる。単層(SCNT)の場合、円錐状遮光壁KのピンホールHの直径は10nm程度まで絞れる。
CNTは、通常のシリコンや窒化珪素の探針先端よりも遥かに曲率半径を小さくできるので、更に高い空間分解能が得られる。
また、CNTはシリコンや窒化珪素よりも強度が高いため、耐久性も向上する。
なお、図示の例では第2発明に適用した場合を示したが、第1発明に適用しても同等の効果が得られる。
〔実施形態5〕
図6に、第2発明の他の実施形態による近接場分光分析装置を示す。
〔実施形態5〕
図6に、第2発明の他の実施形態による近接場分光分析装置を示す。
本実施形態では、探針先端Tを金属内包カーボンナノチューブCNTMで作製した点が特徴である。金属Mとしては、例えばAg、Al、Ga、In等を用いる。金属内包部の長さは短い方が望ましく、例えば50nm以下とする。この金属内包部で表面増強反射が生じ、近接場光の強度が最大で105倍まで増強するため、分子オーダーの分解能と同時に超高感度が得られる。
本実施形態についても、図示の例では第2発明に適用した場合を示したが、第1発明に適用しても同等の効果が得られる。
本発明は、バックグラウンド光と近接場光とを分離することにより、感度を向上させた近接場光分光分析装置を提供する。
〔実施形態1〕
P…探針
T…探針Pの先端
E…光源
L…光源Eからの光
N…近接場光
S…試料
R…反射光
D…検出器
K…本発明の円錐状遮光壁
H…円錐状遮光壁Kの先端に開口するピンホール
φ…遮光壁Kの円錐立体角
B…バックグラウンド光
CNT…カーボンナノチューブ製の探針先端
CNTM…金属内包カーボンナノチューブ製の探針先端
M…内包された金属
P…探針
T…探針Pの先端
E…光源
L…光源Eからの光
N…近接場光
S…試料
R…反射光
D…検出器
K…本発明の円錐状遮光壁
H…円錐状遮光壁Kの先端に開口するピンホール
φ…遮光壁Kの円錐立体角
B…バックグラウンド光
CNT…カーボンナノチューブ製の探針先端
CNTM…金属内包カーボンナノチューブ製の探針先端
M…内包された金属
Claims (5)
- 探針の先端に光を照射して発生した近接場光を試料表面に照射し、これによる試料表面からの反射光を分光分析する近接場分光分析装置において、
円錐状遮光壁により、少なくとも光照射を受ける探針先端の周囲を覆い、
円錐状遮光壁の先端にあるピンホールから探針先端が露出可能なように探針を配置し、
遮光壁円錐立体角の内側に、探針先端への光照射用の光源を配置し、
遮光壁円錐立体角の外側に、試料表面からの反射光を検出する検出器を配置した
ことを特徴とする近接場分光分析装置。 - 請求項1において、周囲を円錐状遮光壁に覆われた探針先端の直近先方に、近接場光が通るピンホールが中央部に開口している凹面鏡を配置したことを特徴とする近接場分光分析装置。
- 探針の先端に光を照射して発生した近接場光を試料表面に照射し、これによる試料表面からの反射光を分光分析する近接場分光分析装置において、
円錐状遮光壁により、少なくとも光照射を受ける探針先端の周囲を覆い、
円錐状遮光壁の先端にあるピンホールから探針先端が露出可能なように探針を配置し、
遮光壁円錐立体角の外側に、探針先端への光照射用の光源を配置し、
遮光壁円錐立体角の内側に、試料表面からの反射光を検出する検出器を配置した
ことを特徴とする近接場分光分析装置。 - 請求項1から3までのいずれか1項において、探針先端をカーボンナノチューブで形成したことを特徴とする近接場分光分析装置。
- 請求項4において、上記カーボンナノチューブが金属内包カーボンナノチューブであることを特徴とする近接場分光分析装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004060569A JP2005249588A (ja) | 2004-03-04 | 2004-03-04 | 近接場分光分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004060569A JP2005249588A (ja) | 2004-03-04 | 2004-03-04 | 近接場分光分析装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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JP (1) | JP2005249588A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008111390A1 (ja) * | 2007-03-12 | 2008-09-18 | Hitachi, Ltd. | 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法 |
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WO2009110157A1 (ja) * | 2008-03-05 | 2009-09-11 | 株式会社日立製作所 | 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法 |
-
2004
- 2004-03-04 JP JP2004060569A patent/JP2005249588A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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