JP4697709B2 - Electrochemical measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、電解液中で生じる試料の電気化学反応を制御しながら、その反応過程を表面観察する電気化学測定装置に関するものである。   The present invention relates to an electrochemical measuring apparatus for observing the surface of a reaction process while controlling the electrochemical reaction of a sample generated in an electrolytic solution.

電極/溶液界面で進行する種々の反応過程、特に電気化学反応過程を解明していく際、反応場を提供している試料表面の構造を知ることが必要不可欠とされている。このような、種々の電解液中で生じる電気化学反応過程を観察する方法は、既にいくつか考えられており、実際に実用化されている。中でも、試料表面を原子、分子レベルで実空間観察する走査型トンネル顕微鏡(STM:Scanning Tunneling Microscope)を応用した電気化学STM(ECSTM:Electrochemical STM)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
このECSTMは、試料、対極、参照電極及びプローブ先端を、少なくとも電解液中に配置し、試料に対してある電位を設定した後、プローブを走査させながら試料とプローブとの間に流れるトンネル電流を検出して、電気化学反応を観察する方法である。この、ECSTMによれば、電気化学反応による試料表面の変化を、その場で直ちに観察できることが可能であるため、広く研究、利用されている。
When elucidating various reaction processes that proceed at the electrode / solution interface, particularly electrochemical reaction processes, it is essential to know the structure of the sample surface that provides the reaction field. Several methods for observing the electrochemical reaction processes occurring in various electrolytes have already been considered and put into practical use. Among them, an electrochemical STM (ECSTM: Electrochemical STM) using a scanning tunneling microscope (STM) that observes a sample surface in real space at an atomic or molecular level is known (for example, see Patent Document 1). .
In this ECSTM, a sample, a counter electrode, a reference electrode, and a probe tip are arranged in at least an electrolyte solution, and after setting a certain potential with respect to the sample, a tunnel current flowing between the sample and the probe is scanned while the probe is scanned. It is a method of detecting and observing an electrochemical reaction. According to ECSTM, a change in the surface of a sample due to an electrochemical reaction can be immediately observed on the spot, and thus is widely studied and used.

ところが、このECSTMは、STMの原理上、トンネル電流をパラメータとして試料の表面形状を観察する装置であるため、電流を通さない不導体は試料として適さない。従って、電気化学反応の結果、試料表面に不導体が生成したり、半導体が電位により不導体になったりした場合には、測定を行えない不都合があった。   However, this ECSTM is a device for observing the surface shape of a sample using a tunnel current as a parameter on the principle of STM, and therefore a nonconductor that does not pass current is not suitable as a sample. Therefore, when a nonconductor is generated on the sample surface as a result of the electrochemical reaction or the semiconductor becomes nonconductor due to a potential, there is a disadvantage that the measurement cannot be performed.

一方、ECSTMと同様に、電解液中で電気化学反応過程を測定できる装置として、電気化学AFM(ECAFM:Electrochemical Atomic Force Microscope)といった装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。このECAFMは、原子間力という試料の導電性に依存しない物理量をパラメータとして、試料を観察する装置であるため、上記ECSTMとは異なり、不導体表面の表面形状を測定することが可能である。よって、多種多様の試料に対応することができる。そのため、近年では、ECSTM以上に急速な拡がりを見せている。   On the other hand, similarly to ECSTM, an apparatus such as an electrochemical atomic force microscope (ECAFM) is known as an apparatus that can measure an electrochemical reaction process in an electrolytic solution (see, for example, Patent Document 2). Since this ECAFM is an apparatus for observing a sample using a physical quantity that does not depend on the conductivity of the sample as an atomic force as a parameter, unlike the ECSTM, it is possible to measure the surface shape of a non-conductor surface. Therefore, it can respond to a wide variety of samples. Therefore, in recent years, it has expanded more rapidly than ECSTM.

このECAFMについて、図11を参照して簡単に説明する。
ECAFM80は、試料81を電解液Wに浸漬させた状態で収容する試料セル82と、電解液W中で試料81に対向配置されたカンチレバー83と、電解液W中に浸漬された状態で取り付けられた対極84及び参照電極85とを備えている。
試料セル82は、試料81が載置される試料セル下部82aと、該試料セル下部82aに組み合わされ、Oリング86を介して試料81を試料セル下部82aに押し付ける試料セル上部82bとで構成されている。
また、試料セル上部82bには、カンチレバー83を固定するカンチレバーホルダ87がOリング88を介して組み合わされている。そして、このカンチレバーホルダ87、試料セル上部82b及び試料81とで囲まれる空間に、電解液Wが満たされている。これにより、試料81及びカンチレバー83は、電解液Wに浸漬された状態となっている。
The ECAFM will be briefly described with reference to FIG.
The ECAFM 80 is attached in a state in which the sample cell 82 that accommodates the sample 81 in the state of being immersed in the electrolytic solution W, the cantilever 83 that is disposed opposite to the sample 81 in the electrolytic solution W, and the state of immersion in the electrolytic solution W. The counter electrode 84 and the reference electrode 85 are provided.
The sample cell 82 includes a sample cell lower portion 82a on which the sample 81 is placed, and a sample cell upper portion 82b that is combined with the sample cell lower portion 82a and presses the sample 81 against the sample cell lower portion 82a through an O-ring 86. ing.
In addition, a cantilever holder 87 for fixing the cantilever 83 is combined with the sample cell upper part 82 b through an O-ring 88. The electrolyte solution W is filled in a space surrounded by the cantilever holder 87, the sample cell upper part 82b, and the sample 81. Thereby, the sample 81 and the cantilever 83 are immersed in the electrolytic solution W.

また、試料セル下部82aの上面には、バイポテンシオスタット89に電気的接続された導電部材90が設けられている。また、試料81は、試料セル上部82bのOリング86によって押し付けられているので、導電部材90と接触して導通が取られている。そのため、試料81は、バイポテンシオスタット89によって電位が制御される第1の作用電極として作用するようになっている。
また、カンチレバー83は、バイポテンシオスタット89に電気的接続されたクリップ91によってカンチレバーホルダ87に固定されている。そのため、カンチレバー83は、バイポテンシオスタット89によって電位が制御される第2の作用電極として作用するようになっている。
更に、バイポテンシオスタット89には、電位をそれぞれ独立して制御可能な上記対極84及び参照電極85が電気的に接続されている。
A conductive member 90 electrically connected to the bipotentiostat 89 is provided on the upper surface of the sample cell lower portion 82a. Further, since the sample 81 is pressed by the O-ring 86 of the sample cell upper part 82b, the sample 81 is brought into contact with the conductive member 90 to be conductive. Therefore, the sample 81 functions as a first working electrode whose potential is controlled by the bipotentiostat 89.
The cantilever 83 is fixed to the cantilever holder 87 by a clip 91 electrically connected to a bipotentiostat 89. Therefore, the cantilever 83 acts as a second working electrode whose potential is controlled by the bipotentiostat 89.
Further, the counter electrode 84 and the reference electrode 85 capable of independently controlling the potential are electrically connected to the bipotentiostat 89.

このように構成されたECAFM80においては、参照電極85の電位を基準として、第1の作用電極(試料81)の電位を制御する3電極方式、或いは、第1の作用電極(試料81)と第2の作用電極(カンチレバー83)との電位をそれぞれ制御する4電極方式により電気化学反応を制御することで、種々の電気化学的処理、例えば、メッキ、腐食、電気剥離が可能となり、その反応をAFMによりリアルタイムに観察することができる。
特開平1−141302号公報 特開平9−143799号公報
In the ECAFM 80 configured as described above, a three-electrode system that controls the potential of the first working electrode (sample 81) based on the potential of the reference electrode 85, or the first working electrode (sample 81) and the first electrode. By controlling the electrochemical reaction using a four-electrode system that controls the potential with the two working electrodes (cantilever 83), various electrochemical treatments such as plating, corrosion, and electrodetachment are possible. It can be observed in real time by AFM.
JP-A-1-141302 JP-A-9-143799

しかしながら、上述したECAFM80には、以下の課題がまだ残されていた。
即ち、第1の作用電極である試料81、第2の作用電極であるカンチレバー83、対極84及び参照電極85は、それぞれ単に電解液W内に浸漬されているだけの構成であり、互いの位置関係については、何ら考量されていない。そのため、以下に示す各種の不具合が生じていた。
However, the following problems still remain in the above-described ECAFM80.
That is, the sample 81 that is the first working electrode, the cantilever 83 that is the second working electrode, the counter electrode 84, and the reference electrode 85 are simply immersed in the electrolytic solution W, and the positions of each other. There is no consideration for the relationship. Therefore, the following various problems have occurred.

まず、対極84は、カンチレバー83から離れた位置で単に電解液Wに浸漬した状態で取り付けられているだけであるので、カンチレバー83で試料81上を走査した際、試料81上の観察位置と対極84との相対位置関係が変化してしまう。そのため、バイポテンシオスタット89で試料81の電位を調整したとしても、試料81表面の各位置の電位が一様ではなく、不均一になってしまっていた。   First, since the counter electrode 84 is simply attached in a state of being immersed in the electrolyte W at a position away from the cantilever 83, when the cantilever 83 scans the sample 81, the counter electrode and the observation position on the sample 81 are countered. The relative positional relationship with 84 changes. For this reason, even if the potential of the sample 81 is adjusted by the bipotentiostat 89, the potential at each position on the surface of the sample 81 is not uniform and is not uniform.

また、仮に試料81の電位を正確に設定できたとしても、試料81と対極84との位置関係が変化してしまうので、対極84との距離に依存する電流密度が変化してしまう。そのため、電気化学反応速度を一定に保つことができなかった。   Even if the potential of the sample 81 can be accurately set, the positional relationship between the sample 81 and the counter electrode 84 changes, so that the current density depending on the distance from the counter electrode 84 changes. For this reason, the electrochemical reaction rate could not be kept constant.

