JP6671745B2 - Near-field probe structure and scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、近接場プローブ構造および走査プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a near-field probe structure and a scanning probe microscope.
窒素−空孔複合体中心(NV中心)を含有するナノダイヤモンド粒子やダイヤモンドロッドを用いた光検出磁気共鳴センサーを、走査プローブ顕微鏡装置のプローブ先端に付加することで、ナノスケールでの磁性体や常磁性体単一電子スピンからの漏洩磁場検出が試みられている(非特許文献1、2参照)。 By adding a photodetection magnetic resonance sensor using nanodiamond particles and diamond rods containing a nitrogen-vacancy complex center (NV center) to the probe tip of a scanning probe microscope, nanoscale magnetic materials and Detection of a stray magnetic field from a paramagnetic single electron spin has been attempted (see Non-Patent Documents 1 and 2).
ナノダイヤモンド粒子を用いた光検出磁気共鳴センサーに関連して、ナノダイヤモンド粒子を細胞中に取り込み計測する手法が提案されている(特許文献1参照)。 In connection with a photodetection magnetic resonance sensor using nanodiamond particles, a technique has been proposed in which nanodiamond particles are incorporated into cells and measured (see Patent Document 1).
光ファイバーを用いた近接場プローブが提案されている(特許文献2参照)。 A near-field probe using an optical fiber has been proposed (see Patent Document 2).
NV中心を含有するナノダイヤモンド粒子やダイヤモンドロッドを用いたセンサーにおいて、従来、励起光を対物レンズを介してNV中心に照射し、NV中心からの蛍光を対物レンズを介して集光し検出する、遠視野法による光照射検出技術が用いられている。 Conventionally, in sensors using nanodiamond particles or diamond rods containing an NV center, excitation light is applied to the NV center via an objective lens, and fluorescence from the NV center is collected and detected via the objective lens. Light irradiation detection technology by the far field method is used.
しかしながら、このような技術は、例えば、蛍光検出において対物レンズの集光効率が低い(NAの上限値は1.45程度である)ため全蛍光の1%未満しか検出できない等の課題を有している。 However, such a technique has a problem that, for example, the light collection efficiency of the objective lens is low (the upper limit value of NA is about 1.45) in fluorescence detection, so that less than 1% of total fluorescence can be detected. ing.
本発明の一目的は、NV中心からの蛍光の検出効率を向上できる近接場プローブ構造、およびそれを用いた走査プローブ顕微鏡を提供することである。 An object of the present invention is to provide a near-field probe structure capable of improving the efficiency of detecting fluorescence from the center of an NV, and a scanning probe microscope using the same.
本発明の他の目的は、新規な構造を有する近接場プローブ構造、およびそれを用いた走査プローブ顕微鏡を提供することである。 It is another object of the present invention to provide a near-field probe structure having a novel structure and a scanning probe microscope using the same.
本発明の一観点によれば、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
が提供される。
According to one aspect of the invention,
A diamond member containing a nitrogen-vacancy composite center;
The diamond member so that the center of the nitrogen-vacancy complex is irradiated with excitation light under a near field, and the excitation light can extract fluorescence generated under the near field from the center of the nitrogen-vacancy complex. A light irradiation extraction member fixedly arranged with respect to,
Is provided.
本発明の他の観点によれば、
試料の観察に用いられるプローブ機構と、
前記試料と前記プローブ機構との相対的な位置を制御する走査機構と、
を有し、
前記プローブ機構は、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
を有する、走査プローブ顕微鏡
が提供される。
According to another aspect of the present invention,
A probe mechanism used to observe the sample,
A scanning mechanism for controlling a relative position between the sample and the probe mechanism,
Has,
The probe mechanism,
A diamond member containing a nitrogen-vacancy composite center;
The diamond member so that the center of the nitrogen-vacancy complex is irradiated with excitation light under a near field, and the excitation light can extract fluorescence generated under the near field from the center of the nitrogen-vacancy complex. A light irradiation extraction member fixedly arranged with respect to,
A scanning probe microscope having a near-field probe structure having the following is provided.
効果の一例としては、光照射取出部材により、窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるので、窒素−空孔複合体中心からの蛍光を対物レンズで集光して検出する技術と比べて、蛍光の検出効率を向上できることが挙げられる。 As an example of the effect, since the fluorescence generated under the near field can be extracted from the center of the nitrogen-vacancy complex by the light irradiation extraction member, the fluorescence from the center of the nitrogen-vacancy complex is condensed by the objective lens. As compared with the technique of detecting the fluorescence, the efficiency of detecting the fluorescence can be improved.
本発明の実施形態による走査プローブ顕微鏡(SPM)について説明する。実施形態による走査プローブ顕微鏡は、以下に説明するように、窒素−空孔複合体中心(NV中心)を含有するダイヤモンド部材を用いた近接場プローブ構造を有することを特徴とする。 A scanning probe microscope (SPM) according to an embodiment of the present invention will be described. The scanning probe microscope according to the embodiment has a near-field probe structure using a diamond member containing a nitrogen-vacancy complex center (NV center), as described below.
ここでは、走査プローブ顕微鏡の一例として、周波数変調型原子間力顕微鏡(FM−AFM)を挙げて説明を進める。例示のFM−AFMを、以下単に、AFMと呼ぶこともある。 Here, a description will be given by taking a frequency modulation atomic force microscope (FM-AFM) as an example of the scanning probe microscope. The exemplary FM-AFM may be hereinafter simply referred to as an AFM.
