JP2011180043A

JP2011180043A - 観察装置および観察セル

Info

Publication number: JP2011180043A
Application number: JP2010045932A
Authority: JP
Inventors: Satoru Watanabe; 渡辺　　悟
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-02
Also published as: JP5533038B2

Abstract

【課題】感度の高い観察を行なうこと。
【解決手段】観察対象である観察面１４を保持する第１部品１２と、観察面１４から離間して設けられた金属粒子１６を保持する第２部品１８と、光２４を前記第１部品１２または前記第２部品１８を介し前記観察面１４に照射する照射部２０と、前記観察面１４を反射または透過した前記光から前記観察面１４の状態を観察する観察部２２と、を具備し、前記第１部品１２および前記第２部品１８は、前記観察面１４および前記金属粒子１６が前記光２４の電磁場内となるように、前記観察面１４および前記金属粒子１６を保持することを特徴とする観察装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察装置および観察セルに関する。

全反射プリズムの反射面下に試料および金属を反射し、金属に誘起されるプラズモン共鳴により増強された光を用い光吸収を測定する技術が提案されている。例えば、全反射プリズムの反射面下に網状金属を設け、網状金属に接し試料を設けることにより、試料の赤外吸収を測定する技術が提案されている（例えば特許文献１）。例えば、金属上に試料を配置し、試料の上方に空気を介し光学プリズムを配置する測定装置が提案されている（例えば特許文献２）。光学プリズムの反射面に金属薄膜を形成し、金属薄膜下に試料を配置する測定装置が提案されている（例えば特許文献３〜５）。

特開平７−２２９８２９号公報特開平６−２６５３３６号公報特開２００１−２１５６５号公報特開２００８−２０３１７２号公報特開２００９−８０１０９号公報

しかしながら、これらの観察方法では、検出感度が十分ではない。例えば、１原子層以下の存在量の分子等の検出を行なうことが難しい。また、例えば、存在量の小さい分子等の試料を、金属に接し設けることは難しい。本観察装置および観察セルは、感度の高い観察を行なうことを目的とする。

例えば、観察対象である観察面を保持する第１部品と、観察面から離間して設けられた金属粒子を保持する第２部品と、光を前記第１部品または前記第２部品を介し前記観察面に照射する照射部と、前記観察面を反射または透過した前記光から前記観察面の状態を観察する観察部と、を具備し、前記第１部品および前記第２部品は、前記観察面および前記金属粒子が前記光の電磁場内となるように、前記観察面および前記金属粒子を保持することを特徴とする観察装置を用いる。

例えば、観察面を保持する第１部品と、観察面から離間して設けられた金属粒子を保持する第２部品と、を具備し、前記第１部品および前記第２部品は、前記観察面および前記金属粒子が前記第１部品または前記第２部品を介し観察面に照射された光の電磁場内となるように、前記観察面および前記金属粒子を保持することを特徴とする観察セルを用いる。

本観察装置および観察セルによれば、感度の高い観察を行なうことができる。

図１は、実施例１に係る観察装置の模式図である。図２は、実施例２に係る観察装置の模式図である。図３は、波数に対する出力光の強度を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、分子の構造を示す図である。図５は、実施例３に係る観察装置のブロック図である。図６は、実施例４に係る観察装置の模式図である。図７は、実施例５に係る観察装置の模式図である。図８は、実施例５に係る観察装置のブロック図である。

以下、図面を参照に本発明に係る実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る観察装置の模式図である。観察装置１００は、観察セル１０、照射部２０および観察部２２を備えている。観察セル１０は、第１部品１２、金属粒子１６および第２部品１８を備えている。第１部品１２は光学プリズムであり、観察面１４において光２４が全反射する。第１部品１２は観察面１４を保持している。観察面１４は、観察対象であり、例えば、観察面１４の表面状態を観察する。または、例えば、観察面１４の表面に観察する試料が設けられている。金属粒子１６は、第２部品１８上に設けられている。金属粒子１６は、例えばＡｕであり、１００ｎｍ以下の大きさであることが好ましい。第２部品１８は観察面１４から離間して設けられた金属粒子１６を保持する。金属粒子１６は、光２４が観察面１４において全反射する際に、エバネッセント波が金属粒子１６の全体を含むように設けられることが好ましい。すなわち、第１部品１２と第２部品１８との距離Ｇは、光２４の波長以下であることが好ましい。すなわち、金属粒子１６の大きさは、光２４の波長以下であることが好ましい。照射部２０は、第１部品１２を介し観察面１４に光２４を照射する。観察部２２は、観察面１４から反射された光２４から観察面１４の状態を観察する。

