JP2015194395A - プローバ付き原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料を載置したステージを駆動することで試料のスキャンを行うＡＦＭで、スキャンを行っている間も試料にプローバ探針を接触させて、各種の刺激を与えながらのＡＦＭ計測を可能とする。
【解決手段】ステージにプローバを取り付けて、スキャン中にプローバ探針と試料とが相対運動しないようにする。これにより、スキャン中にプローバ探針とステージとの同期操作を行わなくても、プローバ探針と試料との接続状態が静止時と同様に維持される。
【選択図】図１

Description

本発明はプローバを組み込んだ原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に関し、より詳細にはＡＦＭ測定中でもプローバを使用できるようにしたプローバ付きＡＦＭに関する。

ＡＦＭを含むプローブ顕微鏡計測において、測定試料に電気的もしくは機械的に刺激（電圧印加、電流印加、電池動作、電気化学測定、引っ張り・圧縮応力印加等）を与え、種々の物性（表面形状、弾性率、電位、電流、磁性等）を計測することは、材料開発、デバイス応用の観点から大変重要な評価手段である。上記測定を様々な材料に応用するためには、ＡＦＭ装置にプローバシステムを組み込むことが有効である。

近年、グラフェンに代表される二次元物質が注目されている。これらの多くは、絶縁体基板上に作製される。プローブ顕微鏡を用いた評価が良く行われるが、例えば、試料に電圧を印加したい場合、絶縁体基板上では基板下部から電圧を印加することができない。そのため、試料表面から直接電極を試料に接触させる必要があるが、試料の大きさがマイクロメートルのオーダである場合、このような接触を行うことは容易ではない。微細加工技術を用いて電極をパターニングすることも可能ではあるが、電極作製過程で表面の汚染は避けられない。そのため、プローバシステムを用いて、プローバで直接試料にコンタクトを取る事が有効である。また、例えば試料上の２点間に電流を流し、これら２点間の試料の変化を計測したい場合も同様である。

他に、近年リチウムイオン電池が注目されており、電極・電解質材料の開発が盛んに行われている。通常これらは粉状の複合材料であり、粒径はマイクロメートルのサイズである。材料評価のために電池動作中の一粒子の物性を評価したいという要望がある。ＡＦＭに搭載したプローバのプローバ探針の材料を電池電極材料とすることで、一粒子に直接接触させ電池動作をさせることが可能である。そのため、電池動作環境下で電池材料一粒子の各種ＡＦＭ計測が可能となる。

上述の計測を行うに当たっては、プローバとＡＦＭを同時に動作させること、つまりプローバを用いて刺激を与えながらＡＦＭで計測を行うことができれば非常に好都合である。ところが、例えば特許文献１に示すように、スキャン中はＡＦＭの探針（カンチレバー）をＸＹ方向に移動させるよりは、その代わりに計測対象の試料を載置したステージをＸＹ方向（ステージの試料載置面内方向）に移動させる方が機構的に簡単になり、また制御も容易になるため、多くのＡＦＭではこのようなステージの移動によるスキャンを行っている。特許文献１の図１では、コンピュータＰＣから制御線１１を介してＸＹ方向の位置制御信号を駆動部１に与え、これにより被測定物３を載置したステージ２を移動させる。かくして、探針４ａ、４ｂによる被測定物３のＸＹ方向のスキャンが実現される。

ところが、このようなステージ移動によるスキャン方法を採用すると、ＡＦＭ計測中（つまりスキャン中）にプローバで計測対象の試料に接続を取り続けることができるようにするには、プローバ探針をステージの移動に正確に同期させることで、プローバ探針による試料の所望の点への接続を一定の状態に維持する必要があり、またスキャン動作中にプローバ探針が試料表面を引っ掻いてそれに損傷を与えることが起きないようにする必要がある。しかしながら、ナノメートルレベルでこのような位置の同期・追随を実現する機構や制御は非常に複雑で高価なものとなってしまう。

本発明の課題は上述の問題点を解消し、複雑な機構や制御なしでＡＦＭのスキャンのためのステージ移動にプローバの探針が完全に同期できるようにしたプローバ付き原子間力顕微鏡を提供することにある。

本発明の一側面によれば、原子間力顕微鏡計測の対象となる試料が載置され、原子間力顕微鏡用カンチレバーに対して移動することで前記原子間力顕微鏡用カンチレバーが前記試料をスキャンするステージと、前記ステージに取り付けられ、前記ステージに対して相対的に移動されるプローバ探針を有するプローバとを設けた、プローバ付き原子間力顕微鏡が与えられる。
ここで、前記プローバ探針は前記カンチレバーが前記試料をスキャンしている間に前記ステージに載置された試料に接触し続けて前記試料に刺激を与えてよい。
また、前記刺激は機械的または電気的な刺激であってよい。
また、前記ステージに複数のプローバが取り付けられてよい。
また、前記試料は絶縁体基板上に形成された二次元物質であり、前記刺激は電気的な刺激であってよい。
また、前記試料は電池電極材料の粒子であり、前記プローバ探針は前記粒子に接触して電気的な刺激を与えてよい。

本発明により、非常に簡単な構造でＡＦＭ計測とプローバのプローバ探針による計測対象の試料との接続とを同時に行うことが可能となる。

本発明のプローバ付きＡＦＭの主要部の構成を概念的に示す図。 本発明の実施例の主要部の写真。 本発明の実施例の主要部を別の角度から撮影した写真。 ＳｉＯ_２基板上に作製したグラフェンに本発明の一実施例のプローバ探針及びＡＦＭ用カンチレバーを接触させている様子を撮影した写真。 図４に示した写真の内容をよりわかりやすく示す概念図。 本発明の実施例をケルビンプローブフォース顕微鏡（Kelvin probe force microscopy、ＫＰＦＭ）として動作させるに当たって、マイカ基板上に作製したグラファイト膜にプローバ探針を接触させてグラファイト膜に直接に電圧を印加できるようにした状態を撮影した写真。 （ａ）図６に示すようにしてグラファイト膜に電圧を印加し、その印加電圧を変化させながらスキャンを行うことで測定したＡＦＭ探針−グラファイト膜間の接触電位差を示す接触電位差像。（ｂ）印加した電圧に対応する表面電位のシフトが生じることを示すラインプロファイル。

本発明は、ＡＦＭにプローバシステムを組み込み、プローバ探針により測定対象の試料に電気的もしくは機械的な刺激を与え、ＡＦＭで様々な物性（表面形状、弾性率、表面電位、磁気、電流計測等）を計測するために好適なプローバ付きＡＦＭを提供する。本発明が適用されるＡＦＭは、ＡＦＭ測定の際に測定対象の試料を搭載するステージがＸＹ方向に移動することでスキャンを行う形式のものである。本発明ではプローバシステムをＡＦＭ用スキャナ（ステージ）に直接搭載する。この構成により、プローバの能動的な位置制御なしで、ＡＦＭ測定中（スキャナ動作中）もプローバ探針と測定試料の相対位置を常に一定に保つことができる。プローバは既存のＡＦＭにそのままあるいはわずかな改造で取り付け可能である。プローバ探針は位置制御機構に取り付けられており、数百ナノメートルの精度でプローバ探針位置の制御が可能である。そのため、測定試料の任意の箇所に接触させて、局所的に様々な電気的または機械的な刺激を印加することができる。

