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.

特開2011−180570号公報JP 2011-180570 A 米国特許第5559330号明細書U.S. Pat. No. 5,559,330

ジー・バラスブラマニアン他、ネイチャー、2008年10月、第455巻、pp.648−651G. Barasbramanian et al., Nature, October 2008, Vol. 648-651 グリノルズ他、ネイチャーフィジックス、2013年2月、第9巻、pp.215−219Grinolds et al., Nature Physics, February 2013, Volume 9, pp. 215-219

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.

図1は、本発明の第1実施形態(または第2実施形態)によるAFMの全体的な構成例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration example of an AFM according to the first embodiment (or the second embodiment) of the present invention. 図2は、第1実施形態による近接場プローブ構造の構成例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the near-field probe structure according to the first embodiment. 図3(a)は、第2実施形態による近接場プローブ構造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と光ファイバーとの接続部の構成例を示す概略図である。FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a configuration example of a near-field probe structure according to the second embodiment, and FIG. 3B is a configuration of a connection portion between the near-field probe structure and an optical fiber according to the second embodiment. It is a schematic diagram showing an example. 図4(a)〜図4(d)は、第2実施形態による近接場プローブ構造のダイヤモンドロッドを形成する母材の概略斜視図である。FIGS. 4A to 4D are schematic perspective views of a base material forming a diamond rod having a near-field probe structure according to the second embodiment. 図5(a)は、第2実施形態による近接場プローブ構造のダイヤモンドロッドを形成する母材の概略斜視図であり、図5(b)〜図5(d)は、第2実施形態によるダイヤモンドロッドの側方から見た概略断面図である。FIG. 5A is a schematic perspective view of a base material forming a diamond rod having a near-field probe structure according to the second embodiment, and FIGS. 5B to 5D illustrate diamonds according to the second embodiment. It is the schematic sectional drawing seen from the side of the rod.

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 AFM 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the near-field probe structure 120 of the AFM 10 according to the first embodiment (the near-field probe structure 120 according to the first embodiment).

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 probe mechanism 100 used for observing the sample 20, and a scanning mechanism 200 for controlling a relative position between the sample 20 and the probe mechanism 100.

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 probe mechanism 100 has a quartz oscillator 110 and a near-field probe structure 120 attached to the tip of the quartz oscillator 110. Crystal oscillator 110 oscillates at a predetermined frequency by an AC voltage applied from AC voltage source 111. As the crystal unit 110, for example, a tuning-fork type crystal unit is used. In this case, the near-field probe structure 120 is attached to the tip of the lower leg (on the side of the sample 20) of the crystal unit 110.

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-field probe structure 120 is used as a probe facing the sample 20. In the near-field probe structure 120, the side facing the sample 20 is referred to as the tip side, and the opposite side is referred to as the root side.

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-field probe structure 120 according to the first embodiment, as shown in an enlarged manner in FIG. 2, nano diamond particles 130 as a diamond member containing an NV center 131 are provided at the tip of an optical fiber probe 140 as