JP2814256B2 - 電気化学測定トンネル電流同時測定装置およびトンネル探針 - Google Patents

電気化学測定トンネル電流同時測定装置およびトンネル探針

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気化学測定トンネル電流同時測定装置及
びトンネル探針に関する。
具体的には、溶液中で試料を電位制御し、電気化学測
定を行い、同時に試料とトンネル探針との間に流れるト
ンネル電流を検出する装置であり、さらに、検出したト
ンネル電流より試料表面の像として表わす電気化学測定
中での走査型トンネル顕微鏡（以下、STMと言う）に関
する。
〔発明の概要〕
本発明は、試料、対極、参照電極およびトンネル探針
を溶液中に設置した電気化学セルと、試料の電位を設定
する手段と、試料と対極とに流れる電流を検出する手段
と、試料とトンネル探針との距離を移動する手段と、ト
ンネル探針の電位を設定する手段と、トンネル探針と試
料との電位差により流れるトンネル電流を検出する手段
より構成される。場合によっては、試料の電位およびト
ンネル探針の電位が走査可能な手段をも含む。
さらに、試料とトンネル探針との電位差を一定にし、
トンネル探針を試料表面をXY軸に走査し、その際、検出
したトンネル電流がほぼ一定になるようトンネル探針と
試料の距離を制御するＺ軸制御を用い、トンネル探針の
位置を三次元表示で表わすことにより、試料表面の像を
表わす、電気化学測定中での走査型トンネル顕微鏡装置
をも含むものである。特に、トンネル探針を、金、金を
主成分とする金合金、炭素、もしくは炭素化合物で形成
し、トンネル探針自身の電気化学反応が生じない電位領
域（ウインドウ）を大幅に広くでき、溶液中における電
極上に析出した物質の同定や、付着に不純物の同定を可
能にするものである。
〔従来の技術〕
試料の電位規制を行い電流検出し、電気化学反応を解
明する手法は一般的であり、装置としてもポテンシオス
タット、ポーラログラフィーなどとして市販されてい
る。一方、試料とチップ間に電圧を印加しトンネル電流
を検出する方法も一般的であり、さらに検出したトンネ
ル電流により試料の表面像として表わす手段としては走
査型トンネル顕微鏡として知られている。この走査型ト
ンネル顕微鏡に関しては、例えば米国特許4343993号明
細書等において周知であり、超高真空下での測定が行わ
れてきたが、最近では大気中、溶液中での測定も可能と
なっている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、電気化学反応、例えば、電気析出過程、電極
の腐食過程、各種電極反応を電気化学測定と同時にトン
ネル電流を検出する方法は確立されておらず、不可能で
あった。
更に、トンネル探針は、白金が主に使用されており、
トンネル探針自身のウインドウが狭く、溶液中における
電極上に析出した物質の同定が困難であった。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために、本発明においては、試料
の電位を設定する手段と、試料と対極とに流れる電流を
検出する手段と、試料とトンネル探針との距離を移動す
る手段と、トンネル探針の電位を設定する手段と、トン
ネル探針と試料との電位差により流れるトンネル電流を
検出する手段とにより構成され、かつ、該トンネル探針
が、金、金を主成分とする金合金、炭素、もしくは炭素
化合物で形成されている。
〔作用〕
このような構成とすることから、本発明により試料電
位を固定しトンネル電流の測定が可能となった。このこ
とは、試料電位で行われている電極反応をトンネル電流
の変化で解析でき、トンネル電流が一定になるように、
試料表面を走査することで、試料表面の構造の変化とし
て解析が可能である。周知である溶液中での走査型トン
ネル顕微鏡は、単に溶液中の試料表面を走査型トンネル
顕微鏡で観測を行うものであり、本発明による試料電位
制御下でのトンネル電流の検出により電極反応の本質の
解明が可能となる。
次に試料電位を走査し、試料とチップとの電位差を一
定にした場合の作用を述べる。通常、試料の電位−電流
曲線（サイクリックボルタモグラム）より電極反応の過
程の解析が行われているが、本発明による方法および装
置を用いることにより、サイクリックボルタモグラムの
各電位におけるトンネル電流が測定され、さらに各電位
における試料表面の構造が得られ、電気化学反応を電極
表面構造と対応させて解析することが可能となる。
更に、金、金を主成分とする金合金、炭素、もしくは
炭素化合物は、ウインドウが1.0〜2.0Vと広く、このト
ンネル探針のウインドウを広くできることは、溶液中で
行う電極上に析出する物質に対して、トンネル探針の電
位を変化させ、その時に流れるトンネル電流の変化によ
り、物質のエネルギー準位を決定して、物質の同定を行
う際に、トンネル探針の変化する電位域を広くすること
ができるものである。
金による探針は、ウインドウが広く本発明に適してい
るが、硬度、強度の向上を目的として、Pd,Pt,Wを微量
添加した金を主成分とする金合金による探針も本発明に
使用できる。
又、炭素および炭素化合物による探針としては、ワッ
クス等を含浸させた高純度ブラファイト、高温減圧下で
炭素水素を熱分解して生成した熱分析グラファイト、グ
ラファイト粉にエポキシ等のバインダを添加して形成す
るカーボンペースト電極、炭素に微量の炭化ホウ素を添
加した炭素化合物等により探針が適している。
更に、本発明におけるトンネル探針は、探針先端部を
除き、ガラスコーティング等の絶縁膜を形成することが
好ましい。
〔実施例〕
以下に、本発明の実施例を図面に基づいて、説明す
る。
（実施例１） 第１図は、本発明の電気化学測定トンネル電流同時測
定装置のトンネル探針の断面図である。
0.3mmφの金線を用い、機械研磨にて先端部を鋭利に
加工し、導電性探針１を得る。
次に、導電性探針１の先端部を除き、ガラスコーティ
ングを施し、絶縁層２を形成し、トンネル探針３を得
る。このトンネル探針３を用い、1M H2SO4溶液中での電
流−電位曲線を測定し、結果を第２図に示す。
第３図から、電気化学反応が生じない電位領域（ウイ
ンドウ）が、−0.1＋0.9Vと1.9Vを達成している。
（実施例２） 導電性探針１の材料を、金合金（Au:bal,Pd:0.25wt
％,Pt:0.25wt％,W:0.25wt％），高純度グラファイト
（グラッシカーボン），炭素に炭化ホウ素を3wt％添加
した炭素化合物で実施例１と同様にトンネル探針３を作
製した。
このトンネル探針３を用い、実施例１と同様にウイン
ドウを測定した結果を第１表に示す。
（比較例） 導電性探針１の材料を白金とし、実施例１と同様にト
ンネル探針３を作製し、0.5M H2SO4溶液中での電流−電
位曲線を測定し、結果を第３図に示す。
第３図から電気化学反応が生じないウインドウは＋0.
