JP3529532B2 - 試料加熱装置および試料加熱・冷却装置 - Google Patents
試料加熱装置および試料加熱・冷却装置Info
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Description
微鏡等の試料の観察を行う試料観察装置の技術分野に属
し、特に試料を加熱または冷却した状態で観察する場合
の試料加熱装置および試料加熱・冷却装置の技術分野に
属するものである。
め、試料の観察を行う試料観察装置が、従来から種々開
発されている。ところで、このような試料観察装置を用
いて試料の観察を行うにあたり、試料を常温より高い温
度に加熱した状態で観察しなければならない場合や常温
より低い温度に冷却した状態で観察しなければならない
場合がある。このようなことから、試料観察装置には試
料加熱装置や試料冷却装置が設けられている。
原子力間顕微鏡(AFM)を部分的にかつ概略的に示す
図である。図中、1はAFM、2は光を発する光源、3
は光源2からの光を反射させるカンチレバー、4はカン
チレバーで反射された反射光を検出する光ディテクタ、
5は試料、6は圧電素子からなり試料5を載置しかつ
X、Y、Z軸方向に独立して移動させるスキャナ、7は
スキャナ6を支持する固定台、8は試料加熱用電源であ
る。
ナ6に載置固定された後、スキャンジェネレータ(不図
示)からのZ軸(図3で上下方向軸)の高さ調整信号に
より、スキャナ6のZ軸圧電素子(不図示)が駆動され
てカンチレバー3の先端にある探針3aが試料5にZ軸
方向に初期設定距離d(nm)だけ接近させられる。一方、
光源2から光が発せられ、この光はカンチレバー3の試
料と反対側の面に当たって反射し、その反射光が光ディ
テクタ4によって検出される。
制御信号により、スキャナ6のX軸、Y軸圧電素子(不
図示)がそれぞれ駆動されて、試料5がX軸方向(図3
で左右方向)およびY軸方向(図3で紙面に直交する方
向)にそれぞれ移動される。試料5の観察表面に凹凸が
あって、カンチレバー3の探針3aと試料5の観察表面
における探針3a対向面との間の距離が初期設定距離d
(nm)からずれるため、探針3aは初期設定距離d(nm)を
保持しようとして観察表面の凹凸に応じて上下動する。
このため、カンチレバ−3の傾きが変化するので、光デ
ィテクタ4に入力される反射光の位置も変化する。この
反射光の位置変化を検出することにより、試料5の表面
が観察される。
を高温に加熱した状態で観察する場合には、加熱用電源
8により試料5を設定温度に加熱し、この加熱状態で前
述と同様に試料をスキャナ6によりX軸およびY軸方向
に移動させて、試料5の観察表面を走査することにより
観察が行われる。
従来のAFM1における加熱用電源8による試料5の加
熱では、試料5が高温に加熱されるとき、スキャナ6も
高温に加熱されてしまうので、スキャナ6を構成する圧
電素子の温度が大きく上昇するようになる。しかしなが
ら、圧電素子の温度が上昇してある温度を超えると、こ
の圧電素子の分極が破壊されてしまう。このため、従来
は、試料5を所定時間以上高温で加熱することはできな
く、加熱状態における試料5の観察は十分にかつ正確に
行うことができないと問題がある。
で観察するために、冷却専用の冷却装置が設けられてい
るが、このように専用の冷却装置を設けたのでは、コス
トが高くなってしまう。そこで、前述の加熱用電源8に
よる試料5の高温加熱時に、スキャナ6への高温による
影響を効果的に抑制しながら、しかも同じ装置で試料5
の冷却も効果的に行うようにすることが求められてい
る。
ものであって、その目的は、試料を長時間高温で加熱し
てもスキャナの圧電素子を破損させることのない試料加
熱装置を提供することである。
高温で加熱してもスキャナの圧電素子を破損させること
のなく、しかも試料の冷却も効果的に行うことのできる
試料加熱・冷却装置を提供することである。
ために、請求項1の発明は、試料を移動させるスキャナ
と、前記試料を加熱する加熱手段とを少なくとも備え、
前記スキャナにより前記試料を移動させながら観察可能
となっているとともに、前記試料を高温に加熱した状態
で観察可能となっている試料観察装置における試料加熱
装置において、前記スキャナと前記試料との間に、この
試料からの熱を逃す、熱伝導材からなるヒートコンダク