実施例１によれば、第１部品１２および第２部品１８は、観察面１４および金属粒子１６が観察光の電磁場内となるように、観察面１４および金属粒子１６を保持している。図１では、金属粒子１６がエバネッセント波の電磁場内となるように設けられている。光と金属粒子１６との相互作用により、プラズモンポラリトンが励起される。これにより、金属粒子１６周辺の振動電場強度が増大し、観察面の状態により、観察光の吸収が増大する。金属粒子１６間の隙間を介しエバネッセント波の電場が金属粒子１６全体を覆う、これにより、金属粒子１６周辺の振動電場強度が増大するものと考えられる。よって、観察面１４の状態を観察する検出感度を向上させることができる。

実施例１のように、観察セル１０を、光２４が、第１部品１２内を通過した後、観察面１４で全反射し、全反射した光２４が第１部品１２内を通過した後、観察部２２に至る構成とすることができる。実施例１においては、第１部品１２は光２４を透過する材料が用いられていることが好ましい。第２部品１８は、エバネッセント波が金属粒子１６全体を覆うように、金属粒子１６より光２４の吸収係数が小さい材料を用いることが好ましい。第１部品１２および第２部品１８としては、例えば、半導体または絶縁体を用いることができる。

実施例２は、観察面の状態を観察した例である。図２は、実施例２に係る観察装置の模式図である。第１部品１２は、膜厚が５００μｍのシリコンプリズムであり、第２部品１８ａおよび１８ｂはシリコン基板である。観察面１４ａおよび１４ｂはシリコンの１１１面である。第２部品１８ａおよび１８ｂの一面には、金属粒子１６ａおよび１６ｂとしてＡｕ微粒子が形成されている。Ａｕ微粒子は、成長速度を遅くした電子ビーム蒸着法を用い形成されている。Ａｕ微粒子の大きさは、数１０ｎｍ以下である。第１部品１２の一方の端面には、分光された赤外光２４が入射し、観察面１４ａおよび１４ｂで複数回全反射し、反対側の端面から出射する。第１部品１２から出射した光２４は検出器で検出される。第１部品１２と第２部品１８ａおよび１８ｂとの距離は、万力２６のトルクを変えることにより変更した。第１部品１２と第２部品１８ａおよび１８ｂとの対面する面積は５０ｍｍ×１５ｍｍと大きいため、観察面１４ａおよび１４ｂと金属粒子１６ａおよび１６ｂとの距離を制御することが難しい。そこで、万力２６にトルクを加えることで、第１部品１２と第２部品１８ａおよび１８ｂとの一部において金属粒子１６ａまたは１６ｂがエベネッセント場内となるようにした。

図３は、波数に対する出力光の強度を示す図である。出力光強度Ｒは、万力にトルクを加えない出力光強度Ｒ０で規格化した。実線はＰ偏光の光、点線はＳ偏光の光を示している。図３において、赤外光２４の進行方向に垂直で観察面１４ａおよび１４ｂに対し交差する方向の偏光がＰ偏光である。赤外光２４の進行方向に垂直で観察面１４ａおよび１４ｂに対し平行な方向の偏光がＳ偏光である。Ｓ偏光では、信号は観察されない。一方、Ｐ偏光では、約２０８０ｃｍ^−１付近において吸収信号Ｍおよび約２２５０ｃｍ^−１付近において吸収信号ＭＯ_３が観察された。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、分子の構造を示す図である。吸収信号Ｍは、J. Chem. Phys. Vol. 108 (1998). 5965およびJ. Chem. Phys. Vol. 113 (2000). 2423において、多重反射ＡＴＲ（Attenuated Total Reflection）法を用い検出された信号と同じ波数である。これにより、図４（ａ）のように、吸収信号Ｍはシリコン結晶５０の１１１面のテラスを構成するＳｉ原子５２に１１１面に垂直に結合した水素原子５４の１１１面に垂直な熱振動に対応した信号と考えられる。図４（ｂ）のように、吸収信号ＭＯ_３は、シリコン結晶５０の１１１面より飛び出したＳｉ原子５２に１１１面に垂直に水素原子５４が結合し、Ｓｉ原子５２とシリコン結晶５０との間に３つの酸素原子５６が結合した構造において、水素原子５４の１１１面に垂直な熱振動に対応した信号と考えられる。吸収信号ＭＯ_３は、多重反射ＡＴＲ法では観察されていない。

実施例２によれば、観察面１４ａおよび１４ｂを反射した光の吸収スペクトルから観察面１４ａおよび１４ｂの状態を観察することができた。また、Ｐ偏光の光により、観察面１４ａおよび１４ｂの状態を観察することができた。Ｐ偏光の光は、観察面１４ａおよび１４ｂと金属粒子１６ａおよび１６ｂとの配置方向に偏光した光を含んでいる。このため、観察面１４ａおよび１４ｂに垂直な方向に分極したプラズモンポラリトンが励起され、観察面１４ａおよび１４ｂに垂直な方向の電場が増強される。よって、観察面１４ａおよび１４ｂに垂直な方向の分子の熱振動を効率的に観察することができる。

実施例３は、観察装置の具体例である。図５は、実施例３に係る観察装置のブロック図である。観察装置１００は、観察セル１０、赤外光分光装置４０および距離変更装置４２を備えている。観察セル１０は、実施例１の観察セルと同じであり説明を省略する。

赤外光分光装置４０は、制御装置３０、赤外光源３２、分光器３４、偏光装置３６および検出器３８を備えている。赤外光源３２と分光器３４とから照射部２０が形成され、偏光装置３６と検出器３８とから観察部２２が形成される。赤外光源３２は赤外光を出射する。分光器３４は、赤外光源３２から出射された赤外光を分光し、所望の波長の赤外光を出射する。分光器３４から出射された赤外光は観察面１４で反射し、偏光装置３６に至る。偏光装置３６は、観察面１４で反射された光のうち所望の偏光方向の光を通過させる。例えば、実施例２のように、偏光装置３６は、Ｐ偏光の光を通過させ、Ｓ偏光の光を遮断する。検出器３８は、所望の偏光方向の光を検出する。制御装置３０は、分光器３４、偏光装置３６、検出器３８および距離偏光装置４２を制御する。距離変更装置４２は、第１部品１２と第２部品１８との距離Ｇを変更する。

実施例３のように、分光器３４および偏光装置３６を用い、例えばＰ偏光した赤外光の吸収スペクトルを取得することができる。また、観測面１４と金属粒子１６との距離が近づけば、観測面１４での電場強度が大きくなる。よって、距離変更装置４２が距離Ｇを変調させ、検出器３８が変調された周波数でロックイン検出することにより、より検出感度を向上させることができる。

実施例４は、光が第２部品内を通過し、金属粒子が設けられた面で全反射する例である。図６は、実施例４に係る観察装置の模式図である。図６のように、金属粒子１６を保持する第２部品１８内を光２４が通過し、金属粒子１６が設けられた面で光２４が全反射する。観察面１４は金属粒子１６と離間して設けられている。例えば、第１部品１２および第２部品１８は、観察面１４および金属粒子１６を光２４のエバネッセント場内に保持する。その他の構成は、実施例１の図１と同じであり説明を省略する。

実施例４のように、観察セル１０を、光２４が、第２部品１８内を通過した後、金属粒子１６が設けられた面で全反射し、全反射した光２４が第２部品１８内を通過した後、観察部２２に至る構成とすることができる。実施例４によれば、実施例１と同様に、金属粒子１６に励起されたプラズモンポラリトンが電場を増強する。これにより、観察面１４の状態の検出感度を向上させることができる。実施例４においては、第２部品１８は光２４を透過する材料が用いられていることが好ましい。第１部品１８２、エバネッセント波が観察面１４全体を覆うように、金属粒子１６より光２４の吸収係数が小さい材料を用いることが好ましい。

