JP3809342B2 - 受発光プローブ及び受発光プローブ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料表面の極小領域を点灯したり極小領域からの光を受光する受発光プローブに関し、更に詳細には、ホルダーに固定した導電性ナノチューブ探針の側面に受発光体を形成したり、またＡＦＭ用カンチレバーの突出部側面に受発光体を形成して、この受発光体により光を受光・発光できる受発光プローブ及び受発光プローブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、発光材料の開発は急速に進められており、光と電子を応用するオプトエレクトロニクスで総称される新技術分野が生まれている。その中で、発光ダイオード、レーザーダイオード、プラズマ、蛍光、液晶、エレクトロルミネッセンス、光ＩＣなど様々な技術展開が行われている。
【０００３】
しかし、これらの光技術は主として肉眼または光学顕微鏡レベルの視野のサイズ領域を対象としたもので、近年急速に発展しているナノ領域を対象としたものではない。光ファイバーを利用して微小領域を点灯する技術は開発されているが、光ファイバーをナノサイズにまで極小化できないため、ナノ領域の点灯・消灯を自在に制御することは不可能であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などが開発されており、試料表面を原子レベルで撮影したり、試料表面上で原子を移動制御する技術が進展している。この技術展開に連動して、ナノサイズの領域を効率よくピンポイント的に点灯・消灯する光技術が要望されている。
【０００５】
最近になって、光ファイバーの中にエバネッセント波を伝播させる光ファイバー技術が提案された。この光ファイバー技術は光ファイバーの先端から浸み出た光を利用して極小領域を点灯させるものであるが、先端の開口部の製作やファイバーのハンドリングなど問題が多い。また、エバネッセント波は光強度が指数関数的に減衰するため光の利用効率がよくない。つまり、要望の大きさに反比例して、有効に利用できるナノ領域の発光技術は今まで無かったと云える。
【０００６】
従って、本発明に係る受発光プローブ及び受発光プローブ装置は、物質表面のナノ領域をピンポイント的に点灯・消灯することを可能にし、有効に利用できるナノ領域の照明技術を提供することを目的とする。同時に、試料表面の極小領域から放射される光を受光できるナノ領域の受光技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ホルダーに基端部を固定して先端部が突設された導電性ナノチューブ探針と、この導電性ナノチューブ探針の周面に形成された受発光体と、この受発光体に固定された導電性ナノチューブリード線と、この導電性ナノチューブリード線と前記導電性ナノチューブ探針の両端に電圧を印加する手段から構成され、前記受発光体により受光・発光させることを特徴とする受発光プローブである。
【０００８】
請求項２の発明は、カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、この突出部を前記ホルダーとして用い、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記導電性ナノチューブリード線の一端を一つの電極膜に接続し、導電性ナノチューブ探針を他の電極膜に接続し、両電極膜間に電圧を印加するように構成された請求項１に記載の受発光プローブである。
【０００９】
請求項３の発明は、カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、この突出部を前記ホルダーとして用い、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記ナノチューブリード線の一端を一つの電極膜に接合し、導電性ナノチューブ探針と他の電極膜の間を別の導電性ナノチューブリード線で連結し、両電極膜間に電圧を印加するように構成された請求項１に記載の受発光プローブである。
【００１０】
請求項４の発明は、カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記突出部の先端近傍に受発光体を形成し、この受発光体の両端と前記２本の電極膜とを電気的に導通させ、両電極膜間の通電により受発光体を受光・発光させることを特徴とする受発光プローブである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１、２、３又は４に記載の受発光プローブと、この受発光プローブを試料に対し走査する走査機構と、前記受発光プローブの受発光体により受光・発光させる制御回路からなることを特徴とする受発光プローブ装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る受発光プローブ及び受発光プローブ装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明に係る受発光プローブの第１実施形態の概略斜視図である。この受発光プローブ１９は、ＡＦＭ用カンチレバー２を加工して構成されている。カンチレバー２はカンチレバー部４と、その先端に突設されたホルダー８（突出部又はピラミッド部とも称する）から構成されている。
【００１４】
カンチレバー部４の両側面には電極膜５、６が設けられ、これらは導電性物質をコーティングして形成されている。電極膜５、６の後端部には接点５ａ、６ａを通して制御回路Ｃが接続されている。この制御回路Ｃは電圧供給用の電源２０（又は電流供給用）とスイッチ２１から構成されている。この実施形態では、後述する受発光体との関係で前記電源２０として交流電源が使用されている。
【００１５】
前記ホルダー８には導電性ナノチューブ探針１０が配置されている。この導電性ナノチューブ探針１０は導電性ナノチューブの基端部１０ｂをホルダー８に固定し、先端部１０ａを下方に突出させ、先端１０ｃを試料２２の表面２２ａに近接配置して構成されている。
【００１６】
導電性ナノチューブ探針１０の基端部１０ｂはホルダー８に電子ビーム照射により熱融着されている。電流を通電して融着させても良い。このような熱融着固定に代えてコーティング膜固定を行ってもよい。この基端部１０ｂと電極膜５の間には導電性ナノチューブリード線１２を介装し、その両端は融着部１３ａ、１３ｂにおいて同様に熱融着により固定されている。この融着もコーティング膜で代えることができる。更に、融着部１３ａ、１３ｂの上からコーティング膜１４ａ、１４ｂが被膜形成されている。従って、導電性ナノチューブ探針１０と導電性ナノチューブリード線１２がホルダー８と電極膜５に強固に固着される。
【００１７】
導電性ナノチューブ探針１０の周面の要所には通電による受発光体１５が堆積形成されている。この受発光体１５は通電により発光したり、逆に光を受光できる素子である。この受発光体１５と電極膜６の間には導電性ナノチューブリード線１６が介装されている。リード線端部１６ａ、１６ｂは受発光体１５と電極膜６にそれぞれ熱融着して接合されている。この熱融着もコーティング膜で代替できる。このようなコーティング膜は物理吸着された表面にＰＶＤ法やＣＶＤ法により形成できる。
【００１８】