タが介在されていることを特徴としている。
クタと前記スキャナとの間に、更に熱絶縁が介在されて
いることを特徴としている。
クタと前記熱絶縁体とからなる層が複数層、前記試料と
前記スキャナとの間に介在されていることを特徴として
いる。
クタが、少なくとも一部が弾性を有する形状とされてい
るとともにこの弾性を有する形状部分を介して前記スキ
ャナの熱容量よりも大きな熱容量の前記試料加熱装置の
構成部材に接続されていることを特徴としている。
し4のいずれか1記載の試料加熱装置を備え、前記ヒー
トコンダクタが冷却手段に接続されていることを特徴と
している。
熱装置においては、試料とスキャナとの間にヒートコン
ダクタが介在されているので、試料を高温で長時間加熱
しても、試料からの熱はこのヒートコンダクタを介して
逃げるようになる。したがって、試料からの熱はスキャ
ナの方へ伝達されることが抑制されるので、スキャナが
高温になることが阻止される。これにより、スキャナを
構成する圧電素子の熱による破損が防止される。
ては、スキャナとヒートコンダクタとの間に、更に熱絶
縁体が介在されているので、試料を高温で長時間加熱し
たとき、試料からの熱はヒートコンダクタを介して逃げ
るばかりでなく、スキャナの方へ伝達されることが熱絶
縁体により、より一層効果的に抑制されるので、スキャ
ナが高温になることがより一層確実に阻止される。これ
により、スキャナの破損がより一層確実に防止される。
ては、ヒートコンダクタと熱絶縁体とからなる層が複数
層、試料とスキャナとの間に介在されているので、試料
からの熱に対して試料の観察温度等の観察状況に応じて
より適切に対応することができる。これにより、スキャ
ナの破損がより一層効果的に防止される。
ては、ヒートコンダクタの少なくとも一部が弾性を有す
る形状とされかつヒートコンダクタがこの弾性を有する
形状部分を介してスキャナの熱容量よりも大きな熱容量
の試料加熱装置の構成部材に接続されているので、スキ
ャナの操作により試料が移動されるとき、ヒートコンダ
クタの弾性部分が弾性変形して試料の移動に追従するよ
うになり、その結果ヒートコンダクタがその試料の移動
に影響を与えることはない。したがって、スキャナによ
る走査の動きに影響を与えることはなく、試料の観察を
確実にかつ容易に行うことができる。
成部材を通して伝達されても、この振動はヒートコンダ
クタの弾性部分により吸収されるので、試料には伝達さ
れない。
においては、ヒートコンダクタが冷却手段に接続されて
いるので、ヒートコンダクタを通して伝達されてくる試
料からの熱は冷却手段により、より効果的に冷却され
る。したがって、試料からの熱スキャナの方へ伝達され
ることは更に一層確実に抑制される。しかも、加熱手段
を作動させないで、冷却手段のみを作動させることによ
り、試料が冷却されるようになる。これにより、装置の
構成を変更することなく、1つの装置で試料の加熱およ
び冷却をすることが可能となり、試料の低温冷却状態で
の観察が可能となる。
の形態を説明する。図1は本発明にかかる試料加熱装置
をAFMに適用した場合の実施の形態の一例を示す、図
3と同様の図である。なお、前述の従来のAFMと同じ
構成要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説
明は省略する。
ナ6の上にヒートコンダクタ9が熱絶縁体10を介して
設けられている。ヒートコンダクタ9はリボン状の熱伝
導率の高いかつある程度の弾性を有する金属等の熱伝導
部材から構成されており、そのスキャナ6上の端部と反
対側の端部は固定台7に接続されている。この固定台7
は熱を逃すために十分な熱容量を有するように形成され
ている。また、熱絶縁体10は熱伝導率の低い材料から
形成されており、この熱絶縁体10によりスキャナ6は
試料5の熱から絶縁されている。
においては、加熱用電源8により試料5が高温に加熱さ
れたとき、この試料5の熱はヒートコンダクタ9によっ
て固定台7に伝達される。固定台7は十分な熱容量を有
しているので、伝えられた熱を確実に吸収しおよび外部
に逃すようになる。
た試料5からの熱は、熱絶縁体10によりスキャナ6の
方へは伝達されない。したがって、試料5を高温で長時
間加熱してもスキャナ6の温度が上昇することはなく、