図１に本発明のプローバ付きＡＦＭの主要部の構成を概念的に示す。図１に示すように、ＡＦＭ用スキャナ上に測定対象の試料が載置されている。なお、試料は直接にはＸＹ方向（ＡＦＭ測定のためのスキャンの方向）に動くことができるステージに載置されるが、このようなステージを含む移動機構全体をＡＦＭ用スキャナで包括的に示す。ＡＦＭ用スキャナ上の試料に対して先端にＡＦＭ用の極細の探針が設けられたＡＦＭ用カンチレバーを試料に接触あるいはごく近接させながらＡＦＭ用スキャナを所望の方向に運動させることで、ＡＦＭカンチレバーで試料をスキャンしながら当業者に周知のＡＦＭ動作を行う。

本発明においては、ＡＦＭ用スキャナ（直接的にはステージ）には更にプローバが取り付けられており、そこからプローバ探針が伸びている。プローバが持つ駆動機構を使用してプローバ探針の位置制御を行うことで、プローバ探針の先端を測定対象に接触させることができる。なお、プローバやその駆動機構自体は当業者によく知られている事項であるとともに、それ自体は本発明の本質ではないため、これ以上の説明は省略する。プローバ探針が試料に接触した状態でＡＦＭ用スキャナを動作させることで、ＡＦＭカンチレバーが試料表面をスキャンしている間も、プローバはＡＦＭ用スキャナ（ステージ）に取り付けられていることから試料とプローバ探針との相対運動は起こらない。従って、ＡＦＭ測定のためのスキャン中でも、プローバの駆動機構によってプローバ探針を動かさない限り、プローバ探針と試料表面との相対位置は変化せず、両者間の接触状態は一定のままとなる。

以下の実施例ではＡＦＭのスキャナに１台のプローバを直接取り付けたが、もちろん複数のプローバを搭載することもできる。また、実施例のプローバのプローバ探針位置制御は完成駆動型ピエゾ素子による３軸可動機構を用いて行われるが、これ以外の位置制御機構を使用したプローバを使用することもできる。

また、実施例ではプローバ探針材料として導電性を有する金属材料を使用したが、これに限定されるものではない。プローバ探針には電気的または機械的に測定試料に刺激を与えることのできるすべての材料が使用可能である。例えば、測定試料に接触させ電圧を印加することで電池として動作する電池電極材料探針や、機械的に測定試料に引っ張り・圧縮応力を与えることのできるプローバ探針を使用してよい。

また、実施例ではプローバ探針を測定試料に接触させて電圧を印加したが、本発明は一つまたは複数のプローバ探針を用いて与えうる任意の電気的・機械的な刺激を付与する構成を包含する。電気的刺激として、例えば、電圧印加、電流印加、電池動作、電気化学測定などが挙げられる。また機械的刺激として、引っ張り・圧縮応力印加が挙げられる。

また、実施例ではケルビンプローブフォース顕微鏡（Kelvin probe force microscopy、ＫＰＦＭ）を用いて電圧印加時の表面電位の測定を行ったが、ＡＦＭ測定モードはこれに限られず、すべての測定モードを含む。例えば、表面形状、弾性率、電位、電流、磁性等が挙げられる。なお、ＫＰＦＭは非接触ＡＦＭを発展させたものであり、実際、多くのＡＦＭはＫＰＦＭ動作をサポートしている。従って、本願のＡＦＭはＫＰＦＭを含み、またそれ以外の任意のモードで動作するＡＦＭを全て含むことに注意されたい。

１．ナノプローバシステムの構築
実施例においては、プローバとして、ピエゾ素子を用いてプローブ探針の位置制
御を行うことでｎｍレベルでプロービングできるナノプローバを使用した。具体的
には、タングステン製プローバ探針をＸＹＺ３軸方向に可動する慣性駆動型ピエゾ
素子に取り付け、ナノプローバシステムを構築した。このように構築したナノプロー
バシステムをＡＦＭのスキャナ（ステージ）に取り付けた状態の写真を図２に示す。
ピエゾ素子にパルス電圧を印加することで、本実施例では２００〜３００ナノメー
トルの精度でプローバ探針位置の制御が可能となった。