リード線端部１６ｂの融着部１７は更にコーティング膜１８により電極膜６に強固に固着されている。リード線端部１６ａには導電性ナノチューブ探針１０と一体に外周全体を取り巻く被膜を形成することによって強固な固着を実現できる。但し、この外周被膜は図示されていない。
【００１９】
ナノチューブは導電性ナノチューブと絶縁性ナノチューブに分けられる。導電性ナノチューブにはカーボンナノチューブのような通電性のナノチューブが含まれ、絶縁性ナノチューブにはＢＣＮ系ナノチューブやＢＮ系ナノチューブ等の非通電性のナノチューブが含まれる。ＰＶＤ法やＣＶＤ法など公知の方法により絶縁性ナノチューブの表面に導電性被膜を形成すると導電性を付与できるから、このようなナノチューブも導電性ナノチューブに属することになる。
【００２０】
本発明で用いられるナノチューブ探針やナノチューブリード線は電圧を印加して電流通電を行うから、導電性を有する必要がある。従って、それらを導電性ナノチューブ探針及び導電性ナノチューブリード線と称している。
【００２１】
コーティング膜を形成するには、所要場所に電子ビームを照射し、電子顕微鏡装置内に不純物として存在する有機物を分解してカーボンを前記所要場所に堆積させればよい。勿論、前記所要場所に堆積した有機物に照射しても、カーボン以外が放散され残りのカーボンが残留して被膜を形成する。他に、有機性ガスを装置内に導入して分解させてもよい。電子ビームに代えてイオンビームでも同様の処理が可能である。
【００２２】
本実施形態に利用される受発光体の材料としてはエレクトロルミネッセンス材料が用いられる。この材料には無機材料と有機材料があり、無機材料の代表例はＺｎＳで、活性剤を添加して発光色を変化させることができる。有機材料には、アントラセン等の共役ポリマーがある。
【００２３】
前記無機材料に添加される活性剤とその発光色を例示すると、Ｍｎなら黄橙色、ＳｍＦ３なら赤色、Ｌａ２Ｏ２Ｓ（Ｔｂ）なら白色、ＣａＳｉＥｕなら赤色、ＴｂＦ３なら緑色、ＣｕとＩなら青色、ＣｕとＡｌなら緑色である。電圧印加により、加速された電子が衝突して活性剤準位から電子が伝導体に励起され、材料中を移動して他のイオン化した活性剤準位と再結合して発光する。逆に、光を受光して電子ー正孔を形成し、電流が流れて受光を検出する。従って、受発光体は受光素子として機能すると同時に発光素子としても機能し、この発明の受発光体は受光体機能を有する場合と、発光体機能を有する場合の両者を意味する用語である。従って、受発光プローブも受光プローブとして利用される場合と発光プローブとして利用される場合の両方を含んでいる。
【００２４】
第１実施形態では電源２０として交流電源を使用して電気発光させている。動作周波数が変化すると発光色が変化する材料もある。また、ＺｎＳなどのエレクトロルミネッセンス材料を薄膜形成した場合には直流電源でも発光する。
【００２５】
受発光体１５を導電性ナノチューブ探針１０に形成するには、ＰＶＤ法（物理的蒸着法）やＣＶＤ法（化学的蒸着法）が使用できる。不要部に付着した受発光体材料は電子ビーム照射やイオンビーム照射により除去できる。
【００２６】
導電性ナノチューブの典型例はカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブの断面直径は約１ｎｍ〜数十ｎｍにまで分布し、軸長はｎｍオーダーからμｍオーダーにまで分布し、アスペクト比（軸長／直径）は極めて大きい。本発明に直接関連するのは断面直径であり、ナノチューブの構造から発現する最小理論値は約１ｎｍである。図１に示される導電性ナノチューブ探針１０の断面直径は約１ｎｍである。
【００２７】
次に、上記構成の作用について説明する。スイッチ２１をオンして電源２０により受発光体１５に交流電圧を印加する。電圧の印加により受発光体１５は励起発光し、導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃの付近を矢印２３のようにピンポイント的に光照射する。
【００２８】
この受発光プローブ１９は発光プローブであると同時に、走査型顕微鏡用プローブでもある。導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃは試料２２の表面２２ａをＡＦＭ走査してその表面像を撮像できる。この撮像中、走査される試料表面２２ａを受発光体１５の発光によりピンポイント的に一時的に光照射すると、光照射による表面原子の移動などが検出できる。また、この受発光体１５は特定原子集団からの放射された光をピンポイント的に受光して試料の発光現象を検出することもできる。
【００２９】
つまり、この受発光プローブ１９は単にナノ領域をピンポイント的に光照射したりナノ領域からの受光をする装置であるだけでなく、光照射により生じる現象、例えば光電気効果、光磁気効果、光力学効果などをそのＡＦＭ機能によって検出する装置でもある。光照射により表面原子に動きがあれば、その動きをＡＦＭ機能によって捉えることができる。
【００３０】
図２は本発明に係る受発光プローブの第２実施形態の概略斜視図である。第１実施形態と同一部分には同一符号を打ってその作用効果の説明を省略する。第１実施形態と異なる部分は、接合電極膜５ｂ、６ｂとＰＮ接合方式による受発光体１５の存在である。
【００３１】
第１の点は、導電性ナノチューブリード線１２に代えて接合電極膜５ｂ、６ｂをホルダー８に形成したことである。この接合電極膜５ｂ、６ｂは電極膜５、６と電気的に導通している。従って、導電性ナノチューブ探針１０の基端部１０ｂを融着部１３ａ及び／又はコーティング被膜１４ａで固定するだけで、導電性ナノチューブ探針１０への電圧印加が可能になる。これと同様に、リード線端子１６ｂを接合電極膜６ｂに融着部１７及び／又はコーティング膜１８で固定する。
【００３２】
つまり、第１実施形態において必要とされた導電性ナノチューブリード線１２と融着部１３ｂ及びコーティング膜１４ｂが不要となり、これらの処理工程が割愛できる特徴を有している。接合電極膜５ｂの形成は電極膜５、６の形成工程と同時にできるので、工程数及び製造コストの低下を実現できる。
【００３３】
第２の点は、高電場励起のエレクトロルミネッセンス方式に代えて、受発光体１５としてＮ型半導体層１５ａとＰ型半導体層１５ｂのＰＮ接合方式を採っていることである。Ｎ型半導体層１５ａは電子輸送材層、Ｐ型半導体層１５ｂは正孔輸送材層といってもよく、一般の半導体と比べて層の厚さは極めて薄く、導電性ナノチューブ探針１０の周面に形成するため最小厚は数分子層である。この電子輸送材層１５ａ及び正孔輸送材層１５ｂは自己組織化膜を形成しながら１分子層ずつ堆積形成されてゆく。
【００３４】
これらの半導体材料には無機材料と有機材料がある。無機材料にはＳｉ系、ＧａＡｓ系、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系、ＩｎＰ系、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ系などがあり、これにＰ型不純物を添加してＰ型半導体とし、またＮ型不純物を添加してＮ型半導体とする。
【００３５】
