JP4021097B2 - Scanning near-field microscope - Google Patents

Scanning near-field microscope Download PDF

Info

Publication number
JP4021097B2
JP4021097B2 JP07985199A JP7985199A JP4021097B2 JP 4021097 B2 JP4021097 B2 JP 4021097B2 JP 07985199 A JP07985199 A JP 07985199A JP 7985199 A JP7985199 A JP 7985199A JP 4021097 B2 JP4021097 B2 JP 4021097B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resonator
field microscope
scanning near
medium
microscope according
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
Application number
JP07985199A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2000275161A (en
JP2000275161A5 (en
Inventor
典孝 山本
宏 村松
明 江川
克則 本間
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Instruments Inc filed Critical Seiko Instruments Inc
Priority to JP07985199A priority Critical patent/JP4021097B2/en
Publication of JP2000275161A publication Critical patent/JP2000275161A/en
Publication of JP2000275161A5 publication Critical patent/JP2000275161A5/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4021097B2 publication Critical patent/JP4021097B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Head (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は被測定物表面を光照射もしくは光励起することにより、固体表面のナノメートル領域における形状観察や光物性測定を行うことを目的とする走査型近接場顕微鏡に使用する光プローブとなる微小光源、微小光源と試料との間を距離制御する方法、そして走査型近接場顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラスキャピラリおよび光ファイバーを尖鋭化し、さらに周囲を金属コートして作製するアパチャータイプの光プローブが報告されており(US Patent4469554, Dennis R. Turner 、 特開平06−130302号公報(大津元一)、特開平07−174542号公報)、マイクロ加工技術の発達に伴い先端部が非常に尖ったプローブを作製することができ、従来の光学顕微鏡の分解能を上まわる光学像を得ることが走査型プローブ顕微鏡により実現できるようになった。
【0003】
プリズムなどを用い試料の背面より、全反射照明することによりエバネッセント波を発生させ、先端部が非常に尖ったプローブによって光を散乱させるタイプの走査型近接場顕微鏡が提案されている(特開平6−160719号公報(大津))。
プローブ先端に有機色素を修飾する事により波長変換するタイプのプローブが報告されている(US Patent5546223, Patent5105305 R.E.Betzig US P atent5479024 Hillner)。
【0004】
また、発光機構をプローブ内部にもった自己発光タイプの光プローブが報告されている。
また、STMとAFMとを組み合わせた装置構成の高密度メモリに関して、STM構成で探針ッ記録媒体間に電圧を印加することにより記録を行い、AFM構成で記録ビット形状を検出することにより再生を行う記録再生装置や、記録及び再生中の探針位置制御をAFMの原理を応用して行う記録再生装置や、探針を支持する弾性体の変形を利用して、記録及び再生中に探針を記録媒体表面を追従させる記録再生装置の提案もなされている(特開平1−245445号公報、特開平4−321955号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでの開口型ファイバープローブはその導波路部分を利用して外部光源からの光を試料の微小領域に導くものであった。そのためファイバーに光をカップリングする操作が必要であり、また細くて折れやすい全長1m程度のファイバーを扱う操作は非常に煩雑であった。また半導体プロセスにより作製するカンチレバー程度の導波路光プローブは外部光源からの光をカップリングする事が難しく、漏れた光が走査型近接場顕微鏡の観察に悪影響を与える。そのことに加え、プローブ自体が光のスループットが小さいために、外部光源には、ハイパワーで高価なレーザーが必要であった。また目的によって、異なる波長の光を利用したい場合、必要な波長の光を発振できるレーザー光源を別途用意しなければならなかった。レーザー光源は単色性の良い光を発振することから、広い波長範囲の光を得るためには、非線形光学効果を使った波長変換が必要であるが、ファイバー自体の透過する光の波長制限があるために、走査型近接場顕微鏡における試料の吸収測定などは行えなかった。また、プローブチップ先端に発光材料を入れ、外部光源からの光励起によって発光材料を光らせ、光源として利用する方法はUS Patent5546223, Patent5105305 R.E.Betzig US Patent5479024 Hillnerにあるが、いずれにしても外部に光源が必要であった。
【0006】
有機EL素子のような電界発光機構で微小開口点だけ発光させる方式も提案されているが、プローブとしては光量が少ないという欠点があった。
そこで、本発明は、上記の問題を解決するため、外部光源を使用しないことにより、走査型プローブ顕微鏡や記録再生装置としてシステム全体を小さくし操作性を向上させることを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の部分は、上記の課題を解決するために共振器内に閉じ込めた媒体に共振器外部から超音波を放射する事により媒体の微小点を発光させようとするものである。共振器の形状と媒体と超音波の照射パワーを選ぶことにより発光点のサイズをコントロールする事が可能である。
【0008】
これらのことにより、外部光源を必要とせず十分な光量が得られる。また発光点はスペクトル的には紫外線の領域から可視域にわたるため分光測定を行う事も可能である。また発光点は輻射光を温度に換算すると5000Kに至るため、微小領域を画像化する熱顕微鏡としての利用も可能である。また共振器内の空間に微小点発光を発生させることが出来るので、対象物には非接触で遠隔操作により対象物表面上を光源が走査する事になる。
【0009】
試料とプローブとの距離制御は、基部となる探針の部分がないため、探針の機械的な変位を検出するのではなく、微小光が試料表面で散乱される光を検出しその光量が一定になるように両者の距離にフィードバックをかける。使用する媒体を選択することにより、異なる波長の光や広い波長範囲の光を発することでき、走査型近接場顕微鏡における吸収測定なども可能となる。光強度は照射する超音波のパワーで増幅する事が可能である。遠隔走査で発光を制御できるので従来のSPMにおけるプローブとしての取り扱いは全く異なり、光学顕微鏡程度簡易に扱える走査型近接場顕微鏡となる。
【0010】
外部光源や光ファイバーに光を集光する光学系が不要となり安価な走査型近接場顕微鏡システムを提供する事が可能になった。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1にかかわる微小発光点発生装置を示す構成図である。球状または一部が球面をなした共振器1に発光を誘発する媒体2(気体もしくは液体)が満たされており、共振器の外側には中心に向かって超音波トランスデューサー3が取り付けられている。できるだけ小さな領域にエネルギーを集中させるよう、対称な形状をした共振器内の共鳴点に向かって超音波トランデューサーは複数取り付けることが好ましく、それらは空間的に対称に配置され、その個数に制限はない。
【0012】
共振器内にH2Oが満たされた場合についてさらに説明する。超音波トランデューサーから発せられた超音波は媒体中を縦波で伝わり、また音波は圧力を持っているため共振器内で圧力の高い部分と低い部分が発生する。この圧力の高低の時間的な変化がH2Oに溶けていた気体を気泡(キャビティ)となって発生させる。この気泡は音圧の周期に従って成長し、瞬間的に収縮破壊する。これはキャビテーション(空洞現象)と呼ばれる現象であり、キャビティ内は数千度、数千気圧といわれている高温高圧状態になる。このような特異な環境では普段起こらない化学反応を起こすことができ、H2Oの場合ではこの環境下で、H ラジカルとOH ラジカルに遊離する。キャビテーションが起きている状態で、更に強い超音波を照射すると気泡が収縮するときに発光4が起こる。この理由は キャビテーションで発生した熱による黒体幅射や、その熱によって遊離したOHラジカル等が超音波のエネルギーで励起され脱励起するときに起きる発光4である。
【0013】
水に溶けている溶存気体を故意に減らすとキャビテーションの気泡数も減る。音波の周波数を容器と水を含めた系の共鳴周波数に設定し、音圧を調整すると、水中に1つだけ気泡を作ることができる.超音波の音圧と気泡の浮力が釣り合い水中で1個の気泡を制御出来る。その気泡に対して徐々に音圧を上げていくとある一定以上一定以下の音圧で気泡が発光4する。温度,音圧,周波数が気泡を安定させる条件を満足したとき,気泡は音波の周期にしたがって成長・崩壊をくり返し,1周期ごとに発光する.共鳴条件は100mlのフラスコを使った場合約25kHzで、超音波トランスデューサー3に700V程度の電圧を供給することが必要である。発光時間は極めて短く,ピコセカンドのオーダーである。したがってこのようにして得られる発光4を使うと、近接場顕微鏡でイメージングを行うだけではなく、時間分解測定を行うことも可能である。
【0014】
さらにこの微小光源は発光スペクトルが紫外領域まで延びているためこれまで不可能であった近接場顕微鏡における吸収測定過渡吸収測定を行うことも可能である。発光波長については媒体・温度・音圧・周波数を変えることである程度の制御をすることが可能で、ルミノール(C8H7N3O2)溶液においても安定した発光が得られることを確認している。
【0015】
また、気泡内部は高温・高圧であるので、微小な熱源と考えると近接場熱顕微鏡として利用することや記録・再生装置として利用することが可能である。
[実施の形態2]
図2は本発明の実施の形態2にかかわる走査型近接場顕微鏡としての構成例を示す模式図である。音響共振器としては100ml程度のフラスコや円筒形の形状をしたビーカーでかまわないが、近接場顕微鏡として利用するために試料の出し入れ口とピエゾ素子を音響共振器内1に組込む口が必要となる。ただし媒体として溶液を使用することがあるので組込む口は密閉構造となっている。図では2つの超音波トランデューサーを取り付けた例を示している。
【0016】
次に微小光源7と試料8間の距離の制御に関して説明をする。通常の走査型近接場顕微鏡では針状のプローブを用いその先端にから出る光と試料との相対的な距離を制御するために針状部分の機械的な振動やたわみを何らかの方法で検出して行っている。本発明の微小光源4は空間に光源が浮かんでいるので、それを支えている針状部に相当するものはない。微小光源4は共鳴周波数で駆動され共振器1の共鳴条件を満足したときに得られるため試料が微小光源と完全に接触してしまったり共鳴条件を乱してしまった場合には光量が小さくなる、もしくは発光が消滅する。このことを利用すると、透明な共振器1の外部に設けたレンズ9で微小光源7からの光を集光し強度をモニターすることで微小光源7と試料8間の距離を知ることができる。モニターしている光量をある値に保つようににフィードバックをかけると微小光源7と試料8間のZ距離制御ができるのである。微小点での発光を得るための諸条件はシビアであるが一度安定な条件を見つけると発光は安定して得られる。共鳴条件を乱さないためにはPZT10の上に置く試料台をの大きさは5mm程度とするのが望ましい。
【0017】
以上の説明で明白なように、通常の走査型近接場顕微鏡のように誤って針状部が試料に接触した場合、高価なプローブを機械的に破壊してしまうという恐れはなく、操作性という点でもプローブの交換の作業がなく簡便である。
走査型近接場光学顕微鏡の動作について説明する。従来の走査型近接場光学顕微鏡のように短針先端からの発光をプローブとして用いるものでは、振動手段によってプローブ先端を試料に対して垂直に振動させ、プローブ先端と試料の表面の間に作用する原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力をプローブの振動特性の変化として変位検出手段で検出し、プローブ先端と試料の表面の間隔を一定に保つように制御手段で制御しながら、XYZ移動機構により試料を走査して表面形状を測定する構成であった。これはDFMモードやタッピングモードとして知られている。
【0018】
またはプローブ先端を試料に対して接近させ、プローブ先端と試料の表面の間に作用する原子間力あるいはその他の相互作用に関わる力をプローブのたわみの変化として変位検出手段で検出し、プローブ先端と試料の表面の間隔を一定に保つように制御手段で制御しながら、XYZ移動機構により試料を走査して表面形状を測定する構成であった。これはコンタクトモードとして知られている。
【0019】
しかし本発明の微小光源プローブを用いた走査型近接場光学顕微鏡では短針部分がないために、短針部の振動特性の変化として変位を検出することや短針部のたわみの変化として変位を検出する方法は用いない。上記に述べたように透明な共振器1の外部に設けたレンズ9で微小光源7からの光を集光し強度をモニターすることで微小光源7と試料8間の距離を知ることができる。モニターしている光量をある値に保つようににフィードバックをかけるとZ距離の制御ができるのである。
【0020】
DFMモードやタッピングモードと同じ測定モードで観察しようと思えば、試料8側をPZT10で微小光源7に対して上下向きに振動させればよい。その際の優れた点として、短針を用いた場合では短針の機械的共振周波数で振動させることしかできないが、本発明の方法では振動させる周波数を制限するものはない。ただしこのモードで使用する場合、共振器1の外部に設けたレンズ9で集光して得た強度も時間的な強度変化を繰り返すため、試料8を振動させた周波数でモニターしている強度をロックイン検出し、その結果の信号強度の変化でフィードバックをかけることになる。
【0021】
[実施の形態3]
図3は本発明の実施の形態3にかかわる反射光学系の近接場顕微鏡を示す模式図である。図2の構成では微小光源7を試料8に対して透過側で観察する構成を示したが、共振器1の構成要素(音響共振器の形状、超音波超音波トランデューサーの配置)を上下反転し対物レンズ11だけをそのまま残すことで実現できる。記録・再生装置として利用しようとする場合にはメディアとなる媒体は不透明なものが多いためこのような光学系には利点がある。
【0022】
また気泡内の超高温・超高圧力環境および発光の強い紫外線を利用した化学的なアプリケーションが可能である。
【0023】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。従来の短針から構成されている光プローブという形態をとらず、共振器と媒体の発光という構成を走査型近接場光学顕微鏡のプローブにすることで、外部光源や光ファイバーに光を集光する光学系が不要となり安価な走査型近接場光学顕微鏡システムを提供する事につながる。
【0024】
また、微小発光は短針のような基部の先端にあるものでないためプローブ(短針)自体を破壊してしまうことがなく、プローブの取り替え作業も必要ないという点で安価なものになり、操作性は格段に向上する。異なる波長や波長の広い発光が得られ、PS程度のパルス光であること、また微小点発光は熱源としても利用できるという意味で、吸収測定、蛍光測定、時間分解吸収測定、時間分解蛍光測定、熱測定、時間分解熱測定等に利用可能である。
【0025】
さらに、超高温・超高圧力環境および発光の強い紫外線を利用した化学的なアプリケーションが可能で、化学合成や光加工技術として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1にかかわる微小発光点発生装置を示す構成図である。
【図2】本発明の実施の形態2にかかわる走査型近接場顕微鏡としての構成例を示す模式図である。
【図3】本発明の実施の形態3にかかわる反射光学系の近接場顕微鏡としての構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
1 共振器
2 媒体
3 超音波トランデューサー
4 発光
5 電源
6 コントローラー
7 微小光源
8 試料
9 レンズ
10 PZT
11 対物レンズ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a micro light source that is an optical probe used in a scanning near-field microscope for the purpose of observing the shape of a solid surface in the nanometer region and measuring optical properties by irradiating or exciting the surface of the object to be measured. The present invention relates to a method for controlling the distance between a micro light source and a sample, and a scanning near-field microscope.
[0002]
[Prior art]
An aperture-type optical probe has been reported which is made by sharpening a glass capillary and an optical fiber and further coating the periphery with a metal ( US Patent 4469554, Dennis R. Turner , Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-130302 (Genji Otsu), Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-174542 ), a probe with a very sharp tip can be produced with the development of micromachining technology. It is now possible to obtain an optical image exceeding the resolution of the above with a scanning probe microscope.
[0003]
There has been proposed a scanning near-field microscope in which an evanescent wave is generated by totally reflecting illumination from the back surface of a sample using a prism or the like, and light is scattered by a probe having a very sharp tip (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6). -160719 Patent Publication No. (Otsu)).
A type of probe that converts the wavelength by modifying an organic dye at the probe tip has been reported (US Pat. No. 5,554,223, Patent 5105305, REBetzig US Pat. No. 5,547,024 Hillner).
[0004]
Also, it has been reported self-luminous type optical probe having a light emitting system inside the probe.
In addition, regarding a high-density memory having a device configuration combining STM and AFM, recording is performed by applying a voltage between the probe recording media in the STM configuration, and reproduction is performed by detecting the recording bit shape in the AFM configuration. Recording / reproducing apparatus to perform, recording / reproducing apparatus for controlling the probe position during recording and reproduction by applying the principle of AFM, and probe during recording and reproduction using deformation of an elastic body supporting the probe Proposals have also been made on recording / reproducing apparatuses that follow the surface of a recording medium (JP-A-1-245445 and JP-A-4-321955).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional aperture type fiber probe uses the waveguide portion to guide light from an external light source to a minute region of the sample. Therefore, an operation for coupling light to the fiber is necessary, and an operation for handling a fiber having a total length of about 1 m which is thin and easily broken is very complicated. In addition, a waveguide optical probe of the order of a cantilever manufactured by a semiconductor process has difficulty in coupling light from an external light source, and the leaked light has an adverse effect on observation with a scanning near-field microscope. In addition, since the probe itself has a low light throughput, the external light source requires a high-power and expensive laser. Further, if it is desired to use light of different wavelengths depending on the purpose, a laser light source capable of oscillating light of a necessary wavelength had to be prepared separately. The laser light source oscillates light with good monochromaticity, so in order to obtain light in a wide wavelength range, wavelength conversion using the nonlinear optical effect is necessary, but there is a wavelength limitation of light transmitted through the fiber itself. Therefore, the absorption measurement of the sample in the scanning near-field microscope could not be performed. Also, US Pat. No. 5,554,223, US Pat. No. 5,547,024 Hillner discloses a method of putting a luminescent material at the tip of the probe tip and illuminating the luminescent material by light excitation from an external light source. there were.
[0006]
Although electroluminescent mechanism towards emit light by the microscopic aperture point type has also been proposed, such as an organic EL element, there is a drawback that a small amount of light as a probe.
Therefore, in order to solve the above problem, the present invention aims to reduce the entire system and improve the operability as a scanning probe microscope and a recording / reproducing apparatus by not using an external light source.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first part of the present invention intends to emit light from a minute point of a medium by emitting ultrasonic waves from the outside of the resonator to the medium confined in the resonator. The size of the light emitting point can be controlled by selecting the shape of the resonator, the medium, and the irradiation power of the ultrasonic wave.
[0008]
By these things, sufficient light quantity is obtained, without requiring an external light source. Since the emission point spectrally extends from the ultraviolet region to the visible region, it is possible to perform spectroscopic measurement. Further, since the emission point reaches 5000K when the radiation light is converted into temperature, it can be used as a thermal microscope for imaging a minute region. In addition, since minute spot emission can be generated in the space in the resonator, the light source scans the surface of the object by remote control without touching the object.
[0009]
Since the distance between the sample and the probe is not the base part of the probe, the mechanical displacement of the probe is not detected, but the light scattered by the sample surface is detected and the amount of light is detected. Feedback is applied to the distance between the two so that they are constant. By selecting a medium to be used, light of different wavelengths or light in a wide wavelength range can be emitted, and absorption measurement in a scanning near-field microscope can be performed. The light intensity can be amplified by the power of the applied ultrasonic wave. Since light emission can be controlled by remote scanning, handling as a probe in a conventional SPM is completely different, and a scanning near-field microscope that can be handled as easily as an optical microscope is obtained.
[0010]
An optical system for condensing light on an external light source or an optical fiber is not required, and an inexpensive scanning near-field microscope system can be provided.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a minute light emission point generating apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. A resonator 2 having a spherical shape or a part of a spherical surface is filled with a medium 2 (gas or liquid) that induces light emission, and an ultrasonic transducer 3 is attached to the outside of the resonator toward the center. . In order to concentrate energy in as small an area as possible, it is preferable to install a plurality of ultrasonic transducers toward the resonance point in the resonator having a symmetrical shape, and they are arranged in a spatially symmetrical manner, and the number is limited. Absent.
[0012]
The case where H 2 O is filled in the resonator will be further described. The ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer is transmitted in a longitudinal wave in the medium, and the sound wave has a pressure, so that a high pressure part and a low pressure part are generated in the resonator. This temporal change in the pressure causes the gas dissolved in H 2 O to be generated as bubbles (cavities). This bubble grows according to the period of sound pressure and instantaneously contracts and breaks. This is a phenomenon called cavitation (cavity phenomenon), and the inside of the cavity becomes a high temperature and high pressure state which is said to be several thousand degrees and several thousand atmospheres. In such a unique environment, a chemical reaction that does not normally occur can occur, and in the case of H 2 O, it is liberated to H radical and OH radical under this environment. In the state where cavitation is occurring, when a stronger ultrasonic wave is irradiated, light emission 4 occurs when the bubbles contract. The reason for this is the emission 4 that occurs when the black body width due to heat generated by cavitation and OH radicals liberated by the heat are excited and de-excited by ultrasonic energy.
[0013]
Deliberately reducing the dissolved gas dissolved in water will reduce the number of cavitation bubbles. If the frequency of the sound wave is set to the resonance frequency of the system including the container and water, and the sound pressure is adjusted, only one bubble can be created in the water. The ultrasonic pressure and the buoyancy of the bubbles are balanced, and one bubble can be controlled in the water. When the sound pressure is gradually increased with respect to the bubbles, the bubbles emit light 4 with a sound pressure not less than a certain value and not more than a certain value. When temperature, sound pressure, and frequency satisfy the conditions that stabilize the bubble, the bubble repeats growth and collapse according to the cycle of the sound wave, and emits light every cycle. The resonance condition is about 25 kHz when a 100 ml flask is used, and it is necessary to supply a voltage of about 700 V to the ultrasonic transducer 3. The light emission time is extremely short, on the order of picoseconds. Therefore, when the light emission 4 obtained in this way is used, it is possible not only to perform imaging with a near-field microscope but also to perform time-resolved measurement.
[0014]
Further, since the emission spectrum of the micro light source extends to the ultraviolet region , it is possible to perform absorption measurement and transient absorption measurement using a near-field microscope, which has been impossible until now. The emission wavelength can be controlled to some extent by changing the medium, temperature, sound pressure, and frequency, and it has been confirmed that stable luminescence can be obtained even in a luminol (C 8 H 7 N 3 O 2 ) solution. ing.
[0015]
In addition, since the inside of the bubble is high temperature and high pressure, it can be used as a near-field thermal microscope or a recording / reproducing apparatus when considered as a minute heat source.
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example as a scanning near-field microscope according to the second embodiment of the present invention. The acoustic resonator may be a flask of about 100 ml or a beaker having a cylindrical shape. However, in order to use it as a near-field microscope, a sample inlet / outlet and a port for incorporating the piezoelectric element into the acoustic resonator 1 are required. . However, since a solution may be used as a medium, the port to be incorporated has a sealed structure. The figure shows an example in which two ultrasonic transducers are attached.
[0016]
Next, control of the distance between the micro light source 7 and the sample 8 will be described. In a normal scanning near-field microscope, a needle-like probe is used to detect the mechanical vibration and deflection of the needle-like part by some method in order to control the relative distance between the light emitted from the tip and the sample. Is going. Since the micro light source 4 of the present invention has a light source floating in the space, there is no equivalent to the needle-like portion that supports it. Since the minute light source 4 is driven at the resonance frequency and is obtained when the resonance condition of the resonator 1 is satisfied, the amount of light is reduced when the sample is completely in contact with the minute light source or the resonance condition is disturbed. Or the light emission disappears. If this is utilized, the distance between the micro light source 7 and the sample 8 can be known by condensing the light from the micro light source 7 with the lens 9 provided outside the transparent resonator 1 and monitoring the intensity. If feedback is applied so as to keep the monitored light quantity at a certain value, the Z distance between the micro light source 7 and the sample 8 can be controlled. Various conditions for obtaining light emission at a minute point are severe, but once a stable condition is found, light emission can be obtained stably. In order not to disturb the resonance conditions, the size of the sample stage placed on the PZT 10 is preferably about 5 mm.
[0017]
As is clear from the above explanation, when the needle-like part accidentally contacts the sample as in a normal scanning near-field microscope, there is no fear of mechanically destroying an expensive probe, which is called operability. In this respect, there is no need to replace the probe, which is simple.
The operation of the scanning near-field optical microscope will be described. In the case of using light emitted from the tip of a short needle as a probe as in a conventional scanning near-field optical microscope, the probe tip is vibrated perpendicularly to the sample by a vibrating means, and atoms acting between the probe tip and the sample surface The XYZ moving mechanism is used to detect the inter-force or other interaction-related force as a change in the vibration characteristics of the probe by the displacement detection means and to control the control means so as to keep the distance between the probe tip and the sample surface constant. The sample was scanned to measure the surface shape. This is known as DFM mode or tapping mode.
[0018]
Alternatively, the probe tip is brought close to the sample, and the atomic force acting between the probe tip and the sample surface or other interaction-related force is detected by the displacement detection means as a change in the probe deflection. The configuration was such that the surface shape was measured by scanning the sample with an XYZ moving mechanism while controlling with a control means so as to keep the distance between the surfaces of the sample constant. This is known as a contact mode.
[0019]
However, since the scanning near-field optical microscope using the micro light source probe of the present invention does not have a short needle portion, a method for detecting displacement as a change in vibration characteristics of the short needle portion or a displacement as a change in deflection of the short needle portion Is not used. As described above, the distance between the micro light source 7 and the sample 8 can be known by collecting the light from the micro light source 7 with the lens 9 provided outside the transparent resonator 1 and monitoring the intensity. The Z distance can be controlled by applying feedback so that the amount of light monitored is kept at a certain value.
[0020]
To observe in the same measurement mode as the DFM mode or tapping mode, the sample 8 side may be vibrated vertically with respect to the micro light source 7 by the PZT 10. As an excellent point in that case, when a short hand is used, it can only vibrate at the mechanical resonance frequency of the short hand, but the method of the present invention does not limit the frequency to be vibrated. However, when used in this mode, the intensity obtained by condensing with the lens 9 provided outside the resonator 1 also repeats the temporal intensity change, so the intensity monitored at the frequency at which the sample 8 is vibrated is measured. Lock-in detection is performed, and feedback is applied based on the change in signal strength as a result.
[0021]
[Embodiment 3]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a near-field microscope of a reflective optical system according to Embodiment 3 of the present invention. In the configuration of FIG. 2, the configuration in which the micro light source 7 is observed on the transmission side with respect to the sample 8 is shown, but the components of the resonator 1 (the shape of the acoustic resonator and the arrangement of the ultrasonic transducers) are turned upside down. However, this can be realized by leaving only the objective lens 11 as it is. When trying to use as a recording / reproducing apparatus, there are many opaque media, and such an optical system is advantageous.
[0022]
In addition, chemical applications using ultra-high temperature / ultra-high pressure environment in bubbles and ultraviolet rays with strong light emission are possible.
[0023]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects. An optical system that collects light on an external light source or optical fiber by using a probe of a scanning near-field optical microscope as a probe for a scanning near-field optical microscope instead of a conventional optical probe composed of a short needle. This eliminates the need to provide an inexpensive scanning near-field optical microscope system.
[0024]
In addition, since the minute light emission is not at the tip of the base like a short needle, the probe (short needle) itself is not destroyed, and the probe is not necessary to be replaced. Greatly improved. Light emission with a wide range of different wavelengths and wavelengths is obtained, it is a pulse light of about PS, and in the sense that minute point light emission can also be used as a heat source, absorption measurement, fluorescence measurement, time-resolved absorption measurement, time-resolved fluorescence measurement, It can be used for heat measurement, time-resolved heat measurement, and the like.
[0025]
Furthermore, it can be used for chemical applications using ultra-high temperature / ultra-high pressure environment and ultraviolet light with strong light emission, and can be used as chemical synthesis and optical processing technology.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a minute light emission point generating apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example as a scanning near-field microscope according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a reflection optical system according to a third embodiment of the present invention as a near-field microscope.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Resonator 2 Medium 3 Ultrasonic transducer 4 Light emission 5 Power supply 6 Controller 7 Micro light source 8 Sample 9 Lens 10 PZT
11 Objective lens

Claims (9)

被測定物表面を光照射もしくは光励起することにより、前記被測定物表面の形状観察及び光物性測定を行う走査型近接場顕微鏡において、
気体または液体からなる媒体を有する共振器と該共振器の外側に設けられて超音波を発生する超音波発生トランスデューサーとを有し、前記共振器内に封じ込められた前記媒体に前記超音波を照射することにより、前記共振器内の共鳴点で空洞現象により前記媒体が発光する微小点発光発生装置と、
前記共振器内に設けられた前記被測定物と、
前記媒体内で生じる前記発光を集光する光学系を有し、集光した前記発光の強度を検出するモニターと、
ピエゾ素子を用いて前記被測定物をXY方向に移動して走査するとともに、前記モニターにより検出された前記発光強度が所定値に保たれるようにZ方向の移動を制御する移動機構と、
からなることを特徴とする走査型近接場顕微鏡。
In the scanning near-field microscope for observing the shape of the surface of the object to be measured and measuring optical properties by irradiating or exciting the surface of the object to be measured,
A resonator having a medium made of a gas or a liquid; and an ultrasonic wave generating transducer provided outside the resonator to generate an ultrasonic wave. The ultrasonic wave is applied to the medium enclosed in the resonator. A minute point emission generator that emits light from the medium by a cavity phenomenon at a resonance point in the resonator by irradiating;
The object to be measured provided in the resonator;
An optical system for condensing the emitted light generated in the medium, and a monitor for detecting the intensity of the collected light;
A moving mechanism that moves the object to be measured in the XY direction using a piezo element and scans it, and controls movement in the Z direction so that the emission intensity detected by the monitor is maintained at a predetermined value;
A scanning near-field microscope characterized by comprising:
前記共振器は球状または一部分が球面をなしていることを特徴とする請求項1に記載の走査型近接場顕微鏡。  The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the resonator is spherical or partly spherical. 前記共振器は対称な形状を有することを特徴とする請求項1に記載の走査型近接場顕微鏡。  The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the resonator has a symmetrical shape. 前記媒体は、H2O、またはルミノール(C8H7N3O2)溶液であることを
特徴とする請求項1に記載の走査型近接場顕微鏡。
The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the medium is H 2 O or a luminol (C 8 H 7 N 3 O 2 ) solution.
前記媒体内で生じる前記発光のサイズおよび発光色が、照射する前記超音波の周波数とエネルギーまたは媒体の種類で変わることを特徴とする請求項1に記載の走査型近接場顕微鏡。  2. The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the size and color of the light emission generated in the medium vary depending on the frequency and energy of the ultrasonic wave to be irradiated or the type of the medium. 前記超音波発生トランスデューサーは、前記共振器に対し空間的に対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の走査型近接場顕微鏡。  The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the ultrasonic wave generating transducer is disposed at a spatially symmetrical position with respect to the resonator. 前記光学系は、前記共振器の外部に設けられたレンズであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の走査型近接場顕微鏡。  The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the optical system is a lens provided outside the resonator. 前記光学系は、前記被測定物表面に接近した位置に置かれた対物レンズであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の走査型近接場顕微鏡。  The scanning near-field microscope according to claim 1, wherein the optical system is an objective lens placed at a position close to the surface of the object to be measured. 前記ピエゾ素子は、1本でその内部に対物レンズを収納できる構造になっている、または複数本でピエゾ素子の間に対物レンズを配置できる構造になっていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の走査型近接場顕微鏡。  The piezo element has a structure in which one objective lens can be accommodated therein, or a plurality of piezo elements have a structure in which an objective lens can be disposed between the piezo elements. The scanning near-field microscope according to claim 8.
JP07985199A 1999-03-24 1999-03-24 Scanning near-field microscope Expired - Fee Related JP4021097B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP07985199A JP4021097B2 (en) 1999-03-24 1999-03-24 Scanning near-field microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP07985199A JP4021097B2 (en) 1999-03-24 1999-03-24 Scanning near-field microscope

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2000275161A JP2000275161A (en) 2000-10-06
JP2000275161A5 JP2000275161A5 (en) 2005-10-27
JP4021097B2 true JP4021097B2 (en) 2007-12-12

Family

ID=13701711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP07985199A Expired - Fee Related JP4021097B2 (en) 1999-03-24 1999-03-24 Scanning near-field microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4021097B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2000275161A (en) 2000-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6779387B2 (en) Method and apparatus for the ultrasonic actuation of the cantilever of a probe-based instrument
US6694817B2 (en) Method and apparatus for the ultrasonic actuation of the cantilever of a probe-based instrument
US7467542B2 (en) Alignment-tolerant lens structures for acoustic force actuation of cantilevers
US6194711B1 (en) Scanning near-field optical microscope
EP0674200B1 (en) Scanning near-field optic/atomic force microscope
US6953927B2 (en) Method and system for scanning apertureless fluorescence microscope
US5625142A (en) Resonance contact scanning force microscope
EP3108283B1 (en) Atomic force microscope measuring device
US7247842B1 (en) Method and system for scanning apertureless fluorescence mircroscope
US7787133B2 (en) Optical displacement-detecting mechanism and probe microscope using the same
US20110035849A1 (en) SPM Imaging Apparatus, Probe and Method
CN113056677A (en) System for measuring absorption of laser emission by a sample
Gucciardi et al. Versatile scanning near-field optical microscope for material science applications
US5681987A (en) Resonance contact scanning force microscope
US20070158554A1 (en) Probe for probe microscope using transparent substrate, method of producing the same, and probe microscope device
JP4021097B2 (en) Scanning near-field microscope
JP4391925B2 (en) Atomic force microscope
Lei et al. Nanospectrofluorometry inside single living cell by scanning near-field optical microscopy
JP2000275161A5 (en) Micropoint emission generator and scanning near-field microscope
JP2004156958A (en) Scanning probe microscope
JP2002243618A (en) Method for measuring illumination reflection mode in scanning near-field microscope
JP4282588B2 (en) Probe and scanning probe microscope
JP2003014609A (en) Minute region scattering probe, method for controlling distance of probe, and method for manufacturing the probe
Onaran et al. Actuation of atomic force microscope cantilevers by acoustic radiation pressure
JP2007147421A (en) Scanner structure for scanning near-field optical microscope

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20040302

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050908

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050908

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070502

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070522

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070705

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070731

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070830

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070925

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070926

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101005

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20091108

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101005

Year of fee payment: 3

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D03

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101005

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111005

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111005

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121005

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121005

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131005

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees