JP3021872B2 - カンチレバー、原子間力顕微鏡 - Google Patents
カンチレバー、原子間力顕微鏡Info
- Publication number
- JP3021872B2 JP3021872B2 JP3305998A JP30599891A JP3021872B2 JP 3021872 B2 JP3021872 B2 JP 3021872B2 JP 3305998 A JP3305998 A JP 3305998A JP 30599891 A JP30599891 A JP 30599891A JP 3021872 B2 JP3021872 B2 JP 3021872B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sample
- probe
- cantilever
- light
- atomic force
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
Description
バーと、カンチレバーを用いて試料を観察する原子間力
顕微鏡に関する。
く尖った探針を試料表面に非常に接近させると、探針先
端の原子と試料表面の原子との間に微弱な引力や斥力
(原子間力)が生じ、この力によりカンチレバーの自由
端が僅かに変位する。
表面に沿って走査しながら、このカンチレバーの変位量
を検出して探針先端の原子と試料表面の原子の間に作用
する原子間力を測定し、試料表面を原子レベルで観測す
る装置である。
を検出する方法としては、光干渉や光てこ等を用いる光
学的方法やトンネル顕微鏡を用いる方法・静電容量法な
どがある。光学的方法では、カンチレバーの背面(探針
の反対側の面)に反射膜を設け、この反射膜に光を照射
して得られる反射光を利用して変位を検出する。トンネ
ル顕微鏡を用いる方法では、カンチレバーの背面に導電
膜を設けるとともに、その上方にトンネルチップを配置
し、トンネルチップと導電膜との間に電圧を印加して両
者間に流れるトンネル電流の変化から変位を検出する。
静電容量法は、カンチレバーの背面に導電膜を設け、こ
の導電膜を一方の極板とする平板コンデンサを構成し、
静電容量の変化から変位を検出する。
面の凹凸像を得ると同時に、試料に光を照射して試料表
面からの光励起や発光を検出したり試料表面を光学的に
観察したりするAFMが提案されている。この場合、光
励起や発光を効率よく検出したり、試料表面のより良い
光学像を得るには、光を探針の中心軸に沿って試料に入
射させる必要がある。しかし、上述の変位検出方法で
は、いずれもカンチレバーの背面に金属膜(反射膜や導
電膜)を設ける必要があるため、探針の中心軸上から観
察領域を光励起したり、カンチレバーに遮られることな
く試料表面を光学的に観察することはできない。
るカンチレバーと、このカンチレバーを用いて試料の光
学特性を検出する原子間力顕微鏡を提供することを目的
とする。
導光部を有する探針を備えている。また、本発明の原子
間力顕微鏡は、上記カンチレバーを用いて試料の表面形
状を測定する原子間力顕微鏡であって、前記導光部を介
して試料に光を照射して、前記試料の光学特性を検出す
る光学系を有する。
ており、この探針を介して試料に光を照射する。また、
本発明の原子間力顕微鏡は、導光部を有する探針を介し
て試料に光を照射した際に,試料から得られる光に基づ
いて、試料の光学特性を検出する。
がら説明する。
ー14の自由端に設けられている。探針12とカンチレ
バー14は光学的に透明な材料たとえば二酸化珪素で作
られている。カンチレバー14は、中央に開口を有する
円盤状の光学的に透明なガラス板16に、開口の中心に
探針12が来るように取り付けられている。探針12と
カンチレバー14とガラス板16の下面には光学的に透
明な導電膜18が設けられていて、これは試料30にバ
イアス電圧を印加した際に流れるトンネル電流を検出す
るための電極として使用される。カンチレバー14の自
由端部の上面(探針12の反対側の面)には干渉反射膜
20が設けられている。この干渉反射膜20は、後述す
る光ファイバー干渉計からの変位検出光だけを反射し、
他の光は透過する。このガラス板16は対物レンズ24
と共に支持部材22に取り付けられ、円筒型圧電アクチ
ュエーター26により支持される。この対物レンズ24
は、図示していない機構によりカンチレバー14に対し
て上下に移動できるように設けられている。
うに固定部材28に支持されていて、XYステージ32
の上に載置した試料30の表面に沿って探針12を走査
する。対物レンズ24は中央に貫通孔を有している。光
ファイバー34は、この貫通孔の内側を通って、その一
端がカンチレバー14の自由端部の上方に導かれてい
る。位置するように配置されている。この光ファイバー
34には、他端から光ファイバー干渉計38からの変位
検出光と励起光源36からの励起光とが入射される。光
ファイバー干渉38から射出された変位検出光はハーフ
ミラー40を透過して光ファイバー34に入射し、その
先端から射出される。光ファイバー34の先端から射出
された変位検出光は干渉反射膜20で反射され、再び光
ファイバー34に入射して光ファイバー干渉計38に戻
る。光ファイバー干渉計38は、射出光と戻り光とを干
渉させて、カンチレバー14の変位を検出する。一方、
励起光源36から射出された励起光はハーフミラー40
で反射されて光ファイバー34に入射する。光ファイバ
ー34の先端から射出された励起光は、干渉反射膜20
とカンチレバー14と探針12と導電膜18を透過して