有機半導体には正孔輸送材（Ｐ型半導体）と電子輸送材（Ｎ型半導体）があり、論文「Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ」（Ｔｅｔｓｕｏ Ｔｓｕｔｓｕｉ，ＭＲＳ ＢＵＬＬＥＴＩＮ／ＪＵＮＥ １９９７，ｐｐ３９−４５）に多数掲載されている。この論文には、略称名が分子構造を図示して記載され、正孔輸送材としてはＴＰＤ、α−ＮＰＤ、ｍＴＡＤＡＴＡ、ＨＴＭ−１、ＴＰＴＥなどの有機物質があり、電子輸送材としてはｔ−Ｂｕ−ＰＢＤ、ＢＮＤ、ＯＸＤ−７、ＯＸＤ−Ｓｔａｒ、ＴＡＺ、Ａｌｑ、Ｂｅｂｑ、ＢＡｌｑｌ、ＺｎＰＢＯ、ＺｎＰＢＴ、ＤＴＶＢｉ、ＤＣＭ、ＱＡ、Ｒｕｂｒｅｎｅ、Ｐｅｒｙｌｅｎｅ等の有機物質がある。
【００３６】
Ｎ型半導体層１５ａとＰ型半導体層１５ｂを接合してＰＮ接合を形成し、順方向に電流を流して電子と正孔を注入すると、電子と正孔の再結合によりＰＮ接合部から発光する。図２では電源２０は順方向に電圧を印加しており、接合部から放射光２３が試料表面２２ａに照射される。逆に、試料表面から放射される光をＰＮ接合部で受光し、電子ー正孔の形成により光を検出できる。
【００３７】
導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃには受発光体１５は形成されていないから、先端１０ｃにより試料表面２２ａをＡＦＭ走査できる。試料表面２２ａをピンポイント的に光照射しながら、表面原子の動きを検出することができる。先端１０ｃに磁気感受性物質を固着させておけば、光照射により誘起される試料表面２２ａの磁８効果を検出することもできる。
【００３８】
図３は導電性ナノチューブ探針に受発光体を溶液形成する工程図である。この工程図では、発光体１５としてＰＮ接合方式の場合を説明する。（１）では、正孔輸送材Ａを分散溶解させた溶液の中に導電性ナノチューブ探針１０の先端部１０ａを浸演させる。その結果、（２）では先端部１０ａに正孔輸送材Ａが層状に付着してＰ型半導体層１５ｂが形成される。
【００３９】
（３）では、電子輸送材Ｂを分散溶解させた溶液の中に、前記導電性ナノチューブ探針１０の先端部１０ａを浸漬させる。その結果、（４）では先端部１０ａのＰ型半導体層１５ｂの上に、更に電子輸送材Ｂが層状に付着してＮ型半導体層１５ａが形成される。Ｐ型半導体層１５ｂとＮ型半導体層１５ａの２層形成によってＰＮ接合が形成される。先端１０ｃの近傍だけ受発光体１５を除去する必要がある場合には、先端近傍をイオンビーム照射すればよい
【００４０】
Ｐ型半導体層１５ｂとＮ型半導体層１５ａから発光体１５が構成される。このＮ型半導体層１５ａの上に導電性ナノチューブリード線１６のリード線端部１６ａが接合される。この接合は電子顕微鏡などの拡大装置内でビーム融着によって行われる。
【００４１】
図３では、Ｐ型半導体層１５ｂの上にＮ型半導体層１５ａを形成したが、Ｎ型半導体層１５ａの上にＰ型半導体層１５ｂを形成してもよい。電圧の順方向印加又は逆方向印加は電源２０の極性調節によって自在に行われる。また、エレクトロルミネッセンス材料を形成する場合にも、この溶液形成法を利用できることは云うまでもない。
【００４２】
溶液形成法に代えて、真空装置内でＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて、ＰＮ接合方式やエレクトロルミネッセンス方式の発光体の層形成を行うこともできる。層形成過程を撮像しながら行うためには、電子顕微鏡装置や集束イオンビーム装置などを利用することもできる。
【００４３】
図４は本発明に係る受発光プローブの第３実施形態の概略斜視図である。本実施形態では導電性ナノチューブ探針は使用せず、ＡＦＭ用のカンチレバー２をそのまま使用して受発光プローブ１９を形成する。電極膜５、６を形成したカンチレバー部の構成は第１実施形態と同様であるからその説明を省略する。
【００４４】
本実施形態の特徴は、カンチレバー２の探針となる突出部、即ちホルダー８に２本の接合電極膜５ａ、５ｂを形成し、これらの接合電極膜５ａ、５ｂに両端を接続されるように受発光体１５を形成していることである。接合電極膜５ａ、５ｂは前記電極膜５、６に電気的に導通している。
【００４５】
この実施形態では、探針点となるホルダー８の先端８ａを残すように受発光体１５を形成している。従って、この受発光プローブ１９を用いれば、受発光体１５により受光・発光しながら、試料表面２２ａをホルダー先端８ａでＡＦＭ走査することができる。ホルダー先端８ａは導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃほどの分解能は有しないが、ＡＦＭ用のカンチレバー２を使用しているため、ＡＦＭ機能としては十分である。
【００４６】
受発光体１５としては、エレクトロルミネッセンス受発光体やＰＮ接合受発光体などが利用できる。エレクトロルミネッセンス受発光体では図４に示した電極膜構造で電圧を印加できる。ＰＮ接合受発光体では、２層をＰＮ接合させるから、上下の層に電圧を印加する必要がある。従って、接合電極膜５ａ、５ｂの一つを残し、もう一つの接合電極膜は受発光体の上層に形成すればよい。また上層については、導電性ナノチューブリード線で上層と電極膜の間を導通させても良い。
【００４７】
図５は本発明に係る受発光プローブ装置の第１実施形態の構成図である。この受発光プローブ装置は受発光プローブ１９とその走査機構ＳＤから構成される。この実施形態で使用される受発光プローブ１９は導電性ナノチューブ探針１０を使用した図１又は図２に示される受発光プローブである。この受発光プローブ１９は図示しないホルダーセット部に着脱自在に固定される。その交換は受発光プローブ１９を取り替えることによって行われる。ホルダーセット部に固定した後、発光プローブ１９の導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃを試料２２の表面２２ａの近傍に配置する。
【００４８】
試料２２はピエゾ素子からなる走査駆動部２８によりＸＹＺ方向に駆動される。３０は半導体レーザー装置、３２は反射ミラー、３３は上検出器３３ａと下検出器３３ｂからなる二分割光検出器、３４はＸＹＺ走査回路、３５はＡＦＭ表示装置、３６はＺ軸検出回路である。
【００４９】
まず、導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃを試料２２の表面２２ａに、所定の斥力位置になるまで、接近させる。その後、Ｚ位置を固定した状態まま、走査回路３４で走査駆動部２８をＸＹ走査する。このとき、制御回路Ｃにより受発光体１５により受光・発光させ導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃの所要位置をピンポイント的に光照射したり、試料からの放射光を受光できる。光照射による原子面の変動は先端１０ｃで検出される。
【００５０】
先端１０ｃを走査すると、表面原子の凹凸でカンチレバー２が撓み、反射したレーザービームＬＢが二分割光検出器３３に位置変位して入射する。上下の検出器３３ａ、３３ｂの光検出量の差からＺ軸方向の変位量をＺ軸検出回路３６で算出し、この変位量を原子の凹凸量としてＡＦＭ表示装置３５に表面原子像を表示する。この表面原子像により光照射の影響を知ることができる。
【００５１】
上述したＡＦＭ装置は光てこ方式で試料表面の凹凸を検出するが、圧電体方式を利用することもできる。圧電体をカンチレバーに固定し、カンチレバーの撓みにより圧電体を伸縮させ、圧電体の発生電圧により試料表面の凹凸を表示する。
【００５２】
