JP4244936B2

JP4244936B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びそのプローブ装置

Info

Publication number: JP4244936B2
Application number: JP2005015867A
Authority: JP
Inventors: 幸夫老川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2025-01-24
Also published as: JP2006201132A

Description

本発明は微細な試料表面を走査してその表面状態を観察する走査型プローブ顕微鏡とそのプローブに関し、特にプローブとして先端にカーボンナノ材料を備えたものに関するものである。

生体試料、金属、半導体、セラミック、樹脂、その他様々な試料の微細な表面状態を観察するには、先鋭なプローブを試料表面に近接させてオングストロームの精度で一定範囲を走査し、プローブと試料表面との間に働く相互作用を測定することにより試料表面を観察する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が用いられている。

相互作用の種類により様々な走査型プローブ顕微鏡が提案されており、相互作用が原子間力の場合は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、トンネル電流の場合は走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope）、磁気力の場合は磁気力顕微鏡が用いられている。

走査型トンネル顕微鏡は金属表面をプローブ（探針）で掃引して、トンネル電流を検出することで金属表面を観察するものであり、電子顕微鏡よりも優れた分解能を示す。原子間力顕微鏡は原子間同士の引力と斥力を利用して物質表面を検出するものであり、走査型トンネル顕微鏡よりもプローブの形状に敏感である。この場合、微細加工で作製できるプローブの先端の直径は約１０ｎｍ程度であり、原子一つの大きさと比べても大きな値となる。

ＤＮＡ、タンパクなどの生体試料やＳＡＭ(Self Assembly Monolayer)膜の走査型トンネル顕微鏡ナノ構造体観察には走査型トンネル顕微鏡用のプローブによる観察が行なわれている。そのため、より鋭いプローブとして、細く、長く、弾力性に富み、電気を通す特性を備えたカーボンナノチューブなどのカーボンナノ材料をプローブ１２の先端に備えたものを用いるようになった。

カーボンナノチューブには、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＭＴ：Single Wall Carbon Nanotube）と多層カーボンナノチューブ（ＭＷＭＴ：Multi Wall Carbon Nanotube）がある。カーボンナノチューブはナノチューブの配向がまったくのランダムというものが多かったが、成長条件を最適化することにより、カーボンナノチューブの配向を制御できるようになった（非特許文献１，２参照。）。

カーボンナノチューブの成長に関しては、その配向を制御することで一定の高さ（例えば６０μｍ）に垂直配向できるようになり、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）などの開発にも応用が期待されている。

走査型プローブ顕微鏡には、プローブの先端に１本のカーボンナノチューブを取り付けたプローブを１〜４つ用い、独立に操作してナノ構造体の物理的特性（電気伝導性）などを調べる方法も行なわれている。

H Watanabe., et al., "Measuring a carbon nanotube ring transistor", Appl. Phys. Lett., vol.78, No.19, p.2929(2001). B. Q. Wei, et al., "Organized assembly of carbon nanotubes", Nature, 416, 495(2002).

ＤＮＡのような微細構造をもった試料を観察する場合、１本ずつ独立して観察しなければならないが、そのためには希薄な濃度（２ｎｇ／ｍＬ以下程度）のサンプル溶液を用いて、観察箇所をプローブで走査する必要がある。
しかし、１回に観察できる範囲が３００×３００ｎｍとして１ｍｍ²の範囲を観察する場合、１つのプローブでは１×１０⁷箇所も走査しなければならず、操作が煩雑な上、長時間が必要であった。
本発明は、対象物の濃度が希薄な試料であっても、対象物を容易に見つけることができ、観察時間を短縮できるようにすることを目的とするものである。

本発明のプローブ装置は、走査型プローブ顕微鏡のプローブ装置であって、互いに独立に作動する複数個のプローブが取り付けられ、１個のプローブを選択して試料測定位置に位置決めするプローブ切替え機構を備え、各プローブの先端にはカーボンナノ材料が垂直配向状態で設けられており、それらのプローブのカーボンナノ材料の本数及び配置面積が互いに異なっているものである。

プローブ装置の好ましい形態は、プローブ切替え機構が、プローブを取り付けている部分が回転してプローブの切り替えを行なう回転機構を備えたものである。
カーボンナノ材料としては中空状のカーボンナノチューブと、中実状のカーボンナノファイバーがある。実施形態ではカーボンナノチューブを用いるが、いずれを用いてもよい。
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記プローブ装置を備えたものである。

本数及び配向面積が異なるカーボンナノ材料が垂直配向した複数のプローブを用い、配向面積の広いものから狭いものへと切り替えることで、徐々に走査面積を狭くすることができ、初めから単一カーボンナノ材料をもつプローブによって広い面積を走査するよりも、短い時間で対象物を見つけることができる。
プローブ切替え機構によってプローブが回転式に切り替わるものであれば、プローブの切替えはより簡便になる。

以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１（Ａ）はＳＴＭ用プローブ装置の模式図であり、（Ｂ）はそのうちの１個のプローブの先端の拡大模式図、（Ｃ）はプローブ切替え機構をプローブ側から見た模式図である。
（Ａ）に示されるようにこのプローブ装置はタングステン製の４つのプローブ１２ａ〜１２ｄを備え、それぞれの基端はプローブ切替え機構１６の１つの面に取り付けられている。（Ｃ）に示されるように、プローブ切替え機構１６のプローブ取付け面は円形であり、プローブ１２ａ〜１２ｄはその取付け面の円周に沿って等間隔に配置されて取り付けられている。それらプローブ１２ａ〜１２ｄの先端は試料表面側を向いており、それぞれの先端には本数及び配置面積が異なるカーボンナノチューブがプローブの先端面に垂直方向に配向して取り付けられている。３個のプローブ１２ａ〜１２ｃの先端には複数本のカーボンナノチューブが設けられ、残り１個のプローブ１２ｄの先端にはカーボンナノチューブが１本だけ設けられている。

プローブ１２ａ〜１２ｄの先端のカーボンナノチューブ配置領域のサイズは１０ｎｍ〜１０μｍである。例えば、プローブ１２ａは１０μｍ×１０μｍを含む配置面積にカーボンナノチューブが密に取り付けられたものであり、プローブ１２ｂはその百分の一の１μｍ×１μｍ、プローブ１２ｃはさらにその百分の一である１００ｎｍ×１００ｎｍを含む配置面積にそれぞれカーボンナノチューブが密に取り付けられたものである。プローブ１２ｄは、例えば寸法１０ｎｍの配置領域に１本のカーボンナノチューブが取り付けられたものである。これらプローブ１２ａ〜１２ｄのカーボンナノチューブは、例えばプローブ先端面に５μｍの長さに成長させたものである。

プローブ１２ａ〜１２ｄが取り付けられているプローブ切替え機構１６は、プローブの取付け面を面内方向に回転させて１個のプローブを試料測定位置に位置決めするリボルバー方式である。しかし、プローブ切替え機構は、水平方向に移動するスライド方式であってもよい。
ピエゾ素子１４は、プローブ切替え機構１６を介して、プローブの先端部が試料表面を走査するものである。制御部２２はこのピエゾ素子１４のＸ―Ｙ―Ｚ方向の駆動を制御する。

（カーボンナノチューブ作製）
カーボンナノチューブは、タングステン製プローブの先端面に化学気相成長（ＣＶＤ）法によって６５０℃〜１３００℃のプロセス温度で成長させる。
実施例では上記の方法によって、先端に１０μｍ〜１０ｎｍのサイズの配置面積を有するプローブに、垂直方向に５μｍの一定高さにカーボンナノチューブを配向させたものを使用した。

（観察方法）
次に図２を参照し、プローブ１２ａ〜１２ｄを順に用いて基板上に載置したＤＮＡを走査して検出し、測定する方法を示す。
初めに、プローブ１２ａを用いてＤＮＡなどの試料が置かれている基板全体を走査する。例えば基板の面積が１ｍｍ²（１０００μｍ×１０００μｍ）である場合、先端の面積が１００μｍ²（１０μｍ×１０μｍ）を含むプローブ１２ａを用いると、１ｘ１０⁴箇所を走査することで基板全体を大まかに走査することができる。プローブ１２ａがＤＮＡを検出すると、その個所を（Ａ）に示されるように１μｍ四方のグリッドに分割して電気的な検出を行ない、ＤＮＡの存在する領域を１μｍ×１μｍの大きさで特定することができる。

次に、プローブ１２ｂに切り替えて、そのプローブ１２ｂを（Ａ）で指定した１μｍ×１μｍの領域に位置決めする。プローブ１２ｂは１μｍ×１μｍの領域を被うカーボンナノチューブ配置面積をもっているので、プローブを走査することなく、（Ｂ）に示されるように、１００μｍのグリッドに分割して電気的な検出を行なうと、ＤＮＡの存在する領域を１００ｎｍ×１００ｎｍの大きさで特定することができる。

次に、さらにカーボンナノチューブ配置面積が小さいプローブ１２ｃに切り替える。プローブ１２ｃでは、（Ｃ）に示されるように１００００ｎｍ²（１００ｎｍ×１００ｎｍ）全体の情報を得ることができ、ＤＮＡの存在領域を１０ｎｍ×１０ｎｍの大きさで特定することができる。

最後に先端に１つのカーボンナノチューブが取り付けられているプローブ１２ｄに切り替え、プローブ１２ｃが検出した１０ｎｍ×１０ｎｍのＤＮＡ存在領域を、制御部２２によって順次走査しながら測定する。

このように、カーボンナノチューブの本数及び配置面積の異なるプローブを複数個用いることで、ＤＮＡの存在領域を徐々に狭くすることができ、単一のカーボンナノチューブをもつ１つのプローブによって走査するよりも少ない回数の走査でＤＮＡを見つけて測定することができる。

カーボンナノチューブの配置面積が大きいプローブでは、一度に走査できる面積が広くなる代わりに走査精度が落ちるが、カーボンナノチューブ配置面積の小さいプローブに替えて対象物の位置を特定していくことで、最後に１本のカーボンナノチューブをもつプローブによってＤＮＡを測定することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡にも同様に適用できる。また、測定対象もＤＮＡに限らず、他の微小なものには同様に適用できる。

本発明は微細な試料表面を走査してその表面状態を観察する走査型プローブ顕微鏡とそのプローブ装置に利用することができる。

（Ａ）はＳＴＭ用プローブ装置の模式図であり、（Ｂ）はそのうちの１個のプローブの先端部の拡大模式図、（Ｃ）はプローブ切り替え機構のプローブ配置面をプローブ側から見た模式図である。プローブで試料のＤＮＡを測定する手順を示す模式図であり、（Ａ）はカーボンナノチューブ配置面積が最大のプローブでのＤＮＡ存在領域特定方法を示す図、（Ｂ）はカーボンナノチューブ配置面積が２番目に大きいプローブでのＤＮＡ存在領域特定方法を示す図、（Ｃ）はカーボンナノチューブ配置面積が３番目に大きいプローブでのＤＮＡ存在領域特定方法を示す図を示している。

符号の説明

１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄプローブ
１４ピエゾ素子
１６プローブ切替え機構
１８カーボンナノチューブ
２２制御部

Claims

走査型プローブ顕微鏡のプローブ装置であって、
互いに独立に作動する複数個のプローブが取り付けられ、１個のプローブを選択して試料測定位置に位置決めするプローブ切替え機構を備え、
前記各プローブの先端にはカーボンナノ材料が垂直配向状態で設けられており、それらのプローブのカーボンナノ材料の本数及び配置面積が互いに異なっていることを特徴とするプローブ装置。
前記プローブ切替え機構は、プローブを取り付けている部分が回転してプローブの切り替えを行なう回転機構を備えたものである請求項１に記載のプローブ装置。
前記カーボンナノ材料はカーボンナノチューブである請求項１又は２に記載のプローブ装置。
請求項１、２又は３に記載のプローブ装置を備えた走査型プローブ顕微鏡。