試料30に達する。励起光が試料30に照射されたと
き、表面で反射された光(観察光)や表面から放射され
る蛍光などの発光は対物レンズ24で集められ、反射ミ
ラー42で反射された後、カンチレバー14やガラス板
16などを透過し集光レンズ44で集光され、CCDを
含む光学像検出系46または光電子増倍管を含む発光検
出系48に入射する。光学像検出系46と発光検出系4
8は、その位置を替えることにより選択的に切り替えら
れる。
物レンズ24のZ方向(試料表面に垂直な方向)の位置
を調整して焦点を試料30の表面に合わせる。この状態
で励起光を試料表面に照射し光学像検出系を用いて試料
表面の光学像を観察しながら、XYステージ32を操作
して試料30を動かして観察領域を決める。このとき探
針12は、試料30を移動させたときに衝突しないよう
に、試料30から十分に離しておく。その後、光ファイ
バー干渉計38を用いてカンチレバー14の変位をモニ
ターしながら図示しないステッピングモーターを用いて
探針12を試料30に近づけ、カンチレバー14の変位
が検出された時点でステッピングモーターを停止して探
針12の接近を停止させる。このとき光ファイバー34
は、その先端から射出される変位検出光が干渉反射膜2
0上に焦点を結ぶようにZ方向位置を随時調整する。
て、カンチレバー14の変位量を一定に保つように探針
12のZ方向位置のサーボ制御を行ないながら、探針1
2をXY方向に走査して、試料表面の凹凸形状の測定を
行なう(AFM測定モード)。この間の制御は、図3に
示すように、光ファイバー干渉計38から出力されるカ
ンチレバー14の変位の情報がAFM−STMコントロ
ールボックス50に入力され、AFM−STMコントロ
ールボックス50がこれを打ち消すように圧電アクチュ
エーター26を駆動させる制御信号を圧電アクチュエー
ター26に供給して行なわれる。
探針試料間距離を一定に保った状態で探針12を走査す
る間、トンネルバイアス電圧発生装置52を用いて探針
12と試料30との間にバイアス電圧を印加し、両者間
に流れるトンネル電流をトンネル電流検出用プリアンプ
54を用いて検出することにより、トンネル電流のXY
面内変化を測定することができる(トンネル電流像測定
モード)。
で、トンネルパイアス電圧に対するトンネル電流の依存
性や微分コンダクタンスの測定を行なうこともできる
(トンネルスペクトル測定モード)。
保った状態で探針12と試料30の間に流れるトンネル
電流を検出するとき、励起光を断続的に試料に照射し、
光電導性のXY面内分布、光励起トンネル電流のバイア
ス電圧依存性、光励起トンネル電流の励起スペクトル
(アクションスペクトル)の測定を行なう。
12と試料30の間に流れるトンネル電流を検出しなが
ら、試料30からのトンネル発光の面内分布や発光の波
長依存性、バイアス電圧と発光強度の関係などの測定を
行なう。
述の実施例と同じ部材は同一の符号で示し、その説明は
省略する。この例では、先端を除く探針表面に光学的に
黒い膜60が設けてある。試料を光励起した際に試料表
面から放射される蛍光などの発光を観察する場合、励起
光のまわりこみを除去する必要がある。本例の光学的に
黒い膜60は、励起光が探針12の表面で散乱され、試
料観察光学系にまわり込むのを防いでいる。なお、光フ
ァイバー端部の屈折率分布をイオン交換法による処理に
よって変化させることにより、ファイバー34の先端を
凸レンズ形状にするのと同じ効果が得られる。このよう
にすればカンチレバーの幅(20μm)以上の径の光フ
ァイバーが使用でき、ファイバー支持部より下方の共振
周波数が向上する。
中、上述の実施例と同じ部材は同一の符号で示し、その
説明は省略する。この例では、探針12の先端が丸めて
あり、光学的に凸レンズと同等の機能を有するようにな
っている。これにより励起光が試料30によく集束され
る。また、探針12の先端を丸める代わりに、前述した
ように先端部に屈折率分布を変化させ、形状を変更する
ことなくレンズ効果を持たせることもできる。
参照して説明する。図6は試料表面を光学的に観察する
場合の装置構成を示し、図7は試料表面からの発光を検
出する場合の装置構成を示している。図中、上述の実施
例と同じ部材は同一の符号で示し、その説明は省略す
る。本実施例では、上述した実施例と同様に光ファイバ
ー34を介して変位検出光がカンチレバー14に照射さ
れ、探針12の変位が検出される。また、励起光源84
から射出された励起光は励起光用フィルター82を介し
てレンズ80に入射し、ダイクロイックハーフミラー7
8で反射された後に対物レンズ24により集光され、カ
ンチレバー14やガラス板16を透過して試料30に照
射される。試料30からの反射光すなわち試料表面の光
学情報を含んでいる観察光は、図6に示すように、ダイ
クロイックハーフミラー78を透過し、レンズ86によ
りCCD88に集光され、試料表面の光学像が観察され
る。一方、試料表面からの発光を検出する際には、図6
のレンズ86とCCD88に替えて、図7に示すように
フィルター90とレンズ90と光電子増倍管94とを配
置する。試料表面からの発光は対物レンズ24で集めら
れ、ダイクロイックハーフミラー78を透過し、フィル
ター90を介してレンズ92に入射し、光電子増倍管9
4に集光され発光が検出される。本実施例の構成では、
励起光の位置分解能は低下するが、上述の実施例に比べ
て、励起光強度を大きくすることができる。
では、カンチレバー14の自由端部に設けた干渉反射膜
が励起光を吸収する性質を利用して、反射膜内に励起光
の光強度をモニターするためのボロメーター96を設け
た。このボロメーター96をガラス板16と共に上方か
ら見た図を(A)に、その側断面図を(B)に示してあ
る。ボロメーター96の出力に基づいて励起光源の駆動
回路をフィードバック制御することにより、励起光強度
を一定に保つことができる。
出光を同一の光ファイバーを用いて導いている実施例に
よれば、観察領域を局所的に光励起できるとともに、変
位検出光がまわり込んだり、変位検出系の光学部材が観
察光学系の視野を遮ったりするといった影響が軽減され
る。
導光部を有しているので、探針を介して試料に光を照射
することができる。また、本発明の原子間力顕微鏡によ
れば、導光部を有する探針を介して試料に光を照射した
際に、試料から得られる光に基づいて、試料の光学特性
を検出することができる。
す。
像を観察するときの構成を示す。
発光を検出するときの構成を示す。
26…圧電アクチュエーター、36…励起光源、38…
光ファイバー干渉計、46…光学像検出系、48…発光
検出系。
Claims (4)
- 【請求項1】 探針を備えたカンチレバーであって、探
針は導光部を有し、探針の先端部には、これを通して試
料に励起光を照射するための開口が設けられている、カ
ンチレバー。 - 【請求項2】 前記探針は、尖った先端を有する光学的
に透明な材料と、この材料の尖った先端を除く表面に設
けられた遮光膜と、から構成されることを特徴とする請
求項1記載のカンチレバー。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載されたカ
ンチレバーを用いて試料の表面形状を測定する原子間力
顕微鏡であって、前記導光部を介して試料に光を照射し
て、前記試料の光学的特性を検出する光学系を有するこ
とを特徴とする原子間力顕微鏡。 - 【請求項4】 前記光学系は対物レンズを含み、この対
物レンズは前記探針と同軸上に配置されることを特徴と
する請求項3記載の原子間力顕微鏡。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3305998A JP3021872B2 (ja) | 1991-11-21 | 1991-11-21 | カンチレバー、原子間力顕微鏡 |
US07/866,748 US5289004A (en) | 1990-03-27 | 1992-04-10 | Scanning probe microscope having cantilever and detecting sample characteristics by means of reflected sample examination light |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3305998A JP3021872B2 (ja) | 1991-11-21 | 1991-11-21 | カンチレバー、原子間力顕微鏡 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05141961A JPH05141961A (ja) | 1993-06-08 |
JP3021872B2 true JP3021872B2 (ja) | 2000-03-15 |
Family
ID=17951841
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3305998A Expired - Fee Related JP3021872B2 (ja) | 1990-03-27 | 1991-11-21 | カンチレバー、原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3021872B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2704601B2 (ja) * | 1993-04-12 | 1998-01-26 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型近視野原子間力顕微鏡、及びその顕微鏡に使用されるプローブ、及びそのプローブの製造方法 |
DE4338688C1 (de) * | 1993-11-12 | 1995-03-09 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Halterung für eine Tastspitze eines Rastersondenmikroskop |
US5559330A (en) * | 1993-12-20 | 1996-09-24 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Scanning tunneling microscope |
IL145136A0 (en) * | 2001-08-27 | 2002-06-30 | Multiple plate tip or sample scanning reconfigurable scanning probe microscope with transparent interfacing of far-field optical microscopes | |
US7376304B2 (en) * | 2001-09-27 | 2008-05-20 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Biochemical assay detection using a fiber optic exciter |