スキャナ6を構成する圧電素子の分極が破壊されること
はない。また、固定台7が十分大きな熱容量を有してい
るので、固定台7は伝えられた試料5からの熱により温
度が高く上昇することがない。したがって、固定台7に
熱が伝えられても、スキャナ6の温度が上昇することも
ない。
成され弾性を有しているので、スキャナ6による試料5
の移動時弾性変形することによりこの試料5の移動に確
実に追従するようになる。したがって、スキャナ6によ
る走査の動きに影響を与えることはなく、試料5の観察
を確実にかつ容易に行うことができるようになる。その
うえ、このヒートコンダクタ9により、固定台7を介し
て伝達される外部からの振動が試料に伝達されなく、試
料5の観察をより一層正確に行うことができる。
ートコンダクタ9と熱絶縁体10とがともに設けられる
ようになっているが、試料の加熱温度によってはヒート
コンダクタ9のみを設けるようにすることもできる。
トコンダクタ9と熱絶縁体10との組合せからなる層の
1層がスキャナ6の上に設けられるようになっている
が、本発明では、後述する図2に示すようにヒートコン
ダクタ9と熱絶縁体10との組合せからなる層を複数層
重ねて設けるようにすることもできる。その場合、層の
数は試料5の観察温度等の観察状況に応じて適宜設定す
ればよい。
ャナ6の前述の動作に影響を与えないものであれば、リ
ボン形状以外にメッシュやコイル等のどのような形状を
もとることができる。
をAFMに適用した場合の実施の形態の一例を示す、図
1と同様の図である。なお、前述の従来のAFMおよび
図1に示すAFMと同じ構成要素には同じ符号を付すこ
とにより、その詳細な説明は省略する。
置は、図1に示す加熱装置のヒートコンダクタ9と熱絶
縁体10との層が2層、すなわち第1ヒートコンダクタ
9aと第1熱絶縁体10aとからなる第1層と、第2ヒ
ートコンダクタ9bと第2熱絶縁体10bとからなる第
2層とがスキャナ6の上に積層されて設けられている。
第1ヒートコンダクタ9aの上に試料5が載置固定され
ている。
bは、図1に示すヒートコンダクタ9と同じ材料でかつ
同じ形状に形成されている。同様に、第1および第2熱
絶縁体10a,10bは、図1に示す熱絶縁体10と同
じ材料でかつ同じ形状に形成されている。
装置に冷却装置11が配備されている。この冷却装置1
1は、液体ヘリウムHeが収容された熱伝導材からなる
第1冷却容器12と、この第1冷却容器12から延設さ
れて第1ヒートコンダクタ9aに接続された、熱伝導材
からなる第3ヒートコンダクタ13と、第1冷却容器1
2を囲むように環状に配設されるとともに液体窒素Nが
収容された、熱伝導材からなる第2冷却容器14と、こ
の第2冷却容器14から延設されて第2ヒートコンダク
タ9bに接続された、熱伝導材からなる第4ヒートコン
ダクタ15とから構成されている。第4ヒートコンダク
タ15は管状に形成されており、この第4ヒートコンダ
クタ15内を第3ヒートコンダクタ13が貫通されてい
る。
置においては、加熱用電源8により試料5を高温で長時
間加熱した状態で観察する場合、試料5から伝達される
高温の熱は、前述の図1に示す例と同様に第1ヒートコ
ンダクタ9aに伝達される。第1ヒートコンダクタ9a
に伝達された高熱は、更に第1ヒートコンダクタ9aか
ら第3ヒートコンダクタ13を介して第1冷却容器12
に伝達され、液体ヘリウムHeの冷熱で効果的に冷却さ
れる。こうして、試料5からの高温の熱が冷却装置11
の第1冷却容器12の方へ効果的に逃げるようになる。
的に逃げるとともに第1熱絶縁体10aにより、スキャ
ナ6の方へ伝達される熱は抑制されるが、それでも熱の
スキャナ6の方への伝達は完全には阻止されなく、この
熱は第2ヒートコンダクタ9aに伝達される。第2ヒー
トコンダクタ9bに伝達された熱は、更に第2ヒートコ
ンダクタ9bから第4ヒートコンダクタ15を介して第
2冷却容器14に伝達され、液体窒素Nの冷熱で効果的
に冷却される。こうして、第1熱絶縁体10aを通して
伝達されてくる熱は冷却装置11の第2冷却容器14の
方へ効果的に逃げるようになる。
た状態のとき、試料5からの熱によりスキャナ6が高温
に加熱されることはなく、スキャナ6の圧電素子の分極
が破壊されることは防止される。
合、加熱用電源8は試料から遮断される。そして、冷却