２．既存のＡＦＭへのナノプローバシステムの組み込み
Park Systems社のＡＦＭ（ＸＥ１００）に上記ナノプローバシステムを搭載した。これにより、図１を参照して説明したナノプローバ付きＡＦＭを構築した。図３にこのように構築されたナノプローバ付きＡＦＭのＡＭＦ用スキャナ、ＡＦＭ用カンチレバー、ナノプローバ及びナノプローバに取り付けられたプローバ探針が良く見えるように撮影した写真を示す。本実施例で用いたＡＦＭ（ＸＥ１００）はカンチレバーを用いた光てこ方式によりＡＦＭ計測を行うものである。この装置はステージスキャン型のスキャンを行う構成を取り、フレクシャー型のスキャナが使用されている。本実施例では、ナノプローバシステムをそのスキャナに直接固定している。そのため、プローバ探針と測定試料との相対位置は、測定中（ステージスキャン中）も常に一定である。プローバ探針の位置を制御することで、測定試料の任意の箇所にプローバ探針を接触させることができる。図４はこのナノプローバ付きＡＦＭにおいて、ＳｉＯ_２基板上に作製されたグラフェン膜にプローバ探針が接触している様子を示している。図５は、図４の写真中の各要素の関係をよりわかりやすく示す模式図である。

３．プローバ探針による測定試料への電圧印加及びＫＰＦＭ観察
絶縁体基板（マイカ基板）上にグラファイト膜を作製した。図６に示すように、そのグラファイト膜にプローバ探針を接触させ、グラファイト膜に直接電圧を印加できるようにした。この状態で、グラファイト膜上でＫＰＦＭ観察を行った。ＫＰＦＭではＡＦＭ探針−測定試料間の接触電位差（表面電位に対応）を測定することができる。スキャン中に印加する電圧を６Ｖ，４Ｖ，２Ｖ，１Ｖ，０Ｖ，−２Ｖ，−４Ｖと変化させた。図７（ａ）は、その際得られた接触電位差像である。印加した電圧に対応する表面電位のシフトが生じることを、図７（ｂ）に示すラインプロファイルより確認した。

なお、実施例で説明した測定の実例は本発明の有用性をわかりやすく示すための単なる例示であり、当業者であれば本発明の構成を利用して多様な測定を行うことができる。例えば具体的なプローバとしてナノプローバを採用したが、用途に応じて他の適切な形式のプローバを使用してもよい。

以上説明したように、本発明により、ＡＦＭ測定のためのスキャン中でもプローバ探針と測定対象の試料との相対運動が起こらないようにすることを簡単な構成で実現できるため、より多様なＡＦＭ測定を簡単に行うことができるようになり、この分野で広く利用されることが期待される。

特開２０１１−２１５１１２号公報

Claims (6)

1. 原子間力顕微鏡計測の対象となる試料が載置され、原子間力顕微鏡用カンチレバーに対して移動することで前記原子間力顕微鏡用カンチレバーが前記試料をスキャンするステージと、
   前記ステージに取り付けられ、前記ステージに対して相対的に移動されるプローバ探針を有するプローバと
   を設けた、プローバ付き原子間力顕微鏡。
2. 前記プローバ探針は前記カンチレバーが前記試料をスキャンしている間に前記ステージに載置された試料に接触し続けて前記試料に刺激を与える、請求項１記載のプローバ付き原子間顕微鏡。
3. 前記刺激は機械的または電気的な刺激である、請求項２記載のプローバ付き原子間顕微鏡。
4. 前記ステージに複数のプローバが取り付けられる、請求項１から３の何れかに記載のプローバ付き原子間力顕微鏡。
5. 前記試料は絶縁体基板上に形成された二次元物質であり、前記刺激は電気的な刺激である、請求項３に記載のプローバ付き原子間顕微鏡。
6. 前記試料は電池電極材料の粒子であり、前記プローバ探針は前記粒子に接触して電気的な刺激を与える、請求項３に記載のプローバ付き原子間顕微鏡。