図６は本発明に係る発光プローブ装置の第２実施形態の構成図である。この例では、ＡＦＭ用カンチレバーを使用せず、ＳＴＭ用ホルダーを使用している。ここでＳＴＭは走査型トンネル顕微鏡を意味する。このホルダー８は絶縁性の平板状のホルダーで、これに導電性ナノチューブ探針１０を融着及びコーティング膜により固着して構成されている。
【００５３】
導電性ナノチューブ探針１０とホルダー８との具体的構成は図１又は図２と全く同様であるため、詳細は図示していない。しかし、その構成を説明しておくと、導電性ナノチューブ探針１０の外周面に受発光体が堆積され、この受発光体に導電性ナノチューブリード線の一端が固定される。この導電性ナノチューブリード線の他端と導電性ナノチューブ探針１０の基端部１０ｂには２本の電極膜を介して電圧印加用の制御回路Ｃが接続される。この制御回路Ｃにより前記受発光体を受光・発光させ、導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃ近傍を光制御を行う。
【００５４】
このホルダー８をホルダーセット部２５の切り溝２５ａに嵌合してバネ圧で着脱自在に固定する。Ｘピエゾ２８ｘ、Ｙピエゾ２８ｙ、Ｚピエゾ２８ｚからなる走査駆動部２８は、ホルダーセット部２５をＸＹＺの３次元方向に伸縮操作して発光プローブ１９の試料２２に対する走査を実現する。３８はトンネル電流検出回路、３９はＺ軸制御回路、４０はＳＴＭ表示装置、４１はＸＹ走査回路である。
【００５５】
まず、Ｚ軸制御回路３９で導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃを試料２２の表面２２ａに所定距離まで接近させる。その後、ＸＹ走査回路４１により先端１０ｃを走査しながら、試料２２の表面状態を検出する。
【００５６】
検出の具体的手順は次の通りである。まず、各ＸＹ位置でトンネル電流が一定になるようにＺ軸制御回路３９で先端１０ｃをＺ方向に伸縮制御し、この移動量がＺ軸方向の凹凸量になる。受発光プローブ１９をＸＹ走査するに従いＳＴＭ表示装置４０に表面原子像が表示される。発光体１５の発光と表面原子像との相互関係は、研究目的によって種々様々であり、その目的に応じて自在に受光・発光制御すればよい。受発光プローブ１９を交換する場合には、ホルダー８をホルダーセット部２５から取り外し、受発光プローブ１９の全体を一体で交換する。
【００５７】
図４に示す第３実施形態の受発光プローブを使用して受発光プローブ装置を構成できる。構成方法は図５の装置と同様であるから、その詳細を省略する。
【００５８】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、導電性ナノチューブ探針の周面に受発光体を形成し、この受発光体を通電受発光させるから、試料表面をナノオーダーでピンポイント的に光照射したり、試料からの放射光を受光できる。しかも導電性ナノチューブ探針の先端で試料表面をＡＦＭなどで走査できるから、受発光と試料表面の物理化学的応答との相互関係を明確にでき、ナノ科学に有力な手段を提供できる。
【００６０】
請求項２の発明によれば、ＡＦＭ用のカンチレバーを利用し、その突出部に導電性ナノチューブ探針を配置し、この導電性ナノチューブ探針の周面に受発光体を構成したから、受発光プローブを比較的簡単に構成でき、しかも受発光プローブを走査するのに従来のＡＦＭ装置をそのまま適用することができる利点がある。
【００６１】
請求項３の発明によれば、請求項２の上記効果と同様の効果があり、同時に受発光体の両端に導電性ナノチューブリード線を介して電圧を印加するように構成したから、カンチレバー部の電極膜の形態に拘わらず、受発光体の両端と電極膜の間を自在に導通接続することが可能になる。
【００６２】
請求項４の発明によれば、ＡＦＭ用カンチレバーをそのまま利用し、その突出部の先端近傍に受発光体を形成したから、既存のカンチレバーを用いて従来存しなかった極小領域を受光・発光できる受発光プローブを提供できる。導電性ナノチューブ探針に周面形成した受発光体と比較して受発光領域がやや広くなるが、相互に補完し合って極小領域の多様な光制御が可能になる。
【００６３】
請求項５の発明によれば、前記受発光プローブに走査機構と発光制御回路を設けることによって、受発光プローブを自在に走行制御しながら、任意のタイミングで同時に受光・発光操作ができ、ナノ科学の進展に多大な寄与をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る受発光プローブの第１実施形態の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る受発光プローブの第２実施形態の概略斜視図である。
【図３】導電性ナノチューブ探針に受発光体を溶液形成する工程図。
【図４】本発明に係る受発光プローブの第３実施形態の概略斜視図である。
【図５】本発明に係る受発光プローブ装置の第１実施形態の構成図である。
【図６】本発明に係る受発光プローブ装置の第２実施形態の構成図である。
【符号の説明】
２・・・・カンチレバー
４・・・・カンチレバー部
５・・・・電極膜
５ａ・・・接点
５ｂ・・・接合電極膜
６・・・・電極膜
６ａ・・・接点
６ｂ・・・接合電極膜
８・・・・ホルダー
８ａ・・・先端
１０・・・導電性ナノチューブ探針
１０ａ・・先端部
１０ｂ・・基端部
１０ｃ・・先端
１２・・・導電性ナノチューブリード線
１３ａ・・融着部
１３ｂ・・融着部
１４ａ・・コーティング膜
１４ｂ・・コーティング膜
１５・・・受発光体
１５ａ・・Ｎ型半導体層
１５ｂ・・Ｐ型半導体層
１６・・・導電性ナノチューブリード線
１６ａ・・リード線端部
１６ｂ・・リード線端部
１７・・・融着部
１８・・・コーティング膜
１９・・・受発光プローブ
２０・・・電源
２１・・・スイッチ
２２・・・試料
２２ａ・・表面
２３・・・放射光
２５・・・ホルダーセット部
２５ａ・・切り溝
２６・・・受発光プローブ装置
２８・・・走査駆動部
２８ｘ・・Ｘピエゾ
２８ｙ・・Ｙピエゾ
２８ｚ・・Ｚピエゾ
３０・・・半導体レーザー装置
３２・・・反射ミラー
３３・・・二分割光検出器
３３ａ・・上検出器
３３ｂ・・下検出器
３４・・・ＸＹＺ走査回路
３５・・・ＡＦＭ表示装置
３６・・・Ｚ軸検出回路
３８・・・トンネル電流検出回路
３９・・・Ｚ軸制御回路
４０・・・ＳＴＭ表示装置
４１・・・ＸＹ走査回路
Ａ・・・・正孔輸送材溶液
Ｂ・・・・電子輸送材溶液
Ｃ・・・・制御回路
ＳＤ・・・走査機構
【発明の属する技術分野】
本発明は試料表面の極小領域を点灯したり極小領域からの光を受光する受発光プローブに関し、更に詳細には、ホルダーに固定した導電性ナノチューブ探針の側面に受発光体を形成したり、またＡＦＭ用カンチレバーの突出部側面に受発光体を形成して、この受発光体により光を受光・発光できる受発光プローブ及び受発光プローブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、発光材料の開発は急速に進められており、光と電子を応用するオプトエレクトロニクスで総称される新技術分野が生まれている。その中で、発光ダイオード、レーザーダイオード、プラズマ、蛍光、液晶、エレクトロルミネッセンス、光ＩＣなど様々な技術展開が行われている。
【０００３】