装置11における第1冷却容器12の液体ヘリウムHe
の冷熱が、第1冷却容器12、第3ヒートコンダクタ1
3および第1ヒートコンダクタ9aを介して試料5に伝
達され、試料5が冷却される。このとき、第1ヒートコ
ンダクタ9aに伝達された液体ヘリウムHeの冷熱は第
1熱絶縁体10aによりスキャナ6の方へ逃げるのを抑
制されるので、試料5は効果的に冷却されるようにな
る。
よれば、構成を変えることなく、1つの装置で試料5の
加熱と冷却とが可能となる。本例の他の作用効果は、前
述の例と同じである。
リウムHeを収容し、第1冷却容器12を囲む環状の第
2冷却容器14に液体窒素Nを収容しているので、液体
ヘリウムHeの蒸発を効果的に防止することができる。
冷却装置をAFM1に適用するものとしているが、本発
明はこれに限定されるものではなく、試料を操作するた
めにスキャナに試料を装着するようになっている試料観
察装置であれば、他のどのような試料観察装置にも適用
することができる。
熱用電源8による加熱方法以外に、前述の試料観察装置
に適用できるものであれば他のどのような加熱方法も採
用することができる。更に、本発明は冷却装置11の第
1および第2容器12,14の形状、第3および第4ヒ
ートコンダクタ13,15の形状は前述の例に限定され
るものではなく、他の任意の形状を採用することができ
るとともに、冷媒も液体ヘリウムHeおよび液体窒素N
に限らず、他の任意の冷媒を用いることもできる。その
うえ、試料5の冷却方法としても液体ヘリウムHeや液
体窒素Nによる冷却方法に限らなく、他のどのような冷
却方法も採用することができる。
1の発明の試料加熱装置によれば、試料とスキャナとの
間にヒートコンダクタを介在させて、このヒートコンダ
クタにより試料からの熱を逃すようにしているので、試
料からの熱がスキャナの方へ伝達するのを抑制できる。
したがって、スキャナが高温になることを阻止でき、ス
キャナを構成する圧電素子の熱による破損を防止でき
る。これにより、加熱状態における試料の観察を十分に
かつ正確に行うことができるようになる。
ば、更にスキャナとヒートコンダクタとの間に熱絶縁体
を介在しているので、試料を高温で長時間加熱したと
き、試料からの熱をヒートコンダクタを介して逃がすこ
とができるばかりでなく、スキャナの方へ伝達されるの
を熱絶縁体により効果的に抑制できる。したがって、ス
キャナが高温になるのをより一層確実に阻止でき、スキ
ャナの破損をより一層確実に防止できる。
ば、ヒートコンダクタと熱絶縁体とからなる層を複数
層、試料とスキャナとの間に介在しているので、試料か
らの熱に対して試料の観察温度等の観察状況に応じてよ
り適切に対応することができる。これにより、スキャナ
の破損をより一層効果的に防止できる。
ば、ヒートコンダクタの少なくとも一部を弾性を有する
形状とし、かつヒートコンダクタを、この弾性を有する
形状部分を介してスキャナの熱容量よりも大きな熱容量
の試料加熱装置の構成部材に接続しているので、ヒート
コンダクタの弾性変形により、ヒートコンダクタが試料
を移動するためのスキャナの操作に影響を与えるのを防
止できる。したがって、スキャナによる試料の移動をよ
り正確にかつ容易にできる。
成部材を通して伝達されても、この振動をヒートコンダ
クタの弾性部分により吸収するので、振動が試料に伝達
されるのを防止でき、試料の観察を確実に行うことがで
きる。
によれば、ヒートコンダクタを通して伝達されてくる試
料からの熱を冷却手段により効果的に冷却しているの
で、試料からの熱スキャナの方へ伝達されるのを更に一
層確実に抑制できる。しかも、冷却手段のみを作動させ
ることにより試料を冷却することができる。したがっ
て、装置の構成を変更することなく、1つの装置で試料
の加熱および冷却をすることが可能となり、試料の低温
冷却状態での観察が可能となる。これにより、装置の構
成が簡単になり、コストを低減できる。
した場合の実施の形態の一例を部分的に示す図である。
に適用した場合の実施の形態の一例を部分的に示す図で
ある。
を示す図である。
レバー、3a…探針、4…光ディテクタ、5…試料、6
…スキャナ、7…固定台、8…加熱用電源、9…ヒート
コンダクタ、9a…第1ヒートコンダクタ、9b…第2
ヒートコンダクタ、10…熱絶縁体、10a…第1熱絶
