JP2005249588A - 近接場分光分析装置 - Google Patents

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

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。

特開２００３−１０６９７７号公報（特許請求の範囲）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１は、従来の近接場分光分析装置を部分的に示す図である。 図２は、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である。 図３は、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図である。 図４は、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図である。 図５は、第２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図である。 図６は、第２発明に更に別の実施形態による近接場分光分析装置を部分的に示す図である。

符号の説明

〔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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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