しかし、これらの光技術は主として肉眼または光学顕微鏡レベルの視野のサイズ領域を対象としたもので、近年急速に発展しているナノ領域を対象としたものではない。光ファイバーを利用して微小領域を点灯する技術は開発されているが、光ファイバーをナノサイズにまで極小化できないため、ナノ領域の点灯・消灯を自在に制御することは不可能であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などが開発されており、試料表面を原子レベルで撮影したり、試料表面上で原子を移動制御する技術が進展している。この技術展開に連動して、ナノサイズの領域を効率よくピンポイント的に点灯・消灯する光技術が要望されている。
【０００５】
最近になって、光ファイバーの中にエバネッセント波を伝播させる光ファイバー技術が提案された。この光ファイバー技術は光ファイバーの先端から浸み出た光を利用して極小領域を点灯させるものであるが、先端の開口部の製作やファイバーのハンドリングなど問題が多い。また、エバネッセント波は光強度が指数関数的に減衰するため光の利用効率がよくない。つまり、要望の大きさに反比例して、有効に利用できるナノ領域の発光技術は今まで無かったと云える。
【０００６】
従って、本発明に係る受発光プローブ及び受発光プローブ装置は、物質表面のナノ領域をピンポイント的に点灯・消灯することを可能にし、有効に利用できるナノ領域の照明技術を提供することを目的とする。同時に、試料表面の極小領域から放射される光を受光できるナノ領域の受光技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ホルダーに基端部を固定して先端部が突設された導電性ナノチューブ探針と、この導電性ナノチューブ探針の周面に形成された受発光体と、この受発光体に固定された導電性ナノチューブリード線と、この導電性ナノチューブリード線と前記導電性ナノチューブ探針の両端に電圧を印加する手段から構成され、前記受発光体により受光・発光させることを特徴とする受発光プローブである。
【０００８】
請求項２の発明は、カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、この突出部を前記ホルダーとして用い、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記導電性ナノチューブリード線の一端を一つの電極膜に接続し、導電性ナノチューブ探針を他の電極膜に接続し、両電極膜間に電圧を印加するように構成された請求項１に記載の受発光プローブである。
【０００９】
請求項３の発明は、カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、この突出部を前記ホルダーとして用い、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記ナノチューブリード線の一端を一つの電極膜に接合し、導電性ナノチューブ探針と他の電極膜の間を別の導電性ナノチューブリード線で連結し、両電極膜間に電圧を印加するように構成された請求項１に記載の受発光プローブである。
【００１０】
請求項４の発明は、カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記突出部の先端近傍に受発光体を形成し、この受発光体の両端と前記２本の電極膜とを電気的に導通させ、両電極膜間の通電により受発光体を受光・発光させることを特徴とする受発光プローブである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１、２、３又は４に記載の受発光プローブと、この受発光プローブを試料に対し走査する走査機構と、前記受発光プローブの受発光体により受光・発光させる制御回路からなることを特徴とする受発光プローブ装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る受発光プローブ及び受発光プローブ装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明に係る受発光プローブの第１実施形態の概略斜視図である。この受発光プローブ１９は、ＡＦＭ用カンチレバー２を加工して構成されている。カンチレバー２はカンチレバー部４と、その先端に突設されたホルダー８（突出部又はピラミッド部とも称する）から構成されている。
【００１４】
カンチレバー部４の両側面には電極膜５、６が設けられ、これらは導電性物質をコーティングして形成されている。電極膜５、６の後端部には接点５ａ、６ａを通して制御回路Ｃが接続されている。この制御回路Ｃは電圧供給用の電源２０（又は電流供給用）とスイッチ２１から構成されている。この実施形態では、後述する受発光体との関係で前記電源２０として交流電源が使用されている。
【００１５】
前記ホルダー８には導電性ナノチューブ探針１０が配置されている。この導電性ナノチューブ探針１０は導電性ナノチューブの基端部１０ｂをホルダー８に固定し、先端部１０ａを下方に突出させ、先端１０ｃを試料２２の表面２２ａに近接配置して構成されている。
【００１６】
導電性ナノチューブ探針１０の基端部１０ｂはホルダー８に電子ビーム照射により熱融着されている。電流を通電して融着させても良い。このような熱融着固定に代えてコーティング膜固定を行ってもよい。この基端部１０ｂと電極膜５の間には導電性ナノチューブリード線１２を介装し、その両端は融着部１３ａ、１３ｂにおいて同様に熱融着により固定されている。この融着もコーティング膜で代えることができる。更に、融着部１３ａ、１３ｂの上からコーティング膜１４ａ、１４ｂが被膜形成されている。従って、導電性ナノチューブ探針１０と導電性ナノチューブリード線１２がホルダー８と電極膜５に強固に固着される。
【００１７】
導電性ナノチューブ探針１０の周面の要所には通電による受発光体１５が堆積形成されている。この受発光体１５は通電により発光したり、逆に光を受光できる素子である。この受発光体１５と電極膜６の間には導電性ナノチューブリード線１６が介装されている。リード線端部１６ａ、１６ｂは受発光体１５と電極膜６にそれぞれ熱融着して接合されている。この熱融着もコーティング膜で代替できる。このようなコーティング膜は物理吸着された表面にＰＶＤ法やＣＶＤ法により形成できる。
【００１８】
リード線端部１６ｂの融着部１７は更にコーティング膜１８により電極膜６に強固に固着されている。リード線端部１６ａには導電性ナノチューブ探針１０と一体に外周全体を取り巻く被膜を形成することによって強固な固着を実現できる。但し、この外周被膜は図示されていない。
【００１９】
ナノチューブは導電性ナノチューブと絶縁性ナノチューブに分けられる。導電性ナノチューブにはカーボンナノチューブのような通電性のナノチューブが含まれ、絶縁性ナノチューブにはＢＣＮ系ナノチューブやＢＮ系ナノチューブ等の非通電性のナノチューブが含まれる。ＰＶＤ法やＣＶＤ法など公知の方法により絶縁性ナノチューブの表面に導電性被膜を形成すると導電性を付与できるから、このようなナノチューブも導電性ナノチューブに属することになる。
【００２０】
本発明で用いられるナノチューブ探針やナノチューブリード線は電圧を印加して電流通電を行うから、導電性を有する必要がある。従って、それらを導電性ナノチューブ探針及び導電性ナノチューブリード線と称している。
【００２１】