3〜＋0.6V（0.3V）と非常に狭い結果であった。
第１表からトンネル探針を、金、金合金、炭素、炭素
化合物とすることにより、従来の白金に比較し、大幅に
広いウインドウが達成されることが確認できた。
次に、実施例１〜２で作製したトンネル探針を用いた
本発明装置の動作を説明する。
第４図は、本発明による電気化学測定トンネル電流同
時測定装置の概略図である。
電気化学セル14は、試料11,参照電極12,対極13,トン
ネル探針３が配置され、溶液15で満たされている。
参照電極12は、電気化学で一般的に用いられる参照電
極であり、SCE,銀−塩化銀電極が代表的である。トンネ
ル探針３は、実施例1,2で示すように金、金合金、炭
素、炭素化合物の探針材料を、機械研磨、段階研磨によ
り鋭利な先端部を形成し、先端部以外をガラスコーティ
ングの絶縁膜で被覆している。
又、電気化学セル14は、振動等の外的要因によるトン
ネル探針３と試料11との距離変動を防ぐため、除震台16
上に設置される。
試料11,参照電極12,対極13は、試料電位制御・試料電
流検出部17に接続され、電源18による電圧を用い、試料
11の電位設定を行い、電気化学測定を行うことができ、
この試料電位制御・試料電流検出部17は、試料電位・試
料電流記録部19に接続され、電位−電流曲線等の電気化
学測定を記録することができる。
更に、トンネル探針3,試料11,参照電極12,対極13はト
ンネル探針と試料との電位差制御・トンネル電流検出部
20に接続され、電源22による電圧を用い、試料電位制御
・試料電流検出部17とも接続した回路で、トンネル探針
10と試料11との電位差設定、トンネル電流の検出を行
い、トンネル探針と試料との電位差制御・トンネル電流
検出部20は、トンネル電流・トンネル探針と試料との電
位差記録部21に接続され記録する。
又、トンネル探針３と試料11との間をトンネル電流が
流れる距離に移動するための、粗動機構23が設置されて
いる。
具体的には、トンネル探針３として、実施例１で作製
した金によるトンネル探針、試料11として、HOPG（ハイ
オーダーパイオティックグラファイト），溶液15とし
て、過塩素酸銀、対極13として、銀線を用い、サイクリ
ックボルタモグラムと同期したHOPG表面のAgの析出／溶
融のSTM像が得られた。
更に、試料11表面を走査型トンネル分光測定し、析出
物がAgであることを同定した。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば電気化学測定の
トンネル電流とを同時に測定でき、電気化学反応を試料
表面構造と対応させて解析でき、更にトンネル探針のウ
インドウを従来探針に比べ大幅に広げられ、溶液中での
試料表面の析出物の同定をも可能とするものであり、表
面処理技術、半導体等の分野に重要な装置を提供するも
のである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の電気化学測定トンネル電流同時測定装
置のトンネル探針の断面図、第２図は1M H2SO4中におけ
るAuの電極の電流−電位曲線を示す図、第３図は0.5M H
2SO4中におけるPt電極の電流−電位曲線を示す図、第４
図は本発明による電気化学測定トンネル電流同時測定装
置の概略図である。 １……導電性探針 ２……絶縁膜 ３……トンネル探針
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 37/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】試料、対極、参照電極およびトンネル探針
    とを溶液中に配置した電気化学セルにおいて、 試料の電位を設定する手段と、試料と対極とに流れる電
    流を検出する手段と、試料とトンネル探針との距離を移
    動する手段と、トンネル探針の電位を設定する手段と、
    トンネル探針と試料との電位差により流れるトンネル電
    流を検出する手段とにより構成され、かつ、該トンネル
    探針が、金、金を主成分とする金合金、炭素、もしくは
    炭素化合物で形成されていることを特徴とする電気化学
    測定トンネル電流同時測定装置。
  2. 【請求項２】試料、対極、参照電極およびトンネル探針
    とを溶液中に配置した電気化学セルを用い、電気化学測
    定あるいはトンネル電流を測定する装置に用いる探針に
    おいて、 前記トンネル探針が、金、金を主成分とする金合金、炭
    素もしくは炭素化合物で形成されていることを特徴とす
    るトンネル探針。
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