また、対極84と同様に参照電極85に関しても、カンチレバー83から離れた位置で単に電解液Wに浸漬した状態で取り付けられているだけであるので、カンチレバー83で試料81上を走査した際、試料81上の観察位置と参照電極85との相対位置関係が変化してしまう。よって、一定の電位勾配を保つことが困難であった。例えば、参照電極85を0Vとし、試料81を1Vに設定しようとしても、試料81を一様に1Vにすることが困難であった。その結果、第1の作用電極である試料81の電位を、正確に制御することが難しかった。   Similarly to the counter electrode 84, the reference electrode 85 is simply attached in a state of being immersed in the electrolytic solution W at a position away from the cantilever 83. Therefore, when the cantilever 83 scans the sample 81, The relative positional relationship between the observation position on 81 and the reference electrode 85 changes. Therefore, it has been difficult to maintain a constant potential gradient. For example, even if the reference electrode 85 is set to 0V and the sample 81 is set to 1V, it is difficult to uniformly set the sample 81 to 1V. As a result, it was difficult to accurately control the potential of the sample 81 as the first working electrode.

また、カンチレバー83を第2の作用電極として使用する場合、即ち、4電極方式で観察を行う場合には、試料81上を走査した際に、対極84や参照電極85との相対位置関係が変化するので、やはり上述した同じ問題が生じていた。   When the cantilever 83 is used as the second working electrode, that is, when observation is performed using the four-electrode method, the relative positional relationship with the counter electrode 84 and the reference electrode 85 changes when the sample 81 is scanned. As a result, the same problem described above has occurred.

このように、従来のECAFM80は、第1の作用電極である試料81、第2の作用電極であるカンチレバー83、対極84及び参照電極85の互いの位置関係について、何ら考量されていないので、上記各種問題が生じてしまい、正確な電気化学反応を制御することが困難であった。特に、試料81を浸漬する電解液Wの濃度が低く、電気抵抗が高い場合や、電解液W中を流れる電流が大きい場合には、電圧降下が大きくなってしまうので、上述した各種の問題が顕著になるものであった。   As described above, the conventional ECAFM 80 does not consider the positional relationship between the sample 81 that is the first working electrode, the cantilever 83 that is the second working electrode, the counter electrode 84, and the reference electrode 85. Various problems occur, and it is difficult to control an accurate electrochemical reaction. In particular, when the concentration of the electrolytic solution W in which the sample 81 is immersed is low and the electric resistance is high, or when the current flowing through the electrolytic solution W is large, the voltage drop becomes large. It became prominent.

加えて、従来のECAFM80は、試料81全体を第1の作用電極として用いるため、カンチレバー83で試料81の表面状態を観察する際に、観察領域以外の部分も常に電気化学反応が起こってしまう。そのため、場所によっては、カンチレバー83で表面観察を行う前に、表面状態が変化してしまう恐れがあった。その結果、正確な形状像が得られず、電気化学反応過程の形状観察を正確に行うことができない問題もあった。   In addition, since the conventional ECAFM 80 uses the entire sample 81 as the first working electrode, when the surface state of the sample 81 is observed with the cantilever 83, an electrochemical reaction always occurs in a portion other than the observation region. Therefore, depending on the location, the surface state may change before surface observation with the cantilever 83. As a result, there was a problem that an accurate shape image could not be obtained and the shape observation of the electrochemical reaction process could not be performed accurately.

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、試料の表面をカンチレバーで走査する際の観察位置や試料の位置等に影響を受けることなく、試料上の観察位置の電位や電流密度を常に一定に制御して、正確な電気化学反応過程を観察することができる電気化学測定装置を提供することである。
更には、観察位置近傍で局所的に電気化学反応を行わせて、正確な表面形状観察を行うことができる電気化学測定装置を提供することである。
The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to observe the position on the sample without being affected by the observation position or the position of the sample when the surface of the sample is scanned with a cantilever. It is to provide an electrochemical measuring apparatus that can observe an accurate electrochemical reaction process by constantly controlling the potential and current density of the liquid crystal.
Furthermore, it is to provide an electrochemical measurement apparatus capable of performing an accurate surface shape observation by locally performing an electrochemical reaction near the observation position.

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の電気化学測定装置は、電解液中で電気化学反応を制御しながら、試料の反応過程を観察する電気化学測定装置であって、前記試料を電解液内に浸漬した状態で収容する溶液セルと、先端に探針を有するレバー部と、該レバー部の基端側を片持ち状に支持する支持部とを有し、前記電解液に浸漬された状態で前記試料に対向配置されたカンチレバーと、前記探針と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、前記レバー部の撓みを測定する変位測定手段と、該変位測定手段による測定結果に基づいて、前記走査時に前記探針と前記試料表面との距離を、前記レバー部の撓みが一定となるように前記移動手段を制御すると共に、試料の表面形状データを取得する制御手段と、前記試料に電気的に接触する試料電極と、前記探針と共に前記レバー部の先端に設けられ、前記電解液内に浸漬された状態で配された参照電極及び対極と、前記参照電極の電位を基準として前記試料電極の電位を制御すると共に、試料電極と対極との間に流れる電流を測定する電流測定手段とを備え、前記カンチレバーが、前記参照電極及び前記対極を備えており、前記探針の近傍に参照電極及び対極が配置され、前記レバー部には、前記支持部側から先端側に亘って長手方向に延びる2本の導電性膜が同一平面上に形成され、一方の前記導電性膜のうち前記レバー部の先端側に位置する端部が、前記参照電極とされ、他方の前記導電性膜のうち前記レバー部の先端側に位置する端部が、前記対極とされていることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The electrochemical measurement apparatus of the present invention is an electrochemical measurement apparatus for observing a reaction process of a sample while controlling an electrochemical reaction in the electrolytic solution, and is a solution that accommodates the sample immersed in the electrolytic solution A cell, a lever portion having a probe at the tip, and a support portion that supports the base end side of the lever portion in a cantilevered manner, and is disposed to face the sample while being immersed in the electrolytic solution. The cantilever, the probe and the sample are scanned relatively in a direction parallel to the sample surface, and a moving means for moving the cantilever relatively in a direction perpendicular to the sample surface, and the deflection of the lever part is measured. Based on the measurement result of the displacement measuring means and the displacement measuring means, the distance between the probe and the sample surface during the scanning is controlled, and the moving means is controlled so that the deflection of the lever portion is constant, Sample surface shape data And control means for a sample electrode in electrical contact with the sample, provided on the distal end of the lever portion with the probe, the reference electrode and a counter electrode disposed in a state of being immersed in the electrolyte within the A potential measuring device configured to control the potential of the sample electrode with reference to the potential of the reference electrode, and to measure a current flowing between the sample electrode and the counter electrode; and the cantilever includes the reference electrode and the counter electrode A reference electrode and a counter electrode are arranged in the vicinity of the probe, and two conductive films extending in the longitudinal direction from the support part side to the tip side are formed on the same plane on the lever part, One end of the conductive film located on the tip side of the lever portion is used as the reference electrode, and the other end of the conductive film located on the tip side of the lever portion is the counter electrode. characterized in that it is a It is intended to.

この発明に係る電気化学測定装置においては、まず、測定対象物である試料(例えば、高配向性熱分解グラファイト)を、硫酸水溶液等の電解液が貯留されている溶液セル内に収容して、該電解液内に浸漬させる。次いで、参照電極及び対極を有するカンチレバーを、電解液内に浸漬させた状態で試料に対向配置させる。この状態において、電流測定手段が、参照電極の電位を基準として、試料電極、即ち、試料の電位を制御する。この3電極方式により、対極と試料との間に電流が流れて、試料表面に電気化学反応が生じ、例えば、白金等が析出する。また、電流測定手段は、試料電極と対極との間に流れる電流の測定を行っている。   In the electrochemical measurement apparatus according to the present invention, first, a sample that is a measurement object (for example, highly oriented pyrolytic graphite) is accommodated in a solution cell in which an electrolyte such as a sulfuric acid aqueous solution is stored, Immerse in the electrolyte. Next, a cantilever having a reference electrode and a counter electrode is disposed so as to face the sample while being immersed in the electrolytic solution. In this state, the current measuring means controls the potential of the sample electrode, that is, the sample, based on the potential of the reference electrode. With this three-electrode system, a current flows between the counter electrode and the sample, and an electrochemical reaction occurs on the sample surface, for example, platinum or the like is deposited. The current measuring means measures a current flowing between the sample electrode and the counter electrode.

一方、この電気化学反応と同時に、移動手段により探針と試料とを試料表面に平行な方向に走査させて、探針で電気化学反応が起きている試料表面上の走査を行う。この際、制御手段は、変位測定手段による測定結果に基づいて、レバー部の撓みが一定となるように、探針と試料表面との距離(高さ)を移動手段によりフィードバック制御する。これにより、試料の表面形状データを取得することができる。その結果、電気化学反応により、白金等が析出した試料表面の形状観察を行える。そして、この試料の表面形状データと、電流測定手段で測定された測定結果とにより、両者を相関付けることができ、電気化学反応による試料の反応過程を観察することができる。   On the other hand, simultaneously with this electrochemical reaction, the probe and the sample are scanned in a direction parallel to the sample surface by the moving means, and scanning is performed on the sample surface where the electrochemical reaction is occurring with the probe. At this time, the control means feedback-controls the distance (height) between the probe and the sample surface based on the measurement result by the displacement measuring means so that the bending of the lever portion becomes constant. Thereby, the surface shape data of the sample can be acquired. As a result, the shape of the sample surface on which platinum or the like is deposited can be observed by an electrochemical reaction. The surface shape data of the sample and the measurement result measured by the current measuring means can be correlated with each other, and the reaction process of the sample by the electrochemical reaction can be observed.

特に、カンチレバーは、対極と参照電極とを備えており、探針の近傍に参照電極及び対極が共に配置された一体構造となっている。よって、カンチレバーを走査させて、試料の表面形状を観察する際に、参照電極及び対極も探針と共に移動することになる。つまり、探針と参照電極と対極との相対的な位置関係を変化させることなく観察を行える。
そのため、従来とは異なり、試料表面をカンチレバーで走査する際の観察位置や試料の位置等に影響を受けることなく、試料上の観察位置の電位や電流密度を常に一定にすることができる。また、同様に参照電極の電位を基準として、観察位置における試料表面の電位を常に一定にすることができる。
In particular, the cantilever has a counter electrode and a reference electrode, and has a single structure in which both the reference electrode and the counter electrode are arranged in the vicinity of the probe. Therefore, when the cantilever is scanned to observe the surface shape of the sample, the reference electrode and the counter electrode also move together with the probe. That is, observation can be performed without changing the relative positional relationship between the probe, the reference electrode, and the counter electrode.
Therefore, unlike the conventional case, the potential and current density at the observation position on the sample can always be made constant without being affected by the observation position or the position of the sample when the sample surface is scanned with a cantilever. Similarly, the potential of the sample surface at the observation position can always be constant with the reference electrode potential as a reference.

その結果、電気化学反応を正確に制御することができる。従って、電気化学反応過程中における試料表面の観察を、高精度に行うことができ、観察結果の信頼性を向上することができる。
また、参照電極、対極及び探針が、共に同じレバー部に設けられているので、探針と参照電極と対極とを、さらに近接した状態で配置することができる。従って、より確実に電気化学反応を制御することができ、観察結果の信頼性を向上することができる。また、同じレバー部に、探針と参照電極と対極とを一度に作りこむことができるので、カンチレバーを製造し易い。
As a result, the electrochemical reaction can be accurately controlled. Accordingly, the sample surface can be observed with high accuracy during the electrochemical reaction process, and the reliability of the observation result can be improved.
In addition, since the reference electrode, the counter electrode, and the probe are all provided in the same lever portion, the probe, the reference electrode, and the counter electrode can be arranged in a closer state. Therefore, the electrochemical reaction can be controlled more reliably, and the reliability of the observation result can be improved. In addition, since the probe, the reference electrode, and the counter electrode can be formed at the same time in the same lever portion, it is easy to manufacture the cantilever.

また、本発明の電気化学測定装置は、上記本発明の電気化学測定装置において、前記カンチレバーが、前記レバー部と平行になるように基端側が前記支持部に片持ち状に支持された第2のレバー部と、該第2のレバー部の撓みを測定する撓み測定部とを備え、前記試料電極が、前記探針よりも前記試料側に突出した状態で、前記第2のレバー部の先端に設けられていることを特徴とするものである。   Further, the electrochemical measurement device of the present invention is the electrochemical measurement device of the present invention, wherein the cantilever is supported by the support portion in a cantilever manner so that the cantilever is parallel to the lever portion. And a deflection measuring portion for measuring the deflection of the second lever portion, and the tip of the second lever portion with the sample electrode protruding to the sample side from the probe Is provided.

この発明に係る電気化学測定装置においては、カンチレバーに試料電極が設けられているので、探針の近傍に、参照電極及び対極に加え試料電極も配置することができる。
また、試料電極は、探針よりも試料側に突出しているので、移動手段によりカンチレバーを試料に近づけた際に、試料電極が探針よりも先に試料に接触して導通をとることができる。この際、第2のレバー部の撓み状態を確認することで、試料電極が試料に接触したか否かを確実に判断することができる。従って、電流測定手段は、試料電極を介して試料の電位を確実に制御することができる。
In the electrochemical measurement apparatus according to the present invention, since the sample electrode is provided on the cantilever, the sample electrode can be arranged in the vicinity of the probe in addition to the reference electrode and the counter electrode.
Further, since the sample electrode protrudes to the sample side with respect to the probe, when the cantilever is brought close to the sample by the moving means, the sample electrode can be brought into contact with the sample earlier than the probe to be conductive. . At this time, it is possible to reliably determine whether or not the sample electrode is in contact with the sample by confirming the bending state of the second lever portion. Therefore, the current measuring means can reliably control the potential of the sample via the sample electrode.

特に、探針の近傍に試料電極が配置されているので、試料表面を観察する探針の近傍でのみ電気化学反応を行わせることができる。よって、従来とは異なり、探針による観察を行う前に、観察位置以外での試料の表面状態が電気化学反応により変化してしまうことを防止することができる。その結果、電気化学反応過程における試料の表面形状を正確に観察することができる。   In particular, since the sample electrode is disposed in the vicinity of the probe, an electrochemical reaction can be performed only in the vicinity of the probe for observing the sample surface. Therefore, unlike the conventional case, it is possible to prevent the surface state of the sample other than the observation position from being changed by an electrochemical reaction before the observation with the probe. As a result, the surface shape of the sample in the electrochemical reaction process can be accurately observed.

また、本発明の電気化学測定装置は、上記本発明の電気化学測定装置において、前記探針が、前記電流測定手段に対して電気的に接続されていると共に、前記参照電極の電位を基準として、前記試料電極とは別個に電位が制御可能とされていることを特徴とするものである。   Further, the electrochemical measurement apparatus of the present invention is the electrochemical measurement apparatus of the present invention, wherein the probe is electrically connected to the current measuring means and the potential of the reference electrode is used as a reference. The potential can be controlled separately from the sample electrode.

この発明に係る電気化学測定装置においては、電流測定手段が試料電極に加え、探針の電位も制御しながら、4電極方式で電気化学反応を行うことができる。これにより、例えば、電位がコントロールされていない試料を観察する場合(酸性液の中に金属板がある場合等)、探針が近づくことで、試料表面に意図しない電気化学反応が生じてしまうことを防止できる。このように、探針の電位を制御することで試料表面に影響を与えることなく、高精度な形状観察を行うことができる。更には、観察を行っている際に、試料表面の所望する位置で探針の電位を変化させて、局所的な試料の電気物性変化を測定することもできる。   In the electrochemical measurement apparatus according to the present invention, the electrochemical measurement can be performed by the four-electrode system while the current measuring means controls the potential of the probe in addition to the sample electrode. As a result, for example, when observing a sample whose potential is not controlled (such as when there is a metal plate in an acidic solution), an unintended electrochemical reaction may occur on the sample surface when the probe approaches. Can be prevented. In this way, by controlling the probe potential, it is possible to perform highly accurate shape observation without affecting the sample surface. Furthermore, during observation, the electrical potential of the probe can be changed at a desired position on the sample surface to measure local changes in the electrical properties of the sample.

このように、探針の電位を制御することで、試料表面の形状をより高精度に観察したり、より多角的な観察を行うことができる。なお、探針を第2の作用電極として使用する場合には、試料に対して探針を非接触状態で観察を行う。これにより、試料電極と探針との電位が同一になることを防止することができる。   In this way, by controlling the potential of the probe, the shape of the sample surface can be observed with higher accuracy, and more diverse observations can be performed. When the probe is used as the second working electrode, the sample is observed in a non-contact state with respect to the sample. Thereby, it can prevent that the potential of a sample electrode and a probe becomes the same.

また、本発明の電気化学測定装置は、上記本発明のいずれかの電気化学測定装置において、前記レバー部を前記試料表面に垂直な方向に向けて、所定の周波数で振動させる加振手段を備え、前記変位測定手段が、前記レバー部の振動状態を測定し、前記制御手段が、前記変位測定手段による測定結果に基づいて、前記走査時に前記探針と前記試料との距離を、前記カンチレバーの振動状態が一定となるように前記移動手段を制御することを特徴とするものである。   The electrochemical measurement apparatus of the present invention is the electrochemical measurement apparatus of any one of the present inventions described above, further comprising vibration means for vibrating the lever portion in a direction perpendicular to the sample surface at a predetermined frequency. The displacement measuring means measures the vibration state of the lever portion, and the control means determines the distance between the probe and the sample during the scanning based on the measurement result by the displacement measuring means. The moving means is controlled so that the vibration state is constant.

この発明に係る電気化学測定装置においは、観察を行う際に、加振手段が先端に探針を有するレバー部を、試料表面に垂直な方向に向けて所定の周波数で振動させる。また、変位測定手段が、この時のレバー部の振動状態の測定を行っている。そして、制御手段は、変位測定手段による測定結果に基づいて、レバー部の振動状態(例えば、振動振幅)が一定となるように、探針と試料との間の距離を移動手段によって制御すると共に、この制御量に基づいて、試料表面の形状観察を行う。
このように動的な方法で試料表面の形状観察を行うことで、静的な方法に比べて測定結果の精度をより向上することができる。
In the electrochemical measurement apparatus according to the present invention, when observing, the vibration means vibrates the lever portion having the probe at the tip at a predetermined frequency in the direction perpendicular to the sample surface. Further, the displacement measuring means measures the vibration state of the lever portion at this time. The control means controls the distance between the probe and the sample by the moving means so that the vibration state (for example, vibration amplitude) of the lever portion is constant based on the measurement result by the displacement measurement means. Based on the control amount, the shape of the sample surface is observed.
Thus, by observing the shape of the sample surface by a dynamic method, the accuracy of the measurement result can be further improved as compared with the static method.

この発明に係る電気化学測定装置によれば、試料表面をカンチレバーで走査する際の観察位置や試料の位置等に影響を受けることなく、電気化学反応を正確に制御することができ、電気化学反応過程中における試料表面の観察を高精度に行うことができる。よって、観察結果の信頼性を向上することができる。   According to the electrochemical measurement apparatus according to the present invention, the electrochemical reaction can be accurately controlled without being affected by the observation position or the position of the sample when the sample surface is scanned with the cantilever. The sample surface can be observed with high accuracy during the process. Therefore, the reliability of the observation result can be improved.

以下、本発明に係る電気化学測定装置の第1実施形態について、図1から図4を参照して説明する。なお、本実施形態では、試料として、Au基板を用い、電解液としてCuSO水溶液を用いた場合を例にして説明する。
本実施形態の電気化学測定装置1は、電解液W中で電気化学反応を制御しながら、試料Sの反応過程を観察する装置(電気化学ECAFM)である。
Hereinafter, a first embodiment of an electrochemical measurement apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. In the present embodiment, a case where an Au substrate is used as a sample and a CuSO 4 aqueous solution is used as an electrolytic solution will be described as an example.
The electrochemical measurement apparatus 1 of the present embodiment is an apparatus (electrochemical ECAFM) that observes the reaction process of the sample S while controlling the electrochemical reaction in the electrolytic solution W.

即ち、電気化学測定装置1は、図1に示すように、試料Sを電解液W内に浸漬した状態で収容する液槽(溶液セル)2と、先端に探針3aを有するカンチレバー3と、探針3aとカンチレバー3とを相対的に移動させる移動手段4と、カンチレバー3のレバー部21の撓みを測定する変位測定手段5と、移動手段4を制御する制御手段6と、試料Sに電気的に接触する第1の作用電極(試料電極)7と、電解液W内に浸漬された状態で配置された参照電極8及び対極9と、第1の作用電極7の電位を制御すると共に第1の作用電極7と対極9との間に流れる電流を測定する電流測定手段10とを備えている。   That is, as shown in FIG. 1, the electrochemical measurement apparatus 1 includes a liquid tank (solution cell) 2 that accommodates the sample S in a state of being immersed in the electrolyte W, a cantilever 3 having a probe 3a at the tip, A moving means 4 for relatively moving the probe 3a and the cantilever 3; a displacement measuring means 5 for measuring the deflection of the lever portion 21 of the cantilever 3; a control means 6 for controlling the moving means 4; The first working electrode (sample electrode) 7 that comes into contact with the electrode, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 that are arranged so as to be immersed in the electrolyte W, and the potential of the first working electrode 7 are controlled. Current measuring means 10 for measuring a current flowing between one working electrode 7 and the counter electrode 9.

液槽2は、図1及び図2に示すように、上部が開口した断面コ形状に形成されており、内部に電解液Wを貯留している。試料Sは、この液槽2の底面に載置された状態で収容されている。この際、試料Sは、容易に動かないように液槽2に保持されている。
また、液槽2の底板には、導電性材料で板状に形成された第1の作用電極7が埋め込まれている。この第1の作用電極7は、試料Sの下面に隠れるサイズに形成されており、上面が露出して電解液Wに直接触れないようになっている。また、第1の作用電極7は、バイポテンシオスタット11に対して電気的に接続されており、任意に電位が制御されるようになっている。つまり、第1の作用電極7を介して試料Sの電位を制御できるようになっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the liquid tank 2 is formed in a U-shaped cross section with an upper portion opened, and stores the electrolyte W therein. The sample S is accommodated in a state of being placed on the bottom surface of the liquid tank 2. At this time, the sample S is held in the liquid tank 2 so as not to move easily.
A first working electrode 7 formed in a plate shape with a conductive material is embedded in the bottom plate of the liquid tank 2. The first working electrode 7 is formed in a size that is hidden behind the lower surface of the sample S, so that the upper surface is exposed so as not to directly touch the electrolyte solution W. Moreover, the 1st working electrode 7 is electrically connected with respect to the bipotentiostat 11, and an electric potential is controlled arbitrarily. That is, the potential of the sample S can be controlled via the first working electrode 7.

このように構成された液槽2は、XYZステージ12上に固定されている。このXYZステージ12は、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等からなる圧電素子であり、試料駆動部13から電圧が印加されると、その電圧印加量及び極性に応じて、液槽2を介して試料Sを試料表面S1に平行なXY方向及び試料表面S1に垂直なZ方向の3方向に対して、微小移動させることができるようになっている。これにより、探針3aと試料Sとを、XY方向に相対的に走査させることができると共に、Z方向に相対的に移動させることができるようになっている。即ち、XYZステージ12及び試料駆動部13は、上記移動手段4を構成している。   The liquid tank 2 configured in this way is fixed on the XYZ stage 12. The XYZ stage 12 is, for example, a piezoelectric element made of PZT (lead zirconate titanate) or the like. When a voltage is applied from the sample driving unit 13, the liquid tank 2 is set according to the voltage application amount and polarity. Thus, the sample S can be finely moved in the three directions of the XY direction parallel to the sample surface S1 and the Z direction perpendicular to the sample surface S1. Thereby, the probe 3a and the sample S can be relatively scanned in the XY directions and can be relatively moved in the Z direction. That is, the XYZ stage 12 and the sample driving unit 13 constitute the moving unit 4.

また、XYZステージ12は、防振台14上に固定された筐体15の凹部内に取り付けられている。この筐体15には、カンチレバー3を支持するカンチレバー支持体16が固定されていると共に、後述するレーザ光源32及びレーザ受光部33が取り付けられるブロック17が固定されている。   Further, the XYZ stage 12 is attached in a recess of the housing 15 fixed on the vibration isolation table 14. A cantilever support 16 that supports the cantilever 3 is fixed to the casing 15, and a block 17 to which a laser light source 32 and a laser light receiving unit 33 to be described later are attached is fixed.

カンチレバー3は、図3に示すように、例えばシリコン支持層20a、SiOからなる酸化層20b及びシリコン活性層20cの3層を熱的に貼り合わせたSOI基板から形成されており、先端に探針3aを有するレバー部21と、該レバー部21の基端側を片持ち状に支持する土台(支持部)22とを備えている。
また、本実施形態のカンチレバー3は、探針3aと共に参照電極8及び対極9をレバー部21の先端に備えている。これにより参照電極8及び対極9が、探針3aの近傍に配置されている。
As shown in FIG. 3, the cantilever 3 is formed from an SOI substrate in which, for example, three layers of a silicon support layer 20a, an oxide layer 20b made of SiO 2 and a silicon active layer 20c are thermally bonded together, and the probe is formed at the tip. The lever part 21 which has the needle | hook 3a and the base (support part) 22 which supports the base end side of this lever part 21 in a cantilever form are provided.
Further, the cantilever 3 of the present embodiment includes the reference electrode 8 and the counter electrode 9 at the tip of the lever portion 21 together with the probe 3a. Thereby, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 are arrange | positioned in the vicinity of the probe 3a.

より具体的には、図4に示すように、探針3aが形成されたレバー部21の上面全体には、酸化層20bと同様にSiOからなる絶縁膜23が被膜されていると共に、該絶縁膜23上に各種の金属材料からなる導電性膜24がパターニングされている。この導電性膜24は、図3に示すように、土台22側からレバー部21の先端側に亘って長手方向に2本形成されており、土台22側の一端が外部接続端子25となり、レバー部21側の他端が参照電極8及び対極9として機能するようになっている。
また、この導電性膜24上には、外部接続端子25、参照電極8及び対極9を除く領域において、さらにSiOからなる絶縁膜26が被膜されている。これにより、外部接続端子25、参照電極8及び対極9を除く部分が、電解液Wに直接触れないようになっている。
More specifically, as shown in FIG. 4, the entire upper surface of the lever portion 21 on which the probe 3a is formed is coated with an insulating film 23 made of SiO 2 like the oxide layer 20b. A conductive film 24 made of various metal materials is patterned on the insulating film 23. As shown in FIG. 3, two conductive films 24 are formed in the longitudinal direction from the base 22 side to the distal end side of the lever portion 21, and one end on the base 22 side serves as an external connection terminal 25. The other end on the part 21 side functions as the reference electrode 8 and the counter electrode 9.
Further, an insulating film 26 made of SiO 2 is further coated on the conductive film 24 in a region excluding the external connection terminal 25, the reference electrode 8 and the counter electrode 9. As a result, portions other than the external connection terminal 25, the reference electrode 8, and the counter electrode 9 are prevented from directly touching the electrolytic solution W.

なお、図3においては、絶縁膜23、26の図示を省略している。また、参照電極8としては、例えばECAFMでよく使用されるAu、AgやPt電極、対極9としては、例えばPt電極となるように導電性膜24の材料をそれぞれ選択している。   In FIG. 3, the insulating films 23 and 26 are not shown. In addition, as the reference electrode 8, for example, an Au, Ag, or Pt electrode often used in ECAFM, and as the counter electrode 9, a material of the conductive film 24 is selected so as to be, for example, a Pt electrode.

このように構成されたカンチレバー3は、図1及び図2に示すように、電解液Wに浸漬された状態で試料Sに対向配置されるように、カンチレバーホルダ30を介してカンチレバー支持体16に固定されている。また、このカンチレバー支持体16には、光学的に透明な材料で形成され、後述するレーザ光源32から照射されたレーザ光Lをカンチレバー3の裏面側に形成された図示しない反射面に導く光透過部31が取り付けられている。また、この光透過部31は、反射面にレーザ光Lを導くだけでなく、反射面で反射したレーザ光Lをレーザ受光部33にまで導くようにもなっている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the cantilever 3 configured in this manner is placed on the cantilever support 16 via the cantilever holder 30 so as to be opposed to the sample S while being immersed in the electrolytic solution W. It is fixed. Further, the cantilever support 16 is formed of an optically transparent material, and transmits light that guides laser light L emitted from a laser light source 32 described later to a reflection surface (not shown) formed on the back side of the cantilever 3. Part 31 is attached. In addition, the light transmitting portion 31 not only guides the laser light L to the reflecting surface but also guides the laser light L reflected by the reflecting surface to the laser light receiving portion 33.

また、ブロック17の上面には、光透過部31の略真上に当たる位置に、光透過部31を介してカンチレバー3の反射面にレーザ光Lを照射するレーザ光源32が取り付けられていると共に、反射面で反射されて光透過部31を通過したレーザ光Lを受光するレーザ受光部33が取り付けられている。
レーザ受光部33は、例えば、フォトディテクタであり、レーザ光Lの入射位置に基づいて、レバー部21の撓み変化を検出している。そして、レーザ受光部33は、検出したレバー部21の撓み変化をDIF信号としてプリアンプ34に出力している。
即ち、これら光透過部31、レーザ光源32、レーザ受光部33は、上記変位測定手段5を構成している。
A laser light source 32 for irradiating the reflecting surface of the cantilever 3 with the laser light L via the light transmitting portion 31 is attached to the upper surface of the block 17 at a position substantially directly above the light transmitting portion 31. A laser receiving unit 33 that receives the laser light L reflected by the reflecting surface and passed through the light transmitting unit 31 is attached.
The laser light receiving unit 33 is, for example, a photodetector, and detects a change in the bending of the lever unit 21 based on the incident position of the laser light L. Then, the laser light receiving unit 33 outputs the detected change in the bending of the lever unit 21 to the preamplifier 34 as a DIF signal.
That is, the light transmitting part 31, the laser light source 32, and the laser light receiving part 33 constitute the displacement measuring means 5.

また、プリアンプ34に出力されされたDIF信号は、該プリアンプ34によって増幅された後、交流−直流変換回路35によって直流変換され、Z電圧フィードバック回路36に送られる。Z電圧フィードバック回路36は、直流変換されたDIF信号が常に一定となるように、試料駆動部13をフィードバック制御する。これにより、移動手段4により走査を行ったときに、探針3aと試料表面S1との距離を、レバー部21の撓みが一定となるように制御することができる。これらプリアンプ34、交流−直流変換回路35及びZ電圧フィードバック回路36は、AFM測定系37を構成している。   The DIF signal output to the preamplifier 34 is amplified by the preamplifier 34, then converted into DC by the AC-DC conversion circuit 35, and sent to the Z voltage feedback circuit 36. The Z voltage feedback circuit 36 feedback-controls the sample driving unit 13 so that the DC-converted DIF signal is always constant. Thereby, when scanning is performed by the moving means 4, the distance between the probe 3a and the sample surface S1 can be controlled so that the bending of the lever portion 21 is constant. The preamplifier 34, the AC-DC conversion circuit 35, and the Z voltage feedback circuit 36 constitute an AFM measurement system 37.

また、このAFM測定系37には、パーソナルコンピュータ等の制御部38が接続されており、該制御部38がZ電圧フィードバック回路36によるフィードバック信号に基づいて、試料Sの表面形状を測定したり、位相の変化を検出して各種の物性情報(例えば、電位分布等)を測定することができるようになっている。なお、制御部38は、測定した表面形状観察結果を、図示しないモニタ等に出力している。
これら制御部38及びAFM測定系37は、上記制御手段6を構成している。なお、制御手段6は、後述する構成品を含め全ての構成品を総合的に制御する機能を有している。
The AFM measurement system 37 is connected to a control unit 38 such as a personal computer, and the control unit 38 measures the surface shape of the sample S based on the feedback signal from the Z voltage feedback circuit 36. Various physical property information (for example, potential distribution) can be measured by detecting a change in phase. The control unit 38 outputs the measured surface shape observation result to a monitor (not shown) or the like.
The control unit 38 and the AFM measurement system 37 constitute the control means 6. The control means 6 has a function of comprehensively controlling all the components including the components described later.

ここで、カンチレバー3の土台22に設けられた外部接続端子25は、第1の作用電極7と同様に、バイポテンシオスタット11に電気的に接続されている。バイポテンシオスタット11は、参照電極8の電位を基準として、第1の作用電極7の電位を制御している。また、電気化学測定系39は、参照電極8の電位を基準として、第1の作用電極7と対極9との間に流れる電流を測定するようになっている。つまり、バイポテンシオスタット11及び電気化学測定系39は、上記電流測定手段10を構成している。
なお、電気化学測定系39は、測定した電流値を制御部38に出力する。そして、制御部38は、送られた電流値から電気化学反応測定結果として、図示しないモニタ等に出力している。
Here, the external connection terminal 25 provided on the base 22 of the cantilever 3 is electrically connected to the bipotentiostat 11 in the same manner as the first working electrode 7. The bipotentiostat 11 controls the potential of the first working electrode 7 based on the potential of the reference electrode 8. The electrochemical measurement system 39 measures the current flowing between the first working electrode 7 and the counter electrode 9 with reference to the potential of the reference electrode 8. That is, the bipotentiostat 11 and the electrochemical measurement system 39 constitute the current measuring means 10.
The electrochemical measurement system 39 outputs the measured current value to the control unit 38. And the control part 38 is output to the monitor etc. which are not shown in figure as an electrochemical reaction measurement result from the sent electric current value.

次に、このように構成された電気化学測定装置1により、第1の作用電極7、参照電極8及び対極9を利用した3点電極方式で、電気化学反応を制御しながら試料Sの反応過程を観察する場合について説明する。
まず、電解液Wが貯留された液槽2内に試料Sをセットした後、レーザ光源32及びレーザ受光部33の位置を調整する。即ち、レーザ光源32から照射したレーザ光Lが、光透過部31を通過してカンチレバー3の反射面で反射し、再度光透過部31を通ってレーザ受光部33に確実に入射するように位置調整を行う。
Next, the reaction process of the sample S is controlled by controlling the electrochemical reaction by the three-point electrode method using the first working electrode 7, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 by the electrochemical measuring apparatus 1 configured as above. The case of observing will be described.
First, after setting the sample S in the liquid tank 2 in which the electrolytic solution W is stored, the positions of the laser light source 32 and the laser light receiving unit 33 are adjusted. That is, the laser light L emitted from the laser light source 32 passes through the light transmission part 31, is reflected by the reflection surface of the cantilever 3, and again enters the laser light receiving part 33 through the light transmission part 31 without fail. Make adjustments.

次いで、移動手段4により試料Sを3次元方向に微小移動させる。また、この際、レーザ光源32からカンチレバー3の反射面に向けてレーザ光Lを照射させ、反射面で反射したレーザ光Lをレーザ受光部33で検出しておく。この状態で試料表面S1と探針3aとが接触すると、試料Sに探針3aが押されてレバー部21が若干撓む。これにより、反射面で反射するレーザ光Lの角度が変化して、レーザ受光部33に入射するレーザ光Lの入射位置が変化する。従って、試料表面S1と探針3aとが接触したことを確実に判断することができる。   Next, the moving unit 4 minutely moves the sample S in the three-dimensional direction. At this time, the laser light L is irradiated from the laser light source 32 toward the reflection surface of the cantilever 3, and the laser light L reflected by the reflection surface is detected by the laser light receiving unit 33. When the sample surface S1 and the probe 3a come into contact with each other in this state, the probe 3a is pushed by the sample S and the lever portion 21 is slightly bent. As a result, the angle of the laser light L reflected by the reflecting surface changes, and the incident position of the laser light L incident on the laser light receiving unit 33 changes. Therefore, it can be reliably determined that the sample surface S1 and the probe 3a are in contact with each other.

次に、バイポテンシオスタット11が、参照電極8の電位を基準として、第1の作用電極7、即ち、試料Sの電位を制御する。これにより、試料表面S1と対極9との間に電流が流れて試料表面S1に電気化学反応が生じ、例えば、試料S上にCu等が析出する。また、電気化学測定系39は、このときの電流の測定を行っている。
一方、この電気化学反応と同時に、移動手段4により探針3aと試料SとをXY方向に走査させて、探針3aで電気化学反応が起きている試料表面S1上の走査を行う。即ち、レバー部21の撓みが一定となるようにフィードバック制御した状態で、走査を行う。この際、電気化学反応に起因した試料表面S1の凹凸に応じて、レバー部21が撓もうとするので、レーザ受光部33に入射するレーザ光L(反射面で反射したレーザ光)の振幅が異なる。
Next, the bipotentiostat 11 controls the potential of the first working electrode 7, that is, the sample S, based on the potential of the reference electrode 8. As a result, an electric current flows between the sample surface S1 and the counter electrode 9 to cause an electrochemical reaction on the sample surface S1. For example, Cu or the like is deposited on the sample S. The electrochemical measurement system 39 measures the current at this time.
On the other hand, simultaneously with this electrochemical reaction, the probe 3a and the sample S are scanned in the X and Y directions by the moving means 4, and scanning is performed on the sample surface S1 where the electrochemical reaction is occurring with the probe 3a. That is, scanning is performed in a state where feedback control is performed so that the bending of the lever portion 21 is constant. At this time, since the lever portion 21 tends to bend according to the unevenness of the sample surface S1 due to the electrochemical reaction, the amplitude of the laser light L (laser light reflected by the reflecting surface) incident on the laser light receiving portion 33 is increased. Different.

レーザ受光部33は、この振幅に応じたDIF信号をプリアンプ34に出力する。出力されたDIF信号は、プリアンプ34によって増幅されると共に、交流−直流変換回路35によって直流変換された後、Z電圧フィードバック回路36に送られる。
Z電圧フィードバック回路36は、直流変換されたDIF信号が常に一定となるように(つまり、レバー部21の撓みが一定となるように)、試料駆動部13によりXYZステージ12をZ方向に微小移動させて、フィードバック制御を行う。これにより、上述したように試料表面S1と探針3aとの距離を、レバー部21の撓みが一定となるように制御しながら走査することができる。また、制御部38は、Z電圧フィードバック回路36により上下させる信号に基づいて、試料Sの表面形状データを取得することができる。その結果、電気化学反応により、Cu等が析出した試料表面S1の形状観察を行える。
そして、試料Sの表面形状データと、電流測定手段10で測定された測定結果とにより、両者を相関付けることができ、電気化学反応による試料Sの反応過程を観察することができる。
The laser light receiving unit 33 outputs a DIF signal corresponding to the amplitude to the preamplifier 34. The output DIF signal is amplified by the preamplifier 34 and DC-converted by the AC-DC converter circuit 35 and then sent to the Z voltage feedback circuit 36.
The Z voltage feedback circuit 36 slightly moves the XYZ stage 12 in the Z direction by the sample driving unit 13 so that the DC-converted DIF signal is always constant (that is, the bending of the lever unit 21 is constant). And perform feedback control. Thereby, as described above, the distance between the sample surface S1 and the probe 3a can be scanned while controlling the bending of the lever portion 21 to be constant. Further, the control unit 38 can acquire the surface shape data of the sample S based on a signal that is moved up and down by the Z voltage feedback circuit 36. As a result, the shape of the sample surface S1 on which Cu or the like is deposited can be observed by an electrochemical reaction.
Then, the surface shape data of the sample S and the measurement result measured by the current measuring means 10 can be correlated, and the reaction process of the sample S due to the electrochemical reaction can be observed.

特に、本実施形態の電気化学測定装置1は、カンチレバー3が対極9と参照電極8とを備えており、探針3aの近傍に参照電極8及び対極9が共に配置された一体構造となっている。よって、カンチレバー3を走査させて、試料Sの表面形状を観察する際に、参照電極8及び対極9も探針3aと共に移動する。つまり、探針3aと参照電極8と対極9との相対的な位置関係を変化させることなく、一定の位置関係に維持することができる。
そのため、従来とは異なり、試料表面S1をカンチレバー3で走査する際の観察位置や試料Sの位置等に影響を受けることなく、試料S上の観察位置の電位や電流密度を常に一定にすることができる。また、同様に参照電極8の電位を基準として、観察位置における試料表面S1の電位を常に一定にすることができる。
In particular, in the electrochemical measurement apparatus 1 of the present embodiment, the cantilever 3 includes a counter electrode 9 and a reference electrode 8, and the reference electrode 8 and the counter electrode 9 are both disposed in the vicinity of the probe 3a. Yes. Therefore, when the cantilever 3 is scanned to observe the surface shape of the sample S, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 also move together with the probe 3a. That is, it is possible to maintain a constant positional relationship without changing the relative positional relationship among the probe 3a, the reference electrode 8, and the counter electrode 9.
Therefore, unlike the conventional case, the potential and current density at the observation position on the sample S are always made constant without being affected by the observation position when the sample surface S1 is scanned with the cantilever 3 or the position of the sample S. Can do. Similarly, the potential of the sample surface S1 at the observation position can always be kept constant with the potential of the reference electrode 8 as a reference.

その結果、試料表面S1をカンチレバー3で走査する際の観察位置や試料Sの位置等に影響を受けることなく、電気化学反応を正確に制御することができる。従って、電気化学反応過程中における試料表面S1の観察を高精度に行うことができ、観察結果の信頼性を向上することができる。   As a result, the electrochemical reaction can be accurately controlled without being affected by the observation position when the sample surface S1 is scanned with the cantilever 3, the position of the sample S, and the like. Therefore, the sample surface S1 can be observed with high accuracy during the electrochemical reaction process, and the reliability of the observation result can be improved.

特に、本実施形態では、探針3a、参照電極8及び対極9は、共に同じレバー部21に設けられているので、探針3aと参照電極8と対極9とが確実に近接した状態となっている。従って、上述した作用効果がより顕著なものとなる。また、同じレバー部21に、探針3aと参照電極8と対極9とを、一度に作りこむことができるので、カンチレバー3を製造し易い。   In particular, in the present embodiment, since the probe 3a, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 are all provided on the same lever portion 21, the probe 3a, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 are surely in close proximity. ing. Therefore, the above-described operational effects become more prominent. Further, since the probe 3a, the reference electrode 8 and the counter electrode 9 can be formed on the same lever portion 21 at a time, the cantilever 3 can be easily manufactured.

次に、本発明に係る電気化学測定装置の第2実施形態を、図5から図7を参照して説明する。なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、第1の作用電極7、参照電極8及び対極9の電位を制御しながら、電気化学反応を行う3電極方式であったが、第2実施形態の電気化学測定装置40は、探針3aがバイポテンシオスタット11に電気的に接続されており、第1の作用電極7に加え、探針3aの電位も制御しながら4電極方式で電気化学反応を制御する点である。
Next, a second embodiment of the electrochemical measurement apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the first embodiment is a three-electrode system that performs an electrochemical reaction while controlling the potentials of the first working electrode 7, the reference electrode 8, and the counter electrode 9. However, in the electrochemical measuring apparatus 40 of the second embodiment, the probe 3a is electrically connected to the bipotentiostat 11, and the potential of the probe 3a is controlled in addition to the first working electrode 7. However, the electrochemical reaction is controlled by a four-electrode system.

即ち、本実施形態の電気化学測定装置40のカンチレバー41は、図5から図7に示すように、探針3aが参照電極8及び対極9と同様に、土台22側まで延びると共に外部に電気的接続可能な導電性膜24に電気的接続されている。この導電性膜24は、参照電極8と対極9との間を通るようにレバー部21の中心に沿って形成され、一端側が探針3aに電気的接続されていると共に、他端側が外部接続端子25に電気的に接続されている。また、この導電性膜24は、探針3aの周囲及び外部接続端子25を除く部分が、絶縁膜26によって被膜されている。
なお、図6では、絶縁膜23、26の図示を省略している。
That is, in the cantilever 41 of the electrochemical measuring device 40 of the present embodiment, the probe 3a extends to the base 22 side as well as the reference electrode 8 and the counter electrode 9, as shown in FIGS. It is electrically connected to a connectable conductive film 24. The conductive film 24 is formed along the center of the lever portion 21 so as to pass between the reference electrode 8 and the counter electrode 9, and one end side is electrically connected to the probe 3 a and the other end side is externally connected. The terminal 25 is electrically connected. In addition, the conductive film 24 is covered with an insulating film 26 around the probe 3 a and a portion excluding the external connection terminal 25.
In FIG. 6, the insulating films 23 and 26 are not shown.

また、外部接続端子25は、図示しないワイヤを介してバイポテンシオスタット11に電気的に接続されている。そして、バイポテンシオスタット11は、参照電極8の電位を基準として、第1の作用電極7とは別個に、探針3aの電位を制御できるようになっている。即ち、この探針3aは、第2の作用電極として機能する。   The external connection terminal 25 is electrically connected to the bipotentiostat 11 through a wire (not shown). The bipotentiostat 11 can control the potential of the probe 3 a separately from the first working electrode 7 on the basis of the potential of the reference electrode 8. That is, the probe 3a functions as a second working electrode.

このように構成された電気化学測定装置40によれば、探針3aの電位も制御しながら、4電極方式で電気化学反応を行わせることができるので、例えば、電位がコントロールされていない試料Sを観察する場合、探針3aが近づくことで、試料表面S1に意図しない電気化学反応が生じてしまうことを防止できる。このように、探針3aの電位を制御することで、試料表面S1に影響を与えることなく、高精度な形状観察を行うことができる。更には、観察を行っている際に、試料表面S1の所望する位置で探針3aの電位を変化させて、局所的な試料Sの電気物性変化を測定することも可能である。
このように、探針3aの電位を制御することで、試料表面S1の形状をより高精度に観察したり、より多角的な観察を行うことができる。
According to the electrochemical measuring apparatus 40 configured in this manner, an electrochemical reaction can be performed in a four-electrode system while controlling the potential of the probe 3a. For example, the sample S in which the potential is not controlled. When the probe 3a is observed, it is possible to prevent an unintended electrochemical reaction from occurring on the sample surface S1 by approaching the probe 3a. In this way, by controlling the potential of the probe 3a, it is possible to perform highly accurate shape observation without affecting the sample surface S1. Furthermore, it is also possible to measure the local change in electrical properties of the sample S by changing the potential of the probe 3a at a desired position on the sample surface S1 during observation.
In this way, by controlling the potential of the probe 3a, the shape of the sample surface S1 can be observed with higher accuracy, or more diversified observations can be performed.

次に、本発明に係る電気化学測定装置の第3実施形態を、図8を参照して説明する。なお、この第3実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第3実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、第1の作用電極7が試料Sの下に隠れるように筐体15に設けられていたのに対し、第3実施形態の電気化学測定装置は、カンチレバーと第1の作用電極とが一体的に構成されている点である。
Next, a third embodiment of the electrochemical measurement apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The difference between the third embodiment and the first embodiment is that, in the first embodiment, the first working electrode 7 is provided in the housing 15 so as to be hidden under the sample S. The electrochemical measurement device of the embodiment is that the cantilever and the first working electrode are integrally configured.

即ち、本実施形態の電気化学測定装置は、図8に示すように、カンチレバー50が、レバー部21と平行になるように基端側が土台22に片持ち状に支持された第2のレバー部51と、該第2のレバー部51の撓みを測定するピエゾ抵抗素子(撓み測定部)52とを備えている。
第2のレバー部51は、例えば、レバー部21と同じ厚みで同じ長さだけ突出するように形成されている。ピエゾ抵抗素子52は、SOI基板にイオン注入法や拡散法等により不純物が注入されて形成されたものであり、第2のレバー部51の撓みに応じて抵抗値が変化するようになっている。また、このピエゾ抵抗素子52は、図示しない配線を介して制御部38に電気的に接続されていると共に、バイアス電圧が印加されるようになっている。そして、ピエゾ抵抗素子52は、第2のレバー部51の撓み量に応じてレベル変化する電気的信号を出力信号として制御部38に出力する。これにより、制御部38は、第2のレバー部51の撓み具合を判断できるようになっている。
That is, as shown in FIG. 8, the electrochemical measuring apparatus according to the present embodiment has a second lever portion whose cantilever 50 is supported by the base 22 in a cantilevered manner so that the cantilever 50 is parallel to the lever portion 21. 51 and a piezoresistive element (deflection measuring unit) 52 for measuring the bending of the second lever portion 51.
For example, the second lever portion 51 is formed so as to protrude by the same length and the same thickness as the lever portion 21. The piezoresistive element 52 is formed by implanting impurities into an SOI substrate by an ion implantation method, a diffusion method, or the like, and its resistance value changes according to the bending of the second lever portion 51. . The piezoresistive element 52 is electrically connected to the control unit 38 via a wiring (not shown), and a bias voltage is applied. Then, the piezoresistive element 52 outputs an electrical signal that changes in level according to the amount of deflection of the second lever portion 51 to the control unit 38 as an output signal. Thereby, the control part 38 can judge the bending condition of the 2nd lever part 51. FIG.

また、第2のレバー部51の先端には、第1の作用電極(試料電極)53が探針3aよりも突出した状態で設けられている。この第1の作用電極53は、参照電極8及び対極9と同様に、土台22側まで延びると共に外部に電気的接続可能な導電性膜54に電気的接続されている。この導電性膜54は、第2のレバー部51の中心に沿って形成され、一端側が第1の作用電極53に電気的接続されていると共に、他端側が外部接続端子55に電気的に接続されている。また、探針3aの周囲及び外部接続端子55を除く領域上には、図示しない絶縁膜が被膜されている。また、外部接続端子55は、図示しないワイヤを介してバイポテンシオスタット11に電気的に接続されている。これにより、第1の作用電極53は、バイポテンシオスタット11によって電位が制御されるようになっている。   A first working electrode (sample electrode) 53 is provided at the tip of the second lever portion 51 so as to protrude from the probe 3a. Similar to the reference electrode 8 and the counter electrode 9, the first working electrode 53 is electrically connected to a conductive film 54 that extends to the base 22 side and can be electrically connected to the outside. The conductive film 54 is formed along the center of the second lever portion 51, and one end side is electrically connected to the first working electrode 53 and the other end side is electrically connected to the external connection terminal 55. Has been. In addition, an insulating film (not shown) is coated on the periphery of the probe 3a and the region excluding the external connection terminal 55. The external connection terminal 55 is electrically connected to the bipotentiostat 11 via a wire (not shown). Thereby, the potential of the first working electrode 53 is controlled by the bipotentiostat 11.

上述したように、本実施形態の電気化学測定装置は、カンチレバー50と第1の作用電極53とが一体的に形成されているので、探針3aの近傍に、参照電極8及び対極9に加え、第1の作用電極53も配置された状態となっている。   As described above, in the electrochemical measurement device of this embodiment, the cantilever 50 and the first working electrode 53 are integrally formed, so that the reference electrode 8 and the counter electrode 9 are added in the vicinity of the probe 3a. The first working electrode 53 is also disposed.

このように構成されたカンチレバー50を有する電気化学測定装置においては、まず、移動手段4によりカンチレバー50と試料Sとを近づける際に、第1の作用電極53が探針3aよりも試料S側に向けて突出しているので、探針3aよりも先に第1の作用電極53が試料Sに接触して導通をとることができる。この際、ピエゾ抵抗素子52から出力された電気信号により、第1の作用電極53が試料Sに接触して撓み、確実に接触したか否かを確実に判断することができる。従って、バイポテンシオスタット11は、第1の作用電極53を介して試料Sの電位を確実に制御することができる。   In the electrochemical measuring apparatus having the cantilever 50 configured as described above, first, when the cantilever 50 and the sample S are brought close to each other by the moving means 4, the first working electrode 53 is closer to the sample S than the probe 3a. Therefore, the first working electrode 53 can be brought into contact with the sample S before the probe 3a to establish conduction. At this time, based on the electrical signal output from the piezoresistive element 52, it is possible to reliably determine whether or not the first working electrode 53 is in contact with the sample S and is bent. Therefore, the bipotentiostat 11 can reliably control the potential of the sample S via the first working electrode 53.

その後、第1実施形態と同様に、走査を行って電気化学反応過程における試料Sの表面状態の観察を行う。特に、探針3aの近傍に第1の作用電極53が配置されているので、試料表面S1を観察する探針3aの近傍でのみ電気化学反応を行わせることができる。よって、従来と異なり、探針3aによる観察を行う前に、観察位置以外での試料Sの表面状態が電気化学反応により変化してしまうことを防止することができる。その結果、電気化学反応過程における試料Sの表面形状を正確に観察することができる。   Thereafter, similarly to the first embodiment, scanning is performed to observe the surface state of the sample S in the electrochemical reaction process. In particular, since the first working electrode 53 is disposed in the vicinity of the probe 3a, an electrochemical reaction can be performed only in the vicinity of the probe 3a for observing the sample surface S1. Therefore, unlike the conventional case, it is possible to prevent the surface state of the sample S other than the observation position from being changed by an electrochemical reaction before the observation with the probe 3a. As a result, the surface shape of the sample S in the electrochemical reaction process can be accurately observed.

次に、本発明に係る電気化学測定装置の第4実施形態を、図9を参照して説明する。なお、この第4実施形態においては、第2実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第4実施形態と第2実施形態との異なる点は、第2実施形態では、第1の作用電極7が試料Sの下に隠れるように筐体15に設けられていたのに対し、第4実施形態の電気化学測定装置は、カンチレバーと第1の作用電極とが一体的に構成されている点である。
Next, a fourth embodiment of the electrochemical measurement apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, the same components as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The difference between the fourth embodiment and the second embodiment is that, in the second embodiment, the first working electrode 7 is provided in the housing 15 so as to be hidden under the sample S. The electrochemical measurement device of the embodiment is that the cantilever and the first working electrode are integrally configured.

即ち、本実施形態の電気化学測定装置のカンチレバー60は、図9に示すように、第3実施形態と同様に、レバー部21と平行になるように基端側が土台22に片持ち状に支持された第2のレバー部51と、該第2のレバー部51の撓みを測定するピエゾ抵抗素子52とを備えている。そして、この第2のレバー部51に、第3実施形態と同様に第1の作用電極53、導電性膜54及び外部接続端子55が設けられている。   That is, as shown in FIG. 9, the cantilever 60 of the electrochemical measuring device of this embodiment is supported in a cantilevered manner on the base 22 so that the base end side is parallel to the lever portion 21 as in the third embodiment. The second lever portion 51 is provided, and a piezoresistive element 52 that measures the deflection of the second lever portion 51. The second lever portion 51 is provided with a first working electrode 53, a conductive film 54, and an external connection terminal 55 as in the third embodiment.

このように構成されたカンチレバー60を有する電気化学測定装置においては、4点電極方式により電気化学反応を制御する場合、まず、第3実施形態と同様の方法により、ピエゾ抵抗素子52から出力された電気信号に基づいて、第1の作用電極53と試料Sとを確実に接触させる。この際、探針3aと試料Sとを、非接触状態にしておく。これにより、試料Sを介して探針3aと第1の作用電極53とが同電位になることを防止することができる。   In the electrochemical measuring apparatus having the cantilever 60 configured as described above, when the electrochemical reaction is controlled by the four-point electrode method, first, the signal is output from the piezoresistive element 52 by the same method as in the third embodiment. Based on the electrical signal, the first working electrode 53 and the sample S are reliably brought into contact with each other. At this time, the probe 3a and the sample S are kept in a non-contact state. Thereby, it is possible to prevent the probe 3a and the first working electrode 53 from having the same potential through the sample S.

その後、参照電極8の電位を基準として、探針3a及び第1の作用電極の電位をそれぞれ制御して、4電極方式により電気化学反応を行わせる。特に、探針3aの近傍に第1の作用電極53が配置されているので、第3実施形態と同様に、試料表面S1を観察する探針3aの近傍でのみ電気化学反応を行わせることができる。その結果、電気化学反応過程における試料Sの表面形状をより正確に観察することができる。
なお、探針3aの電位制御を行わない場合には、探針3aと試料Sと接触させて、3点電極方式により試料Sの観察を行うことも可能である。
Thereafter, using the potential of the reference electrode 8 as a reference, the potentials of the probe 3a and the first working electrode are controlled to cause an electrochemical reaction by a four-electrode system. In particular, since the first working electrode 53 is disposed in the vicinity of the probe 3a, the electrochemical reaction can be performed only in the vicinity of the probe 3a for observing the sample surface S1, as in the third embodiment. it can. As a result, the surface shape of the sample S in the electrochemical reaction process can be observed more accurately.
When the potential control of the probe 3a is not performed, the sample S can be observed by the three-point electrode method by contacting the probe 3a and the sample S.

なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。   The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、上記各実施形態では、探針が形成されているレバー部に、参照電極及び対極を設けた構成にしたが、この場合に限られるものではなく、例えば、参照電極及び対極をそれぞれ別々に先端に有する専用のレバー部を設け、これらレバー部を土台で片持ち状に支持するように構成しても構わない。この場合においても、探針の近傍に参照電極及び対極が配置されるので、同様の作用効果を奏することができる。   For example, in each of the embodiments described above, the lever portion where the probe is formed is provided with the reference electrode and the counter electrode. However, the present invention is not limited to this case. For example, the reference electrode and the counter electrode are separately provided. A dedicated lever portion provided at the tip may be provided, and these lever portions may be supported in a cantilevered manner by a base. Even in this case, since the reference electrode and the counter electrode are disposed in the vicinity of the probe, the same operational effects can be achieved.

また、上記各実施形態では、変位測定手段が、レーザ光を利用した光てこ方式によりレバー部の撓みを測定したが、光てこ方式に限定されるものではない。例えば、レバー部自身に変位検出機構(例えば、ピエゾ抵抗素子等)を設けた自己検知方式によりレバー部の撓みを測定するように構成しても構わない。   In each of the above embodiments, the displacement measuring unit measures the deflection of the lever portion by an optical lever method using laser light, but the invention is not limited to the optical lever method. For example, you may comprise so that the bending of a lever part may be measured by the self-detection system which provided the displacement detection mechanism (for example, piezoresistive element etc.) in the lever part itself.

また、上記各実施形態において、試料の表面形状の観察を行う際に、振動モードSPMの1つであるDFMで測定するように構成しても構わない。
即ち、この場合には、図10に示すように、カンチレバーホルダ30と土台22との間に、レバー部21を試料表面S1に垂直なZ方向に向けて、所定の周波数で振動させる加振源(加振手段)70を設ければ良い。また、変位測定手段5は、反射面で反射したレーザ光Lの入射位置から、レバー部21の振動状態の測定を行う。そして、制御部38が、変位測定手段5で測定された測定結果に基づいて、走査時に探針3aと試料Sとの距離を、レバー部21の振動状態が一定となるように、即ち、振動振幅が一定となるように移動手段4を制御するように構成すれば良い。
このように、動的な方法で試料Sの形状観察を行うことで、静的な方法に比べて測定結果の精度をより向上することができる。
Further, in each of the above embodiments, when observing the surface shape of the sample, the measurement may be performed with a DFM which is one of the vibration modes SPM.
That is, in this case, as shown in FIG. 10, an excitation source that vibrates at a predetermined frequency between the cantilever holder 30 and the base 22 in the Z direction perpendicular to the sample surface S1. (Excitation means) 70 may be provided. Further, the displacement measuring means 5 measures the vibration state of the lever portion 21 from the incident position of the laser light L reflected by the reflecting surface. Based on the measurement result measured by the displacement measuring means 5, the control unit 38 sets the distance between the probe 3a and the sample S at the time of scanning so that the vibration state of the lever portion 21 becomes constant, that is, the vibration. What is necessary is just to comprise so that the movement means 4 may be controlled so that an amplitude may become fixed.
Thus, by observing the shape of the sample S by a dynamic method, the accuracy of the measurement result can be further improved as compared to the static method.

また、試料、電解液、参照電極及び対極は、上述したものに限定されるものではなく、適宜変更して構わない。例えば、試料として、HOPG(高配向性熱分解グラファイトを用いても構わない。また、対極としては、銀や白金等を用いても構わない。また、参照電極としては、例えば、濃酸性電解液を用いる場合には水銀/硫酸第一水銀電極、濃アルカリ性電解液を用いる場合には水銀/酸化水銀電極、有機電解液を用いる場合にはリチウム/リチウムイオン電極等を用いても構わない。また、ECAFMでよく使用されるAu、AgやPt電極を用いても構わない。   Further, the sample, the electrolytic solution, the reference electrode, and the counter electrode are not limited to those described above, and may be appropriately changed. For example, HOPG (highly oriented pyrolytic graphite may be used as a sample. Silver, platinum, or the like may be used as a counter electrode. When using a mercury / mercuric sulfate electrode, a mercury / mercury oxide electrode may be used when a concentrated alkaline electrolyte is used, and a lithium / lithium ion electrode may be used when using an organic electrolyte. Au, Ag, or Pt electrodes often used in ECAFM may be used.

本発明に係る電気化学測定装置の第1実施形態を示す構成図である。It is a lineblock diagram showing a 1st embodiment of an electrochemical measuring device concerning the present invention. 図1に示すカンチレバー及び液槽周辺の拡大図である。It is an enlarged view of the cantilever and liquid tank periphery shown in FIG. 図1に示すカンチレバーの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the cantilever shown in FIG. 図3に示す断面矢視A−A図である。FIG. 4 is a cross-sectional arrow view AA shown in FIG. 3. 本発明に係る電気化学測定装置の第2実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the electrochemical measuring apparatus which concerns on this invention. 図5に示すカンチレバーの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the cantilever shown in FIG. 図6に示す断面矢視B−B図である。It is a cross-sectional arrow BB figure shown in FIG. 本発明に係る電気化学測定装置の第3実施形態を示す図であって、電気化学測定装置が有するカンチレバーの斜視図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the electrochemical measuring device which concerns on this invention, Comprising: It is a perspective view of the cantilever which an electrochemical measuring device has. 本発明に係る電気化学測定装置の第4実施形態を示す図であって、電気化学測定装置が有するカンチレバーの斜視図である。It is a figure which shows 4th Embodiment of the electrochemical measuring device which concerns on this invention, Comprising: It is a perspective view of the cantilever which an electrochemical measuring device has. 図3に示すカンチレバーの変形例であって、加振源によりレバー部が所定の周波数で振動するカンチレバーの図である。FIG. 4 is a view of a cantilever that is a modification of the cantilever shown in FIG. 3 and in which a lever portion vibrates at a predetermined frequency by an excitation source. 従来のECAFMの構成を示す一例である。It is an example which shows the structure of the conventional ECAFM.

符号の説明Explanation of symbols

S 試料
S1 試料表面
W 電解液
1、40 電気化学測定装置
2 液槽(溶液セル)
3、41、50、60 カンチレバー
3a 探針
4 移動手段
5 変位測定手段
6 制御手段
7、53 第1の作用電極(試料電極)
8 参照電極
9 対極
10 電流測定手段
21 レバー部
22 土台(支持部)
51 第2のレバー部
52 ピエゾ抵抗素子(撓み測定部)
70 加振源(加振手段)




S sample S1 sample surface W electrolyte
1, 40 Electrochemical measurement device 2 Liquid tank (solution cell)
3, 41, 50, 60 Cantilever 3a Probe 4 Moving means 5 Displacement measuring means 6 Control means 7, 53 First working electrode (sample electrode)
8 Reference electrode 9 Counter electrode 10 Current measurement means 21 Lever part 22 Base (support part)
51 Second lever part 52 Piezoresistive element (deflection measuring part)
70 Excitation source (excitation means)




Claims (4)

電解液中で電気化学反応を制御しながら、試料の反応過程を観察する電気化学測定装置であって、
前記試料を電解液内に浸漬した状態で収容する溶液セルと、
先端に探針を有するレバー部と、該レバー部の基端側を片持ち状に支持する支持部とを有し、前記電解液に浸漬された状態で前記試料に対向配置されたカンチレバーと、
前記探針と前記試料とを、試料表面に平行な方向に相対的に走査させると共に、試料表面に垂直な方向に相対的に移動させる移動手段と、
前記レバー部の撓みを測定する変位測定手段と、
該変位測定手段による測定結果に基づいて、前記走査時に前記探針と前記試料表面との距離を、前記レバー部の撓みが一定となるように前記移動手段を制御すると共に、試料の表面形状データを取得する制御手段と、
前記試料に電気的に接触する試料電極と、
前記探針と共に前記レバー部の先端に設けられ、前記電解液内に浸漬された状態で配された参照電極及び対極と、
前記参照電極の電位を基準として前記試料電極の電位を制御すると共に、試料電極と対極との間に流れる電流を測定する電流測定手段とを備え、
前記カンチレバーが、前記参照電極及び前記対極を備えており、前記探針の近傍に参照電極及び対極が配置され、
前記レバー部には、前記支持部側から先端側に亘って長手方向に延びる2本の導電性膜が同一平面上に形成され、
一方の前記導電性膜のうち前記レバー部の先端側に位置する端部が、前記参照電極とされ、
他方の前記導電性膜のうち前記レバー部の先端側に位置する端部が、前記対極とされていることを特徴とする電気化学測定装置。
An electrochemical measurement device that observes the reaction process of a sample while controlling the electrochemical reaction in an electrolyte solution,
A solution cell containing the sample immersed in an electrolytic solution;
A cantilever having a lever portion having a probe at the tip and a support portion for supporting the base end side of the lever portion in a cantilever manner, and disposed opposite to the sample while being immersed in the electrolytic solution;
Moving the probe and the sample relative to each other in a direction parallel to the sample surface and moving in a direction perpendicular to the sample surface;
A displacement measuring means for measuring the deflection of the lever portion;
Based on the measurement result by the displacement measuring means, the distance between the probe and the sample surface during the scanning is controlled, the moving means is controlled so that the deflection of the lever portion is constant, and the surface shape data of the sample Control means for obtaining
A sample electrode in electrical contact with the sample;
A reference electrode and a counter electrode provided at the tip of the lever portion together with the probe, and arranged in a state of being immersed in the electrolytic solution,
The electric potential of the sample electrode is controlled on the basis of the electric potential of the reference electrode, and current measuring means for measuring the current flowing between the sample electrode and the counter electrode is provided,
The cantilever includes the reference electrode and the counter electrode, and the reference electrode and the counter electrode are disposed in the vicinity of the probe ,
In the lever portion, two conductive films extending in the longitudinal direction from the support portion side to the distal end side are formed on the same plane,
Of the one conductive film, the end located on the tip side of the lever portion is the reference electrode,
An electrochemical measurement apparatus , wherein an end portion of the other conductive film located on a distal end side of the lever portion is the counter electrode .
請求項1に記載の電気化学測定装置において、
前記カンチレバーは、前記レバー部と平行になるように基端側が前記支持部に片持ち状に支持された第2のレバー部と、該第2のレバー部の撓みを測定する撓み測定部とを備え、
前記試料電極が、前記探針よりも前記試料側に突出した状態で、前記第2のレバー部の先端に設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
The electrochemical measurement device according to claim 1,
The cantilever includes a second lever portion whose base end side is supported by the support portion in a cantilever manner so as to be parallel to the lever portion, and a deflection measuring portion that measures the deflection of the second lever portion. Prepared,
The electrochemical measurement apparatus, wherein the sample electrode is provided at a tip of the second lever portion in a state of protruding to the sample side from the probe.
請求項1又2に記載の電気化学測定装置において、
前記探針は、前記電流測定手段に対して電気的に接続されていると共に、前記参照電極の電位を基準として、前記試料電極とは別個に電位が制御可能とされていることを特徴とする電気化学測定装置。
The electrochemical measurement device according to claim 1 or 2 ,
The probe is electrically connected to the current measuring means, and the potential can be controlled separately from the sample electrode based on the potential of the reference electrode. Electrochemical measuring device.
請求項1から3のいずれか1項に記載の電気化学測定装置において、
前記レバー部を前記試料表面に垂直な方向に向けて、所定の周波数で振動させる加振手段を備え、
前記変位測定手段が、前記レバー部の振動状態を測定し、
前記制御手段が、前記変位測定手段による測定結果に基づいて、前記走査時に前記探針と前記試料との距離を、前記カンチレバーの振動状態が一定となるように前記移動手段を制御することを特徴とする電気化学測定装置。
In the electrochemical measuring device according to any one of claims 1 to 3 ,
A vibration means for vibrating the lever portion at a predetermined frequency in a direction perpendicular to the sample surface;
The displacement measuring means measures a vibration state of the lever portion;
The control unit controls the distance between the probe and the sample during the scanning based on the measurement result by the displacement measuring unit, and controls the moving unit so that the vibration state of the cantilever is constant. An electrochemical measuring device.
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