コーティング膜を形成するには、所要場所に電子ビームを照射し、電子顕微鏡装置内に不純物として存在する有機物を分解してカーボンを前記所要場所に堆積させればよい。勿論、前記所要場所に堆積した有機物に照射しても、カーボン以外が放散され残りのカーボンが残留して被膜を形成する。他に、有機性ガスを装置内に導入して分解させてもよい。電子ビームに代えてイオンビームでも同様の処理が可能である。
【００２２】
本実施形態に利用される受発光体の材料としてはエレクトロルミネッセンス材料が用いられる。この材料には無機材料と有機材料があり、無機材料の代表例はＺｎＳで、活性剤を添加して発光色を変化させることができる。有機材料には、アントラセン等の共役ポリマーがある。
【００２３】
前記無機材料に添加される活性剤とその発光色を例示すると、Ｍｎなら黄橙色、ＳｍＦ３なら赤色、Ｌａ２Ｏ２Ｓ（Ｔｂ）なら白色、ＣａＳｉＥｕなら赤色、ＴｂＦ３なら緑色、ＣｕとＩなら青色、ＣｕとＡｌなら緑色である。電圧印加により、加速された電子が衝突して活性剤準位から電子が伝導体に励起され、材料中を移動して他のイオン化した活性剤準位と再結合して発光する。逆に、光を受光して電子ー正孔を形成し、電流が流れて受光を検出する。従って、受発光体は受光素子として機能すると同時に発光素子としても機能し、この発明の受発光体は受光体機能を有する場合と、発光体機能を有する場合の両者を意味する用語である。従って、受発光プローブも受光プローブとして利用される場合と発光プローブとして利用される場合の両方を含んでいる。
【００２４】
第１実施形態では電源２０として交流電源を使用して電気発光させている。動作周波数が変化すると発光色が変化する材料もある。また、ＺｎＳなどのエレクトロルミネッセンス材料を薄膜形成した場合には直流電源でも発光する。
【００２５】
受発光体１５を導電性ナノチューブ探針１０に形成するには、ＰＶＤ法（物理的蒸着法）やＣＶＤ法（化学的蒸着法）が使用できる。不要部に付着した受発光体材料は電子ビーム照射やイオンビーム照射により除去できる。
【００２６】
導電性ナノチューブの典型例はカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブの断面直径は約１ｎｍ〜数十ｎｍにまで分布し、軸長はｎｍオーダーからμｍオーダーにまで分布し、アスペクト比（軸長／直径）は極めて大きい。本発明に直接関連するのは断面直径であり、ナノチューブの構造から発現する最小理論値は約１ｎｍである。図１に示される導電性ナノチューブ探針１０の断面直径は約１ｎｍである。
【００２７】
次に、上記構成の作用について説明する。スイッチ２１をオンして電源２０により受発光体１５に交流電圧を印加する。電圧の印加により受発光体１５は励起発光し、導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃの付近を矢印２３のようにピンポイント的に光照射する。
【００２８】
この受発光プローブ１９は発光プローブであると同時に、走査型顕微鏡用プローブでもある。導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃは試料２２の表面２２ａをＡＦＭ走査してその表面像を撮像できる。この撮像中、走査される試料表面２２ａを受発光体１５の発光によりピンポイント的に一時的に光照射すると、光照射による表面原子の移動などが検出できる。また、この受発光体１５は特定原子集団からの放射された光をピンポイント的に受光して試料の発光現象を検出することもできる。
【００２９】
つまり、この受発光プローブ１９は単にナノ領域をピンポイント的に光照射したりナノ領域からの受光をする装置であるだけでなく、光照射により生じる現象、例えば光電気効果、光磁気効果、光力学効果などをそのＡＦＭ機能によって検出する装置でもある。光照射により表面原子に動きがあれば、その動きをＡＦＭ機能によって捉えることができる。
【００３０】
図２は本発明に係る受発光プローブの第２実施形態の概略斜視図である。第１実施形態と同一部分には同一符号を打ってその作用効果の説明を省略する。第１実施形態と異なる部分は、接合電極膜５ｂ、６ｂとＰＮ接合方式による受発光体１５の存在である。
【００３１】
第１の点は、導電性ナノチューブリード線１２に代えて接合電極膜５ｂ、６ｂをホルダー８に形成したことである。この接合電極膜５ｂ、６ｂは電極膜５、６と電気的に導通している。従って、導電性ナノチューブ探針１０の基端部１０ｂを融着部１３ａ及び／又はコーティング被膜１４ａで固定するだけで、導電性ナノチューブ探針１０への電圧印加が可能になる。これと同様に、リード線端子１６ｂを接合電極膜６ｂに融着部１７及び／又はコーティング膜１８で固定する。
【００３２】
つまり、第１実施形態において必要とされた導電性ナノチューブリード線１２と融着部１３ｂ及びコーティング膜１４ｂが不要となり、これらの処理工程が割愛できる特徴を有している。接合電極膜５ｂの形成は電極膜５、６の形成工程と同時にできるので、工程数及び製造コストの低下を実現できる。
【００３３】
第２の点は、高電場励起のエレクトロルミネッセンス方式に代えて、受発光体１５としてＮ型半導体層１５ａとＰ型半導体層１５ｂのＰＮ接合方式を採っていることである。Ｎ型半導体層１５ａは電子輸送材層、Ｐ型半導体層１５ｂは正孔輸送材層といってもよく、一般の半導体と比べて層の厚さは極めて薄く、導電性ナノチューブ探針１０の周面に形成するため最小厚は数分子層である。この電子輸送材層１５ａ及び正孔輸送材層１５ｂは自己組織化膜を形成しながら１分子層ずつ堆積形成されてゆく。
【００３４】
これらの半導体材料には無機材料と有機材料がある。無機材料にはＳｉ系、ＧａＡｓ系、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系、ＩｎＰ系、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ系、ＧａＰ系、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ系などがあり、これにＰ型不純物を添加してＰ型半導体とし、またＮ型不純物を添加してＮ型半導体とする。
【００３５】
有機半導体には正孔輸送材（Ｐ型半導体）と電子輸送材（Ｎ型半導体）があり、論文「Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ」（Ｔｅｔｓｕｏ Ｔｓｕｔｓｕｉ，ＭＲＳ ＢＵＬＬＥＴＩＮ／ＪＵＮＥ １９９７，ｐｐ３９−４５）に多数掲載されている。この論文には、略称名が分子構造を図示して記載され、正孔輸送材としてはＴＰＤ、α−ＮＰＤ、ｍＴＡＤＡＴＡ、ＨＴＭ−１、ＴＰＴＥなどの有機物質があり、電子輸送材としてはｔ−Ｂｕ−ＰＢＤ、ＢＮＤ、ＯＸＤ−７、ＯＸＤ−Ｓｔａｒ、ＴＡＺ、Ａｌｑ、Ｂｅｂｑ、ＢＡｌｑｌ、ＺｎＰＢＯ、ＺｎＰＢＴ、ＤＴＶＢｉ、ＤＣＭ、ＱＡ、Ｒｕｂｒｅｎｅ、Ｐｅｒｙｌｅｎｅ等の有機物質がある。
【００３６】
Ｎ型半導体層１５ａとＰ型半導体層１５ｂを接合してＰＮ接合を形成し、順方向に電流を流して電子と正孔を注入すると、電子と正孔の再結合によりＰＮ接合部から発光する。図２では電源２０は順方向に電圧を印加しており、接合部から放射光２３が試料表面２２ａに照射される。逆に、試料表面から放射される光をＰＮ接合部で受光し、電子ー正孔の形成により光を検出できる。
【００３７】