まず、図1および図2を参照して、第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態によるAFM10の全体的な構成例を示す概略図である。図2は、第1実施形態によるAFM10の有する近接場プローブ構造120(第1実施形態による近接場プローブ構造120)の構成例を示す概略図である。
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration example of the
AFM10は、試料20の観察に用いられるプローブ機構100と、試料20とプローブ機構100との相対的な位置を制御する走査機構200とを有する。
The AFM 10 has a
プローブ機構100は、水晶振動子110と、水晶振動子110の先端部に取り付けられた近接場プローブ構造120とを有する。水晶振動子110は、交流電圧源111から印加される交流電圧により所定の周波数で振動する。水晶振動子110としては、例えば音叉型の水晶振動子が用いられ、この場合、水晶振動子110の下側の(試料20側の)脚の先端部に、近接場プローブ構造120が取り付けられる。
The
近接場プローブ構造120の先端部が、試料20と対向するプローブとして用いられる。近接場プローブ構造120について、試料20に向かう側を先端側、その反対側を根元側と呼ぶこととする。
The tip of the near-
第1実施形態による近接場プローブ構造120としては、図2に拡大して示すように、NV中心131を含有するダイヤモンド部材としてのナノダイヤモンド粒子130が、光照射取出部材としての光ファイバープローブ140の先端部に取り付けられた構造体が用いられる。なお、図示の便宜上、図2では、光ファイバープローブ140の先端部のやや側面側にずれた位置にナノダイヤモンド粒子130が取り付けられているような表示となっているが、光ファイバープローブ140の最先端(底面)にナノダイヤモンド粒子130が取り付けられていることが、より好ましい。
In the near-
光ファイバープローブ(第1実施形態における光照射取出部材)140は、先端部の径が後述の励起光311の波長より細くなっている光ファイバーであり、ナノダイヤモンド粒子(第1実施形態におけるダイヤモンド部材)130の含有するNV中心131に近接場下で励起光311を照射し、励起光311によりNV中心131から近接場下で生じた蛍光321を取り出すことができるように、ナノダイヤモンド粒子130に対して固定的に(一定の位置関係で)配置された部材として構成されている。
The optical fiber probe (light irradiation / extraction member in the first embodiment) 140 is an optical fiber having a tip portion whose diameter is smaller than the wavelength of
光ファイバープローブ140としては、例えば市販の光ファイバープローブを用いることができ、例えば、外面にインジウムスズ酸化物(ITO)からなる透明導電膜142が被覆されたものを用いることができる。なお、近接場プローブ構造120の外面に導電性の膜142が形成されていることで、近接場プローブ構造120は、走査型トンネル顕微鏡(STM)のプローブ機構での使用も可能となる。
As the
光ファイバープローブ140のコア141の先端部の径(直径)は、好ましくは100nm以下である。ナノダイヤモンド粒子130の径は、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下であり、例えば20nm〜40nmである。なお、ここで「ナノダイヤモンド粒子130の径」は、ナノダイヤモンド粒子130を取り囲める(内包できる)球のうち最小のものの直径で表す。
The diameter (diameter) of the tip of the
ナノダイヤモンド粒子130の含有するNV中心131は、後述のようなセンサーとして用いられる。ナノダイヤモンド粒子130に複数のNV中心131が含有されていても、センサーとして用いることはできるが、センサーの空間分解能を最良とするためには、ナノダイヤモンド粒子130に単一のNV中心131が含有されていることが好ましい。すなわち、空間分解能の観点からは、センサーとして単一のNV中心131を用いることが最も好ましい。
The
NV中心131は、センサーとしての挙動を安定させるために、ナノダイヤモンド粒子130の先端側の端からの高さ(深さ)として、3nm〜10nmの範囲内に位置していること(例えば5nm程度に位置にしていること)が好ましい。
In order to stabilize the behavior as a sensor, the
光ファイバープローブ140の根元側は、光ファイバー301を介して、光照射検出装置300に接続されている。光照射検出装置300は、励起用レーザ光源310と、蛍光検出器320と、分岐光学系330とを有する。なお、光ファイバー301を、光照射検出装置300の一部として捉えてもよい。また、光照射検出装置300を、AFM10の一部として捉えてもよい。
The base side of the
励起用レーザ光源310は、励起光311として例えば波長532nmの緑色レーザ光を出射する。励起用レーザ光源310から出射された励起光311が、分岐光学系330および光ファイバー301を介して、光ファイバープローブ140に入射する。
The excitation
光ファイバープローブ140に入射した励起光311は、近接場下でNV中心131に照射される。励起光311により、NV中心131からは、近接場下で、蛍光321として波長600nm〜800nmの赤色光が放出される。NV中心131から近接場下で生じた蛍光321は、光ファイバープローブ140により取り出され、光ファイバー301および分岐光学系330を介して、蛍光検出器320に入射する。
The
分岐光学系330は、励起光311を、励起用レーザ光源310側から近接場プローブ構造120側に選択的に伝搬させ、蛍光321を、近接場プローブ構造120側から蛍光検出器320側に選択的に伝搬させる。分岐光学系330は、例えば、ダイクロイックミラーやフィルタ等を用いて構成される。
The branching
蛍光検出器320は、蛍光321の強度等を検出する。蛍光検出器320は、例えばアバランシェフォトダイオード等を用いて構成される。
The
蛍光321の強度は、NV中心131にマイクロ波を照射しながら測定される。このとき、蛍光321の強度は、照射マイクロ波の周波数に依存して変化する。周囲の環境、例えば磁場等の影響を受けない状況では、NV中心131で電子スピン共鳴(ESR)遷移が生じる2.87GHzにおいて、蛍光321の強度スペクトルに落ち込み(ディップ)が観測される。
The intensity of the
照射マイクロ波の周波数に対する蛍光321の強度スペクトル(これを以下単に、蛍光強度スペクトルと呼ぶこともある)は、周囲の環境、例えば磁場等の影響で形状が変化する。つまり、近接場プローブ構造120の先端部に配置されたNV中心131の蛍光強度スペクトルは、試料20の含有する電子スピン21や核スピン22による磁場等の影響により、形状が変化する。すなわち、近接場プローブ構造120の先端部に配置されたNV中心131は、試料20の状態を、蛍光強度スペクトルを介して検出するセンサーとして用いることができる。
The shape of the intensity spectrum of the
例えば、試料20の磁場に起因するゼーマン分裂により、NV中心131の蛍光強度スペクトルには、2箇所のディップが観測されるようになる。また、磁場の大きさに依存して、ディップ間の周波数差が変化する。このように、NV中心131は、磁場センサーとして用いることができる。
For example, due to Zeeman splitting caused by the magnetic field of the
また例えば、試料20の温度に依存して、蛍光強度スペクトルのディップを生じさせる周波数がシフトする。また例えば、試料20の電場に依存して、蛍光強度スペクトルの形状は、磁場の場合と類似の変化を示す。このように、NV中心131は、温度センサーや電場センサーとして用いることもできる。
Further, for example, the frequency at which a dip in the fluorescence intensity spectrum is generated is shifted depending on the temperature of the
蛍光強度スペクトルを取得するためにNV中心131にマイクロ波を照射する手法は、特に制限されない。本例では、試料20の表面上に、マイクロ波23を放出するワイヤ24が載置されており、ワイヤ24が、試料20の外部のマイクロ波源400に接続されている。ワイヤ24としては、例えば、直径30μm程度の銅線が用いられる。なお、マイクロ波源400を、AFM10の一部として捉えてもよい。
The method of irradiating the
磁場印加装置500は、例えばZ方向の静磁場501を印加する。磁場印加装置500により静磁場501を印加可能な装置構成とすることで、測定条件を様々に変えることができ、測定の自由度が高められる。なお、磁場印加装置500を、AFM10の一部として捉えてもよい。
The magnetic
NV中心131のスピンの向きは、ゼーマン分裂の効果を最大にするため、磁場印加装置500から印加される静磁場501の向きと平行であること、つまり、例えばZ方向と平行であることが好ましい。
The spin direction of the
NV中心131のスピンをZ方向と平行とするために、NV中心131のスピンは、光ファイバープローブ140の先端部の延在方向と平行になっていることが好ましい。つまり、NV中心131のスピンが、光ファイバープローブ140の先端部の延在方向と平行になるように、ナノダイヤモンド粒子130が光ファイバープローブ140に取り付けられていることが好ましい。
In order to make the spin of the
走査機構200は、微動ピエゾステージ210と、制御装置220とを有する。微動ピエゾステージ210上に、試料20が載置される。微動ピエゾステージ210は、粗動ピエゾステージ230上に載置され、粗動ピエゾステージ230は、除震台600上に載置されている。
The
粗動ピエゾステージ230は、X方向、Y方向、Z方向(高さ方向)のそれぞれに、例えば5mm程度の可動範囲を有し、試料20の大まかな位置決めに用いられる。微動ピエゾステージ210は、X方向、Y方向、Z方向(高さ方向)のそれぞれに、例えば100μm程度の可動範囲を有し、試料20の精密な位置決めや、観察位置のXY面内での連続的な走査に用いられる。なお、粗動ピエゾステージ230を、走査機構200の一部として捉えてもよい。
The coarse
制御装置220は、粗動ピエゾステージ230および微動ピエゾステージ210を制御し、試料20の位置を制御する。また、制御装置220は、XY面内での連続的な走査中に、プローブ機構100と試料20とのZ方向(高さ方向)の位置関係変化に伴う、水晶振動子110の振動周波数の変化を検出し、水晶振動子110の振動周波数を一定とする試料20の高さとなるように、Z方向について微動ピエゾステージ210をフィードバック制御する。
The
次に、第1実施形態による近接場プローブ構造120の作製方法の一例について説明する。近接場プローブ構造120に取り付けられる候補となる複数のナノダイヤモンド粒子が、支持基材上に分散配置された材料を準備する。この材料の各ナノダイヤモンド粒子に対し、蛍光強度スペクトルを測定し、共焦点顕微鏡による観察、光子相関法によるアンチバンチング信号の観測を行って、単一のNV中心131を含有し、NV中心131が上述のような3nm〜10nmの深さに位置し、また、NV中心131のスピンがZ方向と平行となるナノダイヤモンド粒子130を選定する。選定されたナノダイヤモンド粒子130を、例えば接着剤により光ファイバープローブ140の先端部に取り付ける。このようにして、第1実施形態による近接場プローブ構造120が作製される。
Next, an example of a method for manufacturing the near-
次に、図3(a)および図3(b)を参照して、第2実施形態について説明する。図3(a)は、第2実施形態によるAFM10の有する近接場プローブ構造120(第2実施形態による近接場プローブ構造120)の構成例を示す概略図であり、図3(b)は、第2実施形態による近接場プローブ構造120と光ファイバー301との接続部の構成例を示す概略図である。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a configuration example of the near-
以下、主に、第1実施形態との違いについて説明する。説明の煩雑さを避けるため、第1実施形態と対応する部材や構造について、第1実施形態と同一の参照番号を用いて説明を進める。 Hereinafter, differences from the first embodiment will be mainly described. In order to avoid complication of description, members and structures corresponding to those of the first embodiment will be described using the same reference numerals as those of the first embodiment.