縁体、10b…第2熱絶縁体、11…冷却装置、12…
第1冷却容器、13…第3ヒートコンダクタ、14…第
2冷却容器、15…第4ヒートコンダクタ
Claims (5)
- 【請求項1】 試料を移動させるスキャナと、前記試料
を加熱する加熱手段とを少なくとも備え、前記スキャナ
により前記試料を移動させながら観察可能となっている
とともに、前記試料を高温に加熱した状態で観察可能と
なっている試料観察装置における試料加熱装置におい
て、前記スキャナと前記試料との間に、この試料からの
熱を逃す、熱伝導材からなるヒートコンダクタが介在さ
れていることを特徴とする試料加熱装置。 - 【請求項2】 前記ヒートコンダクタと前記スキャナと
の間に、更に熱絶縁体が介在されていることを特徴とす
る請求項1記載の試料加熱装置。 - 【請求項3】 前記ヒートコンダクタと前記熱絶縁体と
からなる層が複数層、前記試料と前記スキャナとの間に
介在されていることを特徴とする請求項2記載の試料加
熱装置。 - 【請求項4】 前記ヒートコンダクタは、少なくとも一
部が弾性を有する形状とされているとともにこの弾性を
有する形状部分を介して前記スキャナの熱容量よりも大
きな熱容量の前記試料加熱装置の構成部材に接続されて
いることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1記
載の試料加熱装置。 - 【請求項5】 前記請求項1ないし4のいずれか1記載
の試料加熱装置を備え、前記ヒートコンダクタが冷却手
段に接続されていることを特徴とする試料加熱・冷却装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03357696A JP3529532B2 (ja) | 1996-02-21 | 1996-02-21 | 試料加熱装置および試料加熱・冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03357696A JP3529532B2 (ja) | 1996-02-21 | 1996-02-21 | 試料加熱装置および試料加熱・冷却装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09231932A JPH09231932A (ja) | 1997-09-05 |
JP3529532B2 true JP3529532B2 (ja) | 2004-05-24 |
Family
ID=12390368
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP03357696A Expired - Lifetime JP3529532B2 (ja) | 1996-02-21 | 1996-02-21 | 試料加熱装置および試料加熱・冷却装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3529532B2 (ja) |
Cited By (1)
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1996
- 1996-02-21 JP JP03357696A patent/JP3529532B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
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JP3266740B2 (ja) | 1994-08-17 | 2002-03-18 | 日本電子株式会社 | 走査トンネル顕微鏡用試料ホルダ |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
江藤輝一、原田嘉晏、石田征久、岩槻正志、北村真一、千葉聡,"温度可変型超高真空走査トンネル顕微鏡の開発",機械振興,日本,財団法人機械振興協会,1994年12月 1日,第27巻、第12号,p.66−69 |
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Also Published As
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