導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃには受発光体１５は形成されていないから、先端１０ｃにより試料表面２２ａをＡＦＭ走査できる。試料表面２２ａをピンポイント的に光照射しながら、表面原子の動きを検出することができる。先端１０ｃに磁気感受性物質を固着させておけば、光照射により誘起される試料表面２２ａの磁８効果を検出することもできる。
【００３８】
図３は導電性ナノチューブ探針に受発光体を溶液形成する工程図である。この工程図では、発光体１５としてＰＮ接合方式の場合を説明する。（１）では、正孔輸送材Ａを分散溶解させた溶液の中に導電性ナノチューブ探針１０の先端部１０ａを浸演させる。その結果、（２）では先端部１０ａに正孔輸送材Ａが層状に付着してＰ型半導体層１５ｂが形成される。
【００３９】
（３）では、電子輸送材Ｂを分散溶解させた溶液の中に、前記導電性ナノチューブ探針１０の先端部１０ａを浸漬させる。その結果、（４）では先端部１０ａのＰ型半導体層１５ｂの上に、更に電子輸送材Ｂが層状に付着してＮ型半導体層１５ａが形成される。Ｐ型半導体層１５ｂとＮ型半導体層１５ａの２層形成によってＰＮ接合が形成される。先端１０ｃの近傍だけ受発光体１５を除去する必要がある場合には、先端近傍をイオンビーム照射すればよい
【００４０】
Ｐ型半導体層１５ｂとＮ型半導体層１５ａから発光体１５が構成される。このＮ型半導体層１５ａの上に導電性ナノチューブリード線１６のリード線端部１６ａが接合される。この接合は電子顕微鏡などの拡大装置内でビーム融着によって行われる。
【００４１】
図３では、Ｐ型半導体層１５ｂの上にＮ型半導体層１５ａを形成したが、Ｎ型半導体層１５ａの上にＰ型半導体層１５ｂを形成してもよい。電圧の順方向印加又は逆方向印加は電源２０の極性調節によって自在に行われる。また、エレクトロルミネッセンス材料を形成する場合にも、この溶液形成法を利用できることは云うまでもない。
【００４２】
溶液形成法に代えて、真空装置内でＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて、ＰＮ接合方式やエレクトロルミネッセンス方式の発光体の層形成を行うこともできる。層形成過程を撮像しながら行うためには、電子顕微鏡装置や集束イオンビーム装置などを利用することもできる。
【００４３】
図４は本発明に係る受発光プローブの第３実施形態の概略斜視図である。本実施形態では導電性ナノチューブ探針は使用せず、ＡＦＭ用のカンチレバー２をそのまま使用して受発光プローブ１９を形成する。電極膜５、６を形成したカンチレバー部の構成は第１実施形態と同様であるからその説明を省略する。
【００４４】
本実施形態の特徴は、カンチレバー２の探針となる突出部、即ちホルダー８に２本の接合電極膜５ａ、５ｂを形成し、これらの接合電極膜５ａ、５ｂに両端を接続されるように受発光体１５を形成していることである。接合電極膜５ａ、５ｂは前記電極膜５、６に電気的に導通している。
【００４５】
この実施形態では、探針点となるホルダー８の先端８ａを残すように受発光体１５を形成している。従って、この受発光プローブ１９を用いれば、受発光体１５により受光・発光しながら、試料表面２２ａをホルダー先端８ａでＡＦＭ走査することができる。ホルダー先端８ａは導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃほどの分解能は有しないが、ＡＦＭ用のカンチレバー２を使用しているため、ＡＦＭ機能としては十分である。
【００４６】
受発光体１５としては、エレクトロルミネッセンス受発光体やＰＮ接合受発光体などが利用できる。エレクトロルミネッセンス受発光体では図４に示した電極膜構造で電圧を印加できる。ＰＮ接合受発光体では、２層をＰＮ接合させるから、上下の層に電圧を印加する必要がある。従って、接合電極膜５ａ、５ｂの一つを残し、もう一つの接合電極膜は受発光体の上層に形成すればよい。また上層については、導電性ナノチューブリード線で上層と電極膜の間を導通させても良い。
【００４７】
図５は本発明に係る受発光プローブ装置の第１実施形態の構成図である。この受発光プローブ装置は受発光プローブ１９とその走査機構ＳＤから構成される。この実施形態で使用される受発光プローブ１９は導電性ナノチューブ探針１０を使用した図１又は図２に示される受発光プローブである。この受発光プローブ１９は図示しないホルダーセット部に着脱自在に固定される。その交換は受発光プローブ１９を取り替えることによって行われる。ホルダーセット部に固定した後、発光プローブ１９の導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃを試料２２の表面２２ａの近傍に配置する。
【００４８】
試料２２はピエゾ素子からなる走査駆動部２８によりＸＹＺ方向に駆動される。３０は半導体レーザー装置、３２は反射ミラー、３３は上検出器３３ａと下検出器３３ｂからなる二分割光検出器、３４はＸＹＺ走査回路、３５はＡＦＭ表示装置、３６はＺ軸検出回路である。
【００４９】
まず、導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃを試料２２の表面２２ａに、所定の斥力位置になるまで、接近させる。その後、Ｚ位置を固定した状態まま、走査回路３４で走査駆動部２８をＸＹ走査する。このとき、制御回路Ｃにより受発光体１５により受光・発光させ導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃの所要位置をピンポイント的に光照射したり、試料からの放射光を受光できる。光照射による原子面の変動は先端１０ｃで検出される。
【００５０】
先端１０ｃを走査すると、表面原子の凹凸でカンチレバー２が撓み、反射したレーザービームＬＢが二分割光検出器３３に位置変位して入射する。上下の検出器３３ａ、３３ｂの光検出量の差からＺ軸方向の変位量をＺ軸検出回路３６で算出し、この変位量を原子の凹凸量としてＡＦＭ表示装置３５に表面原子像を表示する。この表面原子像により光照射の影響を知ることができる。
【００５１】
上述したＡＦＭ装置は光てこ方式で試料表面の凹凸を検出するが、圧電体方式を利用することもできる。圧電体をカンチレバーに固定し、カンチレバーの撓みにより圧電体を伸縮させ、圧電体の発生電圧により試料表面の凹凸を表示する。
【００５２】
図６は本発明に係る発光プローブ装置の第２実施形態の構成図である。この例では、ＡＦＭ用カンチレバーを使用せず、ＳＴＭ用ホルダーを使用している。ここでＳＴＭは走査型トンネル顕微鏡を意味する。このホルダー８は絶縁性の平板状のホルダーで、これに導電性ナノチューブ探針１０を融着及びコーティング膜により固着して構成されている。
【００５３】
導電性ナノチューブ探針１０とホルダー８との具体的構成は図１又は図２と全く同様であるため、詳細は図示していない。しかし、その構成を説明しておくと、導電性ナノチューブ探針１０の外周面に受発光体が堆積され、この受発光体に導電性ナノチューブリード線の一端が固定される。この導電性ナノチューブリード線の他端と導電性ナノチューブ探針１０の基端部１０ｂには２本の電極膜を介して電圧印加用の制御回路Ｃが接続される。この制御回路Ｃにより前記受発光体を受光・発光させ、導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃ近傍を光制御を行う。
【００５４】