実施例５は、光が第１部品および第２部品を透過する例である。図７は、実施例５に係る観察装置の模式図である。図７のように、金属粒子１６を保持する第２部品１８内を光２４が通過する。さらに、光２４は、金属粒子１６および観察面１４を通過し、観察面１４を保持する第１部品１２内を通過する。観察面１４は金属粒子１６と離間して設けられている。その他の構成は、実施例１の図１と同じであり説明を省略する。

実施例５のように、観察セル１０を、光２４が第１部品１２および第２部品１８の一方内を通過した後、観察面１４および金属粒子１６を通過し、第１部品１２および第２部品１８の他方内を通過した後、観察部２２に至る構成とすることができる。実施例５によれば、金属粒子１６を通過する光２４により、金属粒子１６にプラズモンポラリトンが励起される。プラズモンポラリトンにより、電場が増強される。よって、観察面１４の状態の検出感度を向上させることができる。実施例５においては、第１部品１２および第２部品１８には光２４を透過する材料が用いられていることが好ましい。

図８は、実施例５に係る観察装置のブロック図である。実施例３の図５と同様に、照射部２０は、赤外光源３２と分光器３４とを備えることができる。また、観察部２２は、偏光装置３６と検出器３８を備えることができる。また、第１部品１２を透過した光２４をミラー４４を用い観察部２２に案内することもできる。さらに、Ｐ偏光した光が観察面１４と金属粒子１６との配置方向に偏光した成分を含むように、光２４は、観察面１４に対し斜めに入射することが好ましい。

実施例１〜実施例５のように、第１部品１２および第２部品１８は、観察面１４および金属粒子１６が光２４の電磁場内となるように、観察面１４および金属粒子１６を保持することが好ましい。また、第２部品１８の金属粒子１６を保持する面の大きさが光２４の波長程度以下の場合、この金属粒子１６を保持する面と観察面１４とが平行でなくとも、第１部品１２と第２部品１８との距離Ｇをほぼ一定とみなすことができる。よって、第２部品１８の金属粒子１６を保持する面は、例えば１０μｍ×１０μｍ以下であることが好ましい。例えば１μｍ×１μｍ以下であることがより好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０観察セル
１２第１部品
１４観察面
１６金属粒子
１８第２部品
２０照射部
２２観察部

Claims

観察対象である観察面を保持する第１部品と、
観察面から離間して設けられた金属粒子を保持する第２部品と、
光を前記第１部品または前記第２部品を介し前記観察面に照射する照射部と、
前記観察面を反射または透過した前記光から前記観察面の状態を観察する観察部と、
を具備し、
前記第１部品および前記第２部品は、前記観察面および前記金属粒子が前記光の電磁場内となるように、前記観察面および前記金属粒子を保持することを特徴とする観察装置。
前記観察部は、前記光うち前記観察面と前記金属粒子との配置方向に偏光した光から、前記観察面の状態を観察することを特徴とする請求項１記載の観察装置。
前記光は、前記第１部品内を通過した後、前記観察面で全反射し、前記全反射した前記光は前記第１部品内を通過した後、前記観察部に至ることを特徴とする請求項１または２記載の観察装置。
前記光は、前記第２部品内を通過した後、前記金属粒子が設けられた面で全反射し、前記全反射した前記光は前記第２部品内を通過した後、前記観察部に至ることを特徴とする請求項１または２記載の観察装置。
前記第１部品および前記第２部品は、前記観察面および前記金属粒子を前記光のエバネッセント場内に保持することを特徴とする請求項３または４記載の観察装置。
前記光は、前記第１部品および前記第２部品の一方内を通過した後、前記観察面および前記金属粒子を通過し、前記通過した前記光は前記第１部品および前記第２部品の他方内を通過した後、前記観察部に至ることを特徴とする請求項１または２記載の観察装置。
前記観察部は、前記観察面を反射または透過した前記光の吸収スペクトルから前記観察面の状態を観察することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の観察装置。
観察対象である観察面を保持する第１部品と、
観察面から離間して設けられた金属粒子を保持する第２部品と、
を具備し、
前記第１部品および前記第２部品は、前記観察面および前記金属粒子が前記第１部品または前記第２部品を介し観察面に照射された光の電磁場内となるように、前記観察面および前記金属粒子を保持することを特徴とする観察セル。