第2実施形態は、第1実施形態と、近接場プローブ構造120の構成が異なっており、その他の点は、第1実施形態と同様である。第2実施形態によるAFM10の全体構成は、第1実施形態と同様であり、図1に示される。
The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the near-
第2実施形態による近接場プローブ構造120としては、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッド150が用いられる。ダイヤモンドロッド150の長さ方向(延在方向)に直交する断面(横断面)の形状は、特に限定されず、例えば円形や多角形である。
As the near-
ダイヤモンドロッド150は、本例では一体的な(継目のない)部材として構成されているが、以下に説明するように、機能的な観点から、先端側部分151(130)と根元側部分152(140)とに区分して捉えることができる。
Although the
ダイヤモンドロッド150の先端側部分151の径は、励起光311の波長よりも細くなっており、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下である。なお、ここで「ダイヤモンドロッド150の径」は、ダイヤモンドロッド150の横断面を取り囲める(内包できる)円のうち最小のものの直径で表す。
The diameter of the
先端側部分151は、NV中心131を含有し、好ましくは単一のNV中心131を含有する。
ダイヤモンドロッド150の、先端側部分151よりも根元側に配置された根元側部分152は、先端側部分151との接続部、つまり先端側の端部の径が、励起光311の波長よりも細くなっており、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下である。また、根元側の端部の径が、励起光311の波長よりも太くなっており、例えば5μm程度である。
The
根元側部分152の根元側の端部は、光ファイバー301に接続される。なお、光ファイバー301は、必要に応じて、外面に各種の被覆層を有していてもよい。
The root end of the
このような構成により、ダイヤモンドロッド150の先端側部分151は、第1実施形態におけるナノダイヤモンド粒子130と同等な、NV中心131を含有するダイヤモンド部材として機能する。また、ダイヤモンドロッド150の根元側部分152は、第1実施形態における光ファイバープローブ140と同等な、光照射取出部材として機能する。
With such a configuration, the
つまり、ダイヤモンドロッド150の根元側部分(第2実施形態における光照射取出部材)152(140)は、ダイヤモンドロッド150の先端側部分(第2実施形態におけるダイヤモンド部材)151(130)の含有するNV中心131に近接場下で励起光311を照射し、励起光311によりNV中心131から近接場下で生じた蛍光321を取り出すことができるように、ダイヤモンドロッド150の先端側部分151(130)に対して固定的に(一定の位置関係で)配置された部材として構成されている。
That is, the root-side portion (light-irradiation extraction member in the second embodiment) 152 (140) of the
このように、第2実施形態による近接場プローブ構造120としては、NV中心131を含有するダイヤモンド部材としての先端側部分151(130)が、光照射取出部材としての根元側部分152(140)の先端側に配置された構造体であるダイヤモンドロッド150が用いられる。
As described above, in the near-
NV中心131は、センサーとしての挙動を安定させるために、先端側部分151の先端側の端からの高さ(深さ)として、3nm〜10nmの範囲内に位置していること(例えば5nm程度に位置にしていること)が好ましい。
In order to stabilize the behavior as a sensor, the
また、NV中心131のスピンの向きは、磁場印加装置500から印加される静磁場501の向きと平行であること、つまり、例えばZ方向と平行であることが好ましい。
Further, it is preferable that the spin direction of the
NV中心131のスピンをZ方向と平行とするために、NV中心131のスピンは、先端側部分151の先端側の端面の法線方向と平行になっていることが好ましい。
In order to make the spin of the
図3(b)は、光ファイバー301とダイヤモンドロッド150の根元側部分152との接続部を、光ファイバー301の軸方向と平行な視線で見た概略図である。根元側部分152の根元側の端面は、光ファイバー301のコア302の端面の形状と一致するかコア302の端面に内包される形状であることが好ましい。ダイヤモンドロッド150から光ファイバー301へ入射する蛍光321の、コア302への入射効率を高めるためである。
FIG. 3B is a schematic view of a connection portion between the
ダイヤモンドロッド150の外面には、励起光311および蛍光321を内側に反射させるために、反射膜160が形成されていることが好ましい。反射膜160は、例えば、厚さ5nm程度の金層で構成される。なお、近接場プローブ構造120の外面に導電性の膜160が形成されていることで、近接場プローブ構造120は、走査型トンネル顕微鏡(STM)のプローブ機構での使用も可能となる。
It is preferable that a
なお、ダイヤモンドロッド150の先端側部分151の先端では反射膜160に開口が形成されていること、つまり、ダイヤモンドロッド150の先端側部分151と試料20とが反射膜160を介さずに対向できることが好ましい。反射膜160と試料20の磁場等との相互作用を抑制するためである。
Note that an opening is formed in the
次に、図4(a)〜図4(d)および図5(a)〜図5(d)を参照して、第2実施形態による近接場プローブ構造120の作製方法の一例について説明する。図4(a)〜図4(d)および図5(a)は、ダイヤモンドロッド150を形成する母材170の概略斜視図であり、図5(b)〜図5(d)は、ダイヤモンドロッド150の側方から見た概略断面図である。
Next, an example of a method for manufacturing the near-
図4(a)を参照する。ダイヤモンドからなる母材170を準備する。母材170の表面(主面)は、(111)面であることが好ましい。母材170の大きさは、例えば、2mm角で厚さが100μmである。
Referring to FIG. A
母材170の表面の、ダイヤモンドロッドを形成する各位置に、例えばニッケルを蒸着してマスク171を形成する。各マスク171は、例えば直径5μmである。
For example, nickel is vapor-deposited on each position of the surface of the
図4(b)を参照する。例えば、酸素とアルゴンの混合プラズマガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により、母材170を表面側から異方性エッチングして、各マスク171の下方に、ダイヤモンドロッド150aを形成する。各ダイヤモンドロッド150aの高さ(長さ)は、例えば100μmである。
Referring to FIG. For example, the
図4(c)を参照する。母材170からマスク171を除去する。
Referring to FIG. The
図4(d)を参照する。各ダイヤモンドロッド150aの上面に、窒素イオン(N+)を注入する。イオン注入の条件は、例えば、入射エネルギー10keV、ドーズ量1012/cm2である。ドーズ量を調整することで、1つのダイヤモンドロッド150a当り1つ程度のNV中心を含有させることができる。また、入射エネルギーを調整することで、ダイヤモンドロッド150aの端から所望の深さ範囲内にNV中心を位置させることができる。
FIG. 4D is referred to. Nitrogen ions (N + ) are implanted into the upper surface of each
図5(a)を参照する。母材170を例えば850℃で2時間アニールすることで、各ダイヤモンドロッド150aにNV中心131aを形成する。
Referring to FIG. The
NV中心131aのスピンは、ダイヤモンド中ですべて<111>方向を向く。<111>方向としては4つの等価な方向があるので、表面が(111)面である母材170を用いることにより、母材170表面の法線方向を向いたスピンを持つNV中心131aを、1/4の確率で得ることができる。
All the spins at the
このようにして、近接場プローブ構造120に用いられるダイヤモンドロッド150の候補となる複数のダイヤモンドロッド150aが形成された母材170が準備される。
In this way, a
母材170の各ダイヤモンドロッド150aに対し、蛍光強度スペクトルを測定し、共焦点顕微鏡による観察、光子相関法によるアンチバンチング信号の観測を行って、単一のNV中心131を含有し、NV中心131が上述のような3nm〜10nmの深さに位置し、また、NV中心131のスピンがZ方向と平行となる(母材170表面の法線方向と平行な)ダイヤモンドロッド150を選定する。
For each
図5(b)を参照する。図5(b)は、ダイヤモンドロッド150の側方から見た断面形状を示す概略図である。図4(b)〜図5(a)に示したダイヤモンドロッドは、図示の便宜上、径を一定に示したが、実際は、母材上方側(エッチングが開始される側)ほど、ダイヤモンドロッド150の径は細くなっている。
Referring to FIG. FIG. 5B is a schematic diagram showing a cross-sectional shape of the
図5(c)を参照する。選定されたダイヤモンドロッド150の上方部分を集束イオンビーム(FIB)で細径化、先鋭化することで、先端側部分151(130)を形成する。その後、ダイヤモンドロッド150を母材170から切り離す。
Referring to FIG. The upper portion of the selected
図5(d)を参照する。ダイヤモンドロッド150を、例えば接着剤により光ファイバー301に取り付ける。さらに、ダイヤモンドロッド150の外面に金層を蒸着し、ダイヤモンドロッド150の先端では開口が形成されるように金層を除去して、反射膜160を形成する。ダイヤモンドロッド150の先端側の端面と、反射膜160の端面とは高さが揃っていること(面一となっていること)が好ましい。ダイヤモンドロッド150の先端側の端面は、(111)面となっている。このようにして、第2実施形態による近接場プローブ構造120が作製される。
FIG. 5D is referred to. The
次に、第1、第2実施形態により得られる効果について例示的に説明する。なお、第1、第2実施形態をまとめて、単に、実施形態と呼ぶこともある。 Next, effects obtained by the first and second embodiments will be exemplarily described. The first and second embodiments may be collectively referred to simply as an embodiment.
実施形態による近接場プローブ構造120は、NV中心131を含有するダイヤモンド部材(第1実施形態におけるナノダイヤモンド粒子、第2実施形態におけるダイヤモンドロッド150の先端側部分)130と、NV中心131に近接場下で励起光311を照射し、励起光311によりNV中心131から近接場下で生じた蛍光321を取り出すことができるように、ダイヤモンド部材130に対して固定的に配置された光照射取出部材(第1実施形態における光ファイバープローブ、第2実施形態におけるダイヤモンドロッド150の根元側部分)140と、を有する。
The near-
このような近接場プローブ構造120を有することで、実施形態によるAFM10は、NV中心131をセンサーとして用いた磁場、温度、電場等の測定に用いることができる。
With such a near-
ここで、従来用いられている技術である、励起光を対物レンズを介してNV中心に照射し、NV中心からの蛍光を対物レンズを介して集光し検出する、遠視野法による光照射検出技術を、比較形態とする。 Here, a conventionally used technique is to irradiate excitation light to the center of the NV through an objective lens, and collect and detect fluorescence from the center of the NV through the objective lens. The technology is a comparative form.
比較形態では、蛍光検出において対物レンズの集光効率が低い(NAの上限値は1.45程度である)ため、全蛍光の1%未満しか検出できない。 In the comparative embodiment, since the light collection efficiency of the objective lens is low in the fluorescence detection (the upper limit of NA is about 1.45), only less than 1% of the total fluorescence can be detected.
また、比較形態では、例えば波長532nmの励起光を用いた場合、回折限界に起因して光の照射領域のサイズを300nmより小さくできない。このため、(可視光の)励起光の波長より充分に小さい、例えば100nm以下のサイズの限定した領域(以下これを、ナノメートルサイズの限定した領域と呼ぶ)に、選択的に励起光を照射することができない。 In the comparative embodiment, for example, when excitation light having a wavelength of 532 nm is used, the size of the light irradiation region cannot be made smaller than 300 nm due to a diffraction limit. For this reason, the excitation light is selectively irradiated to a limited area having a size sufficiently smaller than the wavelength of the excitation light (of visible light), for example, 100 nm or less (hereinafter, referred to as a limited area having a nanometer size). Can not do it.
さらに、比較形態では、対物レンズを含む光学系が必要となることで、装置の小型化や複合化が難しい。 Further, in the comparative embodiment, since an optical system including an objective lens is required, it is difficult to reduce the size and the complexity of the apparatus.
一方、実施形態では、上述のように、近接場プローブ構造120を用いることで、近接場下での光照射検出を行うことができる。
On the other hand, in the embodiment, as described above, by using the near-
つまり、実施形態では、光照射取出部材140により、NV中心131から近接場下で生じた蛍光321を取り出すことができる。これにより、比較形態のようにNV中心からの蛍光を対物レンズで集光して検出する技術と比べて、蛍光の検出効率を数十から数百倍に(数十パーセントに)高めることができる。
That is, in the embodiment, the
また、実施形態では、光照射取出部材140により、ナノメートルサイズの限定した領域に、選択的に励起光311を照射可能となる。つまり、ナノメートルサイズの限定した領域に配置された特定のNV中心131に、効率的に励起光311を照射することができる。
Further, in the embodiment, the light irradiation /
さらに、実施形態では、対物レンズを含む光学系が不要となることで、装置の小型化や複合化が容易になる。対物レンズの位置合わせも不要となる。このため、例えば、極低温環境下での測定等、外部からは見えない場所での光照射、光検出が容易になる。 Further, in the embodiment, since the optical system including the objective lens is not required, the device can be easily reduced in size and combined. There is no need to position the objective lens. For this reason, for example, light irradiation and light detection in a place invisible from the outside, such as measurement in an extremely low temperature environment, are facilitated.
第2実施形態では、近接場プローブ構造120にダイヤモンドロッド150を用いることで、ダイヤモンド部材(ダイヤモンドロッド150の先端側部分)130と、光照射取出部材(ダイヤモンドロッド150の根元側部分)140とが一体化されている。このため、第1実施形態のような、ダイヤモンド部材(ナノダイヤモンド粒子)130と、光照射取出部材(光ファイバープローブ)140との取り付け作業が不要となる。
In the second embodiment, by using the
また、取り付け作業が不要となることで、ダイヤモンド部材130と光照射取出部材140との、取り付け作業に起因する位置ずれを避けることができる。つまり、第2実施形態は、第1実施形態と比べて、近接場プローブ構造120におけるNV中心131の位置を制御しやすい。
Further, since the mounting operation is not required, it is possible to avoid a positional shift between the
第1実施形態においては、支持基材上に分散配置された、近接場プローブ構造120に取り付けられる候補となる複数のナノダイヤモンド粒子のNV中心のスピンの方向は、ランダムである。一方、第2実施形態においては、表面が(111)面である母材170を用いることで、近接場プローブ構造120に用いられる候補となる複数のダイヤモンドロッドのNV中心のスピンの方向は、1/4の確率で母材表面の法線方向を向く。このため、第2実施形態は、第1実施形態と比べて、Z方向と平行なスピンを有するNV中心131を得やすい。
In the first embodiment, the directions of the spins at the NV center of the plurality of nanodiamond particles that are candidates to be attached to the near-
以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 As described above, the present invention has been described according to the embodiments, but the present invention is not limited to these. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
例えば、上述の実施形態では、走査プローブ顕微鏡の一例として、音叉型の水晶振動子を有するFM−AFMを例示したが、他のタイプの振動子を用いてもよい。また、FM−AFM以外のタイプのAFMを用いてもよい。さらに、AFM以外のタイプの走査プローブ顕微鏡、例えば走査型トンネル顕微鏡(STM)等を用いてもよい。このように、上述の実施形態による近接場プローブ構造は、種々のタイプの走査プローブ顕微鏡のプローブ機構に用いることができる。 For example, in the above-described embodiment, as an example of the scanning probe microscope, the FM-AFM having the tuning-fork type quartz oscillator is illustrated, but another type of oscillator may be used. Further, an AFM of a type other than the FM-AFM may be used. Further, a scanning probe microscope of a type other than the AFM, for example, a scanning tunnel microscope (STM) may be used. Thus, the near-field probe structure according to the above-described embodiment can be used for the probe mechanism of various types of scanning probe microscopes.
以下、本発明の好ましい形態について付記する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be additionally described.
(付記1)
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造。
(Appendix 1)
A diamond member containing a nitrogen-vacancy composite center;
The diamond member so that the center of the nitrogen-vacancy complex is irradiated with excitation light under a near field, and the excitation light can extract fluorescence generated under the near field from the center of the nitrogen-vacancy complex. A light irradiation extraction member fixedly arranged with respect to,
Near-field probe structure having:
(付記2)
前記ダイヤモンド部材は、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有する付記1に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 2)
The near-field probe structure of claim 1, wherein the diamond member contains a single center of the nitrogen-vacancy complex.
(付記3)
前記光照射取出部材は、光ファイバープローブであり、
前記ダイヤモンド部材は、前記光ファイバープローブの先端部に取り付けられたナノダイヤモンド粒子である付記1または2に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 3)
The light irradiation extraction member is an optical fiber probe,
3. The near-field probe structure according to claim 1, wherein the diamond member is a nanodiamond particle attached to a tip portion of the optical fiber probe.
(付記4)
前記ナノダイヤモンド粒子の先端側の端から深さ3nm〜10nmの範囲内に、前記窒素−空孔複合体中心が位置している付記3に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 4)
4. The near-field probe structure according to claim 3, wherein the center of the nitrogen-vacancy complex is located within a range of 3 nm to 10 nm in depth from a tip end of the nanodiamond particles.
(付記5)
前記窒素−空孔複合体中心のスピンの向きは、前記光ファイバープローブの先端部の延在方向と平行である付記3または4に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 5)
The near-field probe structure according to appendix 3 or 4, wherein a spin direction of the center of the nitrogen-vacancy complex is parallel to an extending direction of a tip portion of the optical fiber probe.
(付記6)
前記光照射取出部材は、光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分である付記1または2に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 6)
The light irradiation take-out member is connected to an optical fiber and is a root side portion of a diamond rod having a shape that becomes thinner toward the tip,
The near-field probe structure according to appendix 1 or 2, wherein the diamond member is a tip-side portion disposed closer to a tip-side than the root-side portion of the diamond rod.
(付記7)
前記先端側部分の先端側の端から深さ3nm〜10nmの範囲内に、前記窒素−空孔複合体中心が位置している付記6に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 7)
7. The near-field probe structure according to appendix 6, wherein the center of the nitrogen-vacancy complex is located within a range of 3 nm to 10 nm in depth from a distal end of the distal portion.
(付記8)
前記先端側部分の先端側の端面は、(111)面である付記6または7に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 8)
The near-field probe structure according to Supplementary Note 6 or 7, wherein an end face on the tip side of the tip side portion is a (111) plane.
(付記9)
前記窒素−空孔複合体中心のスピンの向きは、前記先端側部分の先端側の端面の法線方向と平行である付記6〜8のいずれか1つに記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 9)
The near-field probe structure according to any one of appendices 6 to 8, wherein a spin direction of the center of the nitrogen-vacancy complex is parallel to a normal direction of an end face on a tip side of the tip portion.
(付記10)
前記根元側部分の根元側の端面は、前記光ファイバーのコアの端面の形状と一致するか前記コアの端面に内包される形状である付記6〜9のいずれか1つに記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 10)
The near-field probe structure according to any one of supplementary notes 6 to 9, wherein a root-side end surface of the root-side portion has a shape that matches the shape of the end surface of the core of the optical fiber or is included in the end surface of the core. .
(付記11)
前記ダイヤモンドロッドの外面に、光を内側に反射させる反射膜が形成されている付記6〜10のいずれか1つに記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 11)
The near-field probe structure according to any one of supplementary notes 6 to 10, wherein a reflection film that reflects light inward is formed on an outer surface of the diamond rod.
(付記12)
前記先端側部分の先端で、前記反射膜に開口が形成されている付記11に記載の近接場プローブ構造。
(Appendix 12)
The near-field probe structure according to appendix 11, wherein an opening is formed in the reflection film at a tip of the tip side portion.
(付記13)
試料の観察に用いられるプローブ機構と、
前記試料と前記プローブ機構との相対的な位置を制御する走査機構と、
を有し、
前記プローブ機構は、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
を有する、走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 13)
A probe mechanism used to observe the sample,
A scanning mechanism for controlling a relative position between the sample and the probe mechanism,
Has,
The probe mechanism,
A diamond member containing a nitrogen-vacancy composite center;
The diamond member so that the center of the nitrogen-vacancy complex is irradiated with excitation light under a near field, and the excitation light can extract fluorescence generated under the near field from the center of the nitrogen-vacancy complex. A light irradiation extraction member fixedly arranged with respect to,
A scanning probe microscope having a near-field probe structure having:
(付記14)
前記ダイヤモンド部材は、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有する付記13に記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 14)
The scanning probe microscope of claim 13, wherein the diamond member contains a single center of the nitrogen-vacancy complex.
(付記15)
前記光照射取出部材は、光ファイバープローブであり、
前記ダイヤモンド部材は、前記光ファイバープローブの先端部に取り付けられたナノダイヤモンド粒子である付記13または14に記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 15)
The light irradiation extraction member is an optical fiber probe,
15. The scanning probe microscope according to claim 13, wherein the diamond member is a nano diamond particle attached to a tip portion of the optical fiber probe.
(付記16)
前記光照射取出部材は、光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分である付記13または14に記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 16)
The light irradiation take-out member is connected to an optical fiber and is a root side portion of a diamond rod having a shape that becomes thinner toward the tip,
15. The scanning probe microscope according to claim 13 or 14, wherein the diamond member is a distal end portion disposed closer to a distal end side than the root side portion of the diamond rod.
(付記17)
前記励起光を出射する光源と、
前記蛍光を検出する検出器と、
をさらに有する付記13〜16のいずれか1つに記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 17)
A light source for emitting the excitation light,
A detector for detecting the fluorescence,
The scanning probe microscope according to any one of supplementary notes 13 to 16, further comprising:
(付記18)
前記窒素−空孔複合体中心にマイクロ波を照射するためのマイクロ波源
をさらに有する付記13〜17のいずれか1つに記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 18)
The scanning probe microscope according to any one of supplementary notes 13 to 17, further comprising a microwave source for irradiating a microwave to the center of the nitrogen-hole complex.