このホルダー８をホルダーセット部２５の切り溝２５ａに嵌合してバネ圧で着脱自在に固定する。Ｘピエゾ２８ｘ、Ｙピエゾ２８ｙ、Ｚピエゾ２８ｚからなる走査駆動部２８は、ホルダーセット部２５をＸＹＺの３次元方向に伸縮操作して発光プローブ１９の試料２２に対する走査を実現する。３８はトンネル電流検出回路、３９はＺ軸制御回路、４０はＳＴＭ表示装置、４１はＸＹ走査回路である。
【００５５】
まず、Ｚ軸制御回路３９で導電性ナノチューブ探針１０の先端１０ｃを試料２２の表面２２ａに所定距離まで接近させる。その後、ＸＹ走査回路４１により先端１０ｃを走査しながら、試料２２の表面状態を検出する。
【００５６】
検出の具体的手順は次の通りである。まず、各ＸＹ位置でトンネル電流が一定になるようにＺ軸制御回路３９で先端１０ｃをＺ方向に伸縮制御し、この移動量がＺ軸方向の凹凸量になる。受発光プローブ１９をＸＹ走査するに従いＳＴＭ表示装置４０に表面原子像が表示される。発光体１５の発光と表面原子像との相互関係は、研究目的によって種々様々であり、その目的に応じて自在に受光・発光制御すればよい。受発光プローブ１９を交換する場合には、ホルダー８をホルダーセット部２５から取り外し、受発光プローブ１９の全体を一体で交換する。
【００５７】
図４に示す第３実施形態の受発光プローブを使用して受発光プローブ装置を構成できる。構成方法は図５の装置と同様であるから、その詳細を省略する。
【００５８】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、導電性ナノチューブ探針の周面に受発光体を形成し、この受発光体を通電受発光させるから、試料表面をナノオーダーでピンポイント的に光照射したり、試料からの放射光を受光できる。しかも導電性ナノチューブ探針の先端で試料表面をＡＦＭなどで走査できるから、受発光と試料表面の物理化学的応答との相互関係を明確にでき、ナノ科学に有力な手段を提供できる。
【００６０】
請求項２の発明によれば、ＡＦＭ用のカンチレバーを利用し、その突出部に導電性ナノチューブ探針を配置し、この導電性ナノチューブ探針の周面に受発光体を構成したから、受発光プローブを比較的簡単に構成でき、しかも受発光プローブを走査するのに従来のＡＦＭ装置をそのまま適用することができる利点がある。
【００６１】
請求項３の発明によれば、請求項２の上記効果と同様の効果があり、同時に受発光体の両端に導電性ナノチューブリード線を介して電圧を印加するように構成したから、カンチレバー部の電極膜の形態に拘わらず、受発光体の両端と電極膜の間を自在に導通接続することが可能になる。
【００６２】
請求項４の発明によれば、ＡＦＭ用カンチレバーをそのまま利用し、その突出部の先端近傍に受発光体を形成したから、既存のカンチレバーを用いて従来存しなかった極小領域を受光・発光できる受発光プローブを提供できる。導電性ナノチューブ探針に周面形成した受発光体と比較して受発光領域がやや広くなるが、相互に補完し合って極小領域の多様な光制御が可能になる。
【００６３】
請求項５の発明によれば、前記受発光プローブに走査機構と発光制御回路を設けることによって、受発光プローブを自在に走行制御しながら、任意のタイミングで同時に受光・発光操作ができ、ナノ科学の進展に多大な寄与をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る受発光プローブの第１実施形態の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る受発光プローブの第２実施形態の概略斜視図である。
【図３】導電性ナノチューブ探針に受発光体を溶液形成する工程図。
【図４】本発明に係る受発光プローブの第３実施形態の概略斜視図である。
【図５】本発明に係る受発光プローブ装置の第１実施形態の構成図である。
【図６】本発明に係る受発光プローブ装置の第２実施形態の構成図である。
【符号の説明】
２・・・・カンチレバー
４・・・・カンチレバー部
５・・・・電極膜
５ａ・・・接点
５ｂ・・・接合電極膜
６・・・・電極膜
６ａ・・・接点
６ｂ・・・接合電極膜
８・・・・ホルダー
８ａ・・・先端
１０・・・導電性ナノチューブ探針
１０ａ・・先端部
１０ｂ・・基端部
１０ｃ・・先端
１２・・・導電性ナノチューブリード線
１３ａ・・融着部
１３ｂ・・融着部
１４ａ・・コーティング膜
１４ｂ・・コーティング膜
１５・・・受発光体
１５ａ・・Ｎ型半導体層
１５ｂ・・Ｐ型半導体層
１６・・・導電性ナノチューブリード線
１６ａ・・リード線端部
１６ｂ・・リード線端部
１７・・・融着部
１８・・・コーティング膜
１９・・・受発光プローブ
２０・・・電源
２１・・・スイッチ
２２・・・試料
２２ａ・・表面
２３・・・放射光
２５・・・ホルダーセット部
２５ａ・・切り溝
２６・・・受発光プローブ装置
２８・・・走査駆動部
２８ｘ・・Ｘピエゾ
２８ｙ・・Ｙピエゾ
２８ｚ・・Ｚピエゾ
３０・・・半導体レーザー装置
３２・・・反射ミラー
３３・・・二分割光検出器
３３ａ・・上検出器
３３ｂ・・下検出器
３４・・・ＸＹＺ走査回路
３５・・・ＡＦＭ表示装置
３６・・・Ｚ軸検出回路
３８・・・トンネル電流検出回路
３９・・・Ｚ軸制御回路
４０・・・ＳＴＭ表示装置
４１・・・ＸＹ走査回路
Ａ・・・・正孔輸送材溶液
Ｂ・・・・電子輸送材溶液
Ｃ・・・・制御回路
ＳＤ・・・走査機構
Claims (5)
- ホルダーに基端部を固定して先端部が突設された導電性ナノチューブ探針と、この導電性ナノチューブ探針の周面に形成された受発光体と、この受発光体に固定された導電性ナノチューブリード線と、この導電性ナノチューブリード線と前記導電性ナノチューブ探針の両端に通電する手段から構成され、前記受発光体により受光・発光させることを特徴とする受発光プローブ。
- カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、この突出部を前記ホルダーとして用い、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記導電性ナノチューブリード線の一端を一つの電極膜に接続し、導電性ナノチューブ探針を他の電極膜に接続し、両電極膜間に通電するように構成された請求項１に記載の受発光プローブ。
- カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、この突出部を前記ホルダーとして用い、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記ナノチューブリード線の一端を一つの電極膜に接合し、導電性ナノチューブ探針と他の電極膜の間を別の導電性ナノチューブリード線で連結し、両電極膜間に通電するように構成された請求項１に記載の受発光プローブ。
- カンチレバー部に突出部を形成したＡＦＭ用カンチレバーを利用し、カンチレバー部に２本の電極膜を形成し、前記突出部側面の先端近傍に受発光体を形成し、この受発光体の両端と前記２本の電極膜とを電気的に導通させ、両電極膜間に通電して受発光体により受光・発光させることを特徴とする受発光プローブ。
- 請求項１、２、３又は４に記載の受発光プローブと、この受発光プローブを試料に対し走査する走査機構と、前記受発光プローブの受発光体により受光・発光させる制御回路からなることを特徴とする受発光プローブ装置。
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