EP1963816B1 (en) * | 2005-11-28 | 2017-05-17 | Vereniging voor Christelijk Hoger Onderwijs, Wetenschappelijk Onderzoek en Patiëntenzorg | Optical device comprising a cantilever and method of fabrication and use thereof |
JP7347793B2 (ja) * | 2019-11-13 | 2023-09-20 | 株式会社ディスコ | 撮像装置 |
-
1991
- 1991-11-21 JP JP3305998A patent/JP3021872B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05141961A (ja) | 1993-06-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7091476B2 (en) | Scanning probe microscope assembly | |
US6396054B1 (en) | Scanning probe microscope assembly and method for making confocal, spectrophotometric, near-field, and scanning probe measurements and associated images | |
US5894122A (en) | Scanning near field optical microscope | |
US6559926B2 (en) | Pattern forming apparatus and pattern forming method | |
US20090249521A1 (en) | High frequency deflection measurement of IR absorption | |
US5859364A (en) | Scanning probe microscope | |
US6265711B1 (en) | Scanning probe microscope assembly and method for making spectrophotometric near-field optical and scanning measurements | |
US20140310839A1 (en) | Mechanical detection of raman resonance | |
US5838000A (en) | Method device and system for optical near-field scanning microscopy of test specimens in liquids | |
JP3021872B2 (ja) | カンチレバー、原子間力顕微鏡 | |
JPH10293133A (ja) | 走査型近接場光学顕微鏡 | |
JP4754363B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
EP0652414B1 (en) | Scanning near-field optic/atomic force microscope | |
JP4585053B2 (ja) | 散乱型近接場顕微鏡 | |
JPH10267945A (ja) | 走査型光顕微鏡 | |
JP3523754B2 (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
JP4361221B2 (ja) | 走査型近接場顕微鏡におけるイルミネーション反射モードの測定方法 | |
JP2002310881A (ja) | 走査型近接場顕微鏡 | |
JP3720173B2 (ja) | 微小開口プローブの評価装置 | |
JPH07174768A (ja) | 走査型プローブ顕微鏡 | |
JPH07198732A (ja) | ニアフィールド顕微鏡 | |
JP3905229B2 (ja) | 多方位同時検出光集光器および走査型近接場顕微鏡 | |
JPH07260805A (ja) | 原子間力検出機構および原子間力検出型走査型近視野顕微鏡 | |
JPH08220114A (ja) | 走査型力顕微鏡の変位検出装置 | |
JPH07191047A (ja) | ニアフィールド顕微鏡 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19991130 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080114 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090114 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090114 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100114 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110114 Year of fee payment: 11 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |