JP5052352B2 - プローブ顕微鏡用スキャナー - Google Patents
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Description
本発明は、米国科学財団(National Science Foundation)による認可番号第NSF−DMR9988640号および第NSF−DMR0080034号、および国立衛生研究所(National Institutes of Health)による認可番号第NCC−1−02037号の下で政府の支援により行われた。政府は本発明に関して所定の権利を有する。
・像の歪み(像がある方向に膨張し、他の方向に収縮する)、
・像の移動、
・像のズーム拡大または縮小時の像中心の変化、
・対象物サイズの不正確な測定、
を招く。しかし、この手法はいかなるセンサーも必要とせず、全てのモデル化をソフトウェアおよびデジタル信号処理装置によって行うことができる。
(1)シー・エフ・クウォーテ(C.F.Quate)ら、「原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope)」,Phys.Rev.Lett.56(1986)930; (2)ディー・ルガー(D.Rugar)ら、「原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope)」,Phys.Today 43(10)(1990)23; (3)「導体と非導体の原子間力顕微鏡による原子解像度(Atomic resolution with the atomic force microscope on conductors and nonconductors)」,J.Vac.Sci.Tech.A6(1988)271; (4)ジー・シッター(G.Schitter)ら、「高速度原子間力顕微鏡のための圧電管スキャナーの堅牢な2DOF制御(Robust 2DOF−control of a piezoelectric tube scanner for high speed atomic force microscopy)」,Proceedings of the American Control Conference,Denver,Co,June4−6,2003,pp.3720; (5)ディー・エイ・ウォルターズ(D.A.Walters)ら、「原子間力顕微鏡のための短い片持ち梁(Scort Cantilever for Atomic Force Microscopy)」,Rev.Sci.Instrum.67(1996)3583; (6)エム・ビー・ビアンニ(M.B.Viani)ら、「単分子の力スペクトルのための小型片持ち梁(Small cantilevers for force spectroscopy of single molecules)」,J.Appl.Phys.86(4)(1999)2258; (7)ティー・アンドー(T.Ando)ら、「生物学的巨大分子研究用の高速度原子間力顕微鏡(A high−speed atomic force microscope for studying biological macromolecules)」,Proc.Natl.Acad.Sci.USA98(22)(2001)12468; (8)ハムフリス(Humphris),エイディーエル・ホッブス・ジェイケイ(ADL,Hobbs,JK)及びメイルズ・エムジェイ(Miles,MJ),「毎秒100フレーム以上可能な超高速走査近接場光学顕微鏡(Ultrahigh−speed scanning near field optical microscopy capable of over 100 frames per second)」,Apl.Phys.Let.2003,83,6−8; (9)ジェイ・ビー・トンプソン(J.B.Thompson)ら、「走査型プローブ顕微鏡の品質評価(Assessing the quality of scanning probe microscope designs)」,Nanotechnology 12(2001)394; (10)ティー・イー・シャッファー(T.E.Schaffer)ら、「小型片持ち梁のための原子間力顕微鏡の検出感度の特性および最適化(Characterization and optimization of the detection seisitivity of an atomic force microscope for small cantilevers)」,Journal of Applied Physics,(84),(No.9)(2001),4661; (11)ティー・イー・シャッファー(T.E.Scaffer)ら、「小型片持ち梁を用いる原子間力顕微鏡(An atomic force microscope using small cantilevers)」,SPIE−The International Society for Optical Engineering,(3009)(1997)48; (12)ティー・イー・シャッファー(T.E.Scaffer)ら、「液体中の振動している原子間力顕微鏡片持ち梁の研究(Studies of vibrating atomic force microscope cantilevers in liquid)」,Journal of Applied Physics,(80)(No.7)(1996)3622。以下の米国特許も参照されたい。米国特許第5,825,020号−「小さな入射ビーム点を生成するための原子間力顕微鏡(Atomic force microscope for generating a small incident beam spot)」、 米国特許第#RE034489号−「任意選択的に交換可能な流体セルを備える原子間力顕微鏡(Atomic force microscope with optional replaceable fluid cell)」、 米国特許第4,800,274号−「高解像度原子間力顕微鏡(High resolution atomic force microscope)」。
前述の刊行物および特許は全て参照により本明細書に組み込まれている。
(フレクシャー連結)
図6は、それぞれスキャナーのx軸およびy軸に沿って配置され、z軸に剛性のある十字構造のプッシュプル型線形圧電素子スタック64、66、および68、70のフレクシャーの概要を示す。スキャナーは、圧電素子と可撓性支持体枠80の間にそれぞれフレクシャー連結具72、74、76、78を有する。圧電素子64は左側(図面において)のx軸に膨張し、圧電素子66は右側x軸に収縮して、両方のy軸フレクシャー76、78の刃ばね(以下に説明する)を曲げさせ、x軸圧電素子スタック64、66の動きによってスキャナーの中心部材82が左へ動くことを可能にする。
図11および12は、それぞれスキャナーのx軸およびy軸に沿って配置され、z軸に剛性のあるベアリングボール連結を用いて、軸に垂直な力から有効に開放されて各軸に沿う動き難さを提供する十字構造線形圧電素子スタック106、110、112のスキャナーのそれぞれ部分断面および概要平面図を示す。中心部材114は中心片を3個のベアリングボールに押し圧する1〜72のネジ116でスキャナーのベースに搭載され、その中の2個、118および120が図11に示される。頂部および底部の平衡z圧電素子122および124は中心片に搭載される。xおよびy圧電素子、それぞれ106、108および110、112は、ベアリングボールを押し圧し、すなわち中心片を押し圧することによって中心部材114を動かす。この手法は、図6〜8に示したフレクシャー設計とは基本的に異なる。フレクシャースキャナーにおいて、xとy圧電素子間の接続および中心部材はxおよびy方向、ならびにz方向に中心部材を支持する。ベアリングボール設計において、z支持は底部の3個のベアリングボールによって与えられる。これは重要なz方向にはるかに高い共鳴周波数(例えば、27kHzとシミュレートされる)をもたらすので、中心部分は良好に支持され、したがって、性能が向上する。
(フレクシャーとベアリングボールの組み合わせ連結)
さらに他の実施形態において、スキャナーの運動質量をさらに低減するために、x、y方向のためのベアリングボール支持体、およびz方向支持のためのフレクシャーの組み合わせが実施される。図14および15は、ベアリングボールとフレクシャー連結具の組み合わせを用いる本発明の他の実施形態によるスキャナーをそれぞれ部分断面と概要平面図で示し、ベアリングボール130は、それぞれスキャナーのx軸およびy軸に沿って配置された十字構造の線形圧電素子スタック132、134、および136、138を連結し、フレクシャー140はz軸に沿って配置された平衡圧電素子スタック対142と144を連結し、z軸のx−y動きからの絶縁と、軸に垂直な力から有効に開放された各軸に沿って剛性のある動き難さを提供する。
(歪み計センサー)
圧電素子の膨張は金属箔歪み計によって測定される。応力が歪み計に加わると、その抵抗が増加する。この小さな効果を測定するために、歪み計は通常図19Aに示すような抵抗ブリッジの1個の作動部品である。歪み計は温度に感受性がある欠点を有する。歪み計の温度が上昇するとその抵抗が変化する。これは圧電素子の膨張の変化を意味する。標準的な歪み計の手法は、歪みを測定せずにブリッジ回路の温度の影響を取り除くダミーの歪み計で1つ以上の抵抗を置き換えることによってこの問題に対処する。しかし、μm規模の圧電素子の膨張では信号変化はさほど大きくない。ブリッジの出力信号は、歪みの変化に起因する歪み計の抵抗のΔR変化について計算することができる。
したがって、歪み計からの出力信号は、
(三角波走査対サイン波走査)
従来の原子間力顕微鏡において、片持ち梁先端に関して、三角波がサンプルの走査に用いられる。次いで、高さおよび偏向情報を時間に対して線形にプロットして、表面上の位置を表すことができる。高速像形成のためには、方向転換点でのスキャナーの加速力が非常に高いので、この手法は非常に望ましくない。三角波は高次のフーリエ成分からなるので、より高次の共鳴が励起される。これは像を大きく歪ませる。高速像形成のためには、サンプルをサイン波で走査して像をプロットするときに非線形性を補償することが好ましい。
Claims (1)
- サンプル保持具と、
前記サンプル保持具に保持されたサンプルに接触するように適応されたプローブと、
筐体と、
前記サンプル保持具と前記筐体との間に連結された移動可能な支持体と、
各々前記筐体に第1の位置で連結する第1の端と、前記移動可能な支持体に、当該第1の位置に離間する第2の位置で連結された第2の端とを有する少なくとも第1及び第2アクチュエーターと、
第2の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第1アクチュエーターの移動を許しながら、第1の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第1アクチュエーターの動きを拘束する、前記第1アクチュエーターと前記移動可能な支持体との間に連結された第1フレクシャーと、
を含む走査型プローブ顕微鏡であって、
前記第1の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第2アクチュエーターの移動を許しながら、前記第2の軸に沿って前記移動可能な支持体に関して前記第2アクチュエーターの動きを拘束する、前記第2アクチュエーターと前記移動可能な支持体との間に連結された第2フレクシャーを更に備え、
前記第1及び第2アクチュエーターは、ベアリングボール連結十字構成アクチュエーターであり、直角な2つの軸に沿って配置され、
前記第1の軸及び前記第2の軸に直角な第3の直角な軸に沿って連結されかつ配置されると共に長手方向が当該第3の直角な軸に一致する複数のロッドばねを、前記第1の軸及び前記第2の軸に沿って配置して構成されたロッドばねフレクシャーを更に備え、
前記ロッドばねフレクシャーは、前記第3の直角な軸に沿って配置された2つの第3のアクチュエーターの間に配置された走査型プローブ顕微鏡。
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