(付記19)
磁場を印加する磁場印加装置
をさらに有する付記13〜18のいずれか1つに記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 19)
19. The scanning probe microscope according to any one of supplementary notes 13 to 18, further comprising a magnetic field application device that applies a magnetic field.
(付記20)
前記窒素−空孔複合体中心のスピンの向きは、前記磁場印加装置が印加する磁場と平行である付記19に記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 20)
20. The scanning probe microscope according to claim 19, wherein a spin direction of the center of the nitrogen-vacancy complex is parallel to a magnetic field applied by the magnetic field applying device.
(付記21)
前記走査プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡である付記13〜20のいずれか1つに記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 21)
The scanning probe microscope according to any one of supplementary notes 13 to 20, wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope.
(付記22)
前記走査プローブ顕微鏡は、周波数変調型原子間力顕微鏡である付記13〜21のいずれか1つに記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 22)
The scanning probe microscope according to any one of supplementary notes 13 to 21, wherein the scanning probe microscope is a frequency modulation type atomic force microscope.
(付記23)
前記近接場プローブ構造の外面に、導電性の膜が形成されており、
前記走査プローブ顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡である付記13〜20のいずれか1つに記載の走査プローブ顕微鏡。
(Appendix 23)
On the outer surface of the near-field probe structure, a conductive film is formed,
21. The scanning probe microscope according to any one of supplementary notes 13 to 20, wherein the scanning probe microscope is a scanning tunnel microscope.
10 原子間力顕微鏡(走査プローブ顕微鏡)
20 試料
100 プローブ機構
110 水晶振動子
120 近接場プローブ構造
130 ダイヤモンド部材、ナノダイヤモンド粒子、ダイヤモンドロッドの先端側部分
131 NV中心
140 光照射取出部材、光ファイバープローブ、ダイヤモンドロッドの根元側部分
150 ダイヤモンドロッド
151 ダイヤモンドロッドの先端側部分
152 ダイヤモンドロッドの根元側部分
200 走査機構
300 光照射検出装置
301 光ファイバー
311 励起光
321 蛍光
400 マイクロ波源
500 磁場印加装置
10 Atomic force microscope (scanning probe microscope)
Claims (8)
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有し、
前記光照射取出部材は、光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分であり、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有し、
前記ダイヤモンドロッドの外面に、光を内側に反射させる反射膜が形成されており、
前記ダイヤモンドロッドの前記先端側部分の先端で、前記反射膜に開口が形成されている、近接場プローブ構造。 A diamond member containing a nitrogen-vacancy composite center;
The diamond member so that the center of the nitrogen-vacancy complex is irradiated with excitation light under a near field, and the excitation light can extract fluorescence generated under the near field from the center of the nitrogen-vacancy complex. A light irradiation extraction member fixedly arranged with respect to,
Has,
The light irradiation take-out member is connected to an optical fiber and is a root side portion of a diamond rod having a shape that becomes thinner toward the tip,
The diamond member is a tip side portion disposed closer to the tip side than the root side portion of the diamond rod, and contains a single nitrogen-vacancy complex center,
On the outer surface of the diamond rod, a reflection film that reflects light inward is formed,
A near-field probe structure, wherein an opening is formed in the reflective film at a tip of the tip side portion of the diamond rod.
前記試料と前記プローブ機構との相対的な位置を制御する走査機構と、
光照射検出装置と、
を有し、
前記プローブ機構は、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
を有し、
前記光照射検出装置は、
前記励起光を出射する光源と、
前記蛍光を検出する検出器と、
一端側が前記光源および前記検出器に接続され、他端側が前記光照射取出部材に接続された光ファイバーと、
を有し、
前記光照射取出部材は、前記光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分であり、
前記ダイヤモンドロッドの外面に、光を内側に反射させる反射膜が形成されており、
前記ダイヤモンドロッドの前記先端側部分の先端で、前記反射膜に開口が形成されている、走査プローブ顕微鏡。 A probe mechanism used to observe the sample,
A scanning mechanism for controlling a relative position between the sample and the probe mechanism,
A light irradiation detection device,
Has,
The probe mechanism,
A diamond member containing a nitrogen-vacancy composite center;
The diamond member so that the center of the nitrogen-vacancy complex is irradiated with excitation light under a near field, and the excitation light can extract fluorescence generated under the near field from the center of the nitrogen-vacancy complex. A light irradiation extraction member fixedly arranged with respect to,
Having a near-field probe structure having
The light irradiation detection device,
A light source for emitting the excitation light,
A detector for detecting the fluorescence,
An optical fiber having one end connected to the light source and the detector, and the other end connected to the light irradiation extraction member;
Has,
The light irradiation take-out member is connected to the optical fiber and is a root side portion of a diamond rod having a shape that becomes thinner toward the tip,
The diamond member is a tip side portion disposed closer to the tip side than the root side portion of the diamond rod,
On the outer surface of the diamond rod, a reflection film that reflects light inward is formed,
A scanning probe microscope , wherein an opening is formed in the reflection film at a tip of the tip side portion of the diamond rod .
をさらに有する請求項2〜4のいずれか1項に記載の走査プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to any one of claims 2 to 4 , further comprising a microwave source for irradiating the center of the nitrogen-vacancy complex with microwaves.
をさらに有する請求項2〜5のいずれか1項に記載の走査プローブ顕微鏡。 The scanning probe microscope according to any one of claims 2 to 5 , further comprising a magnetic field application device that applies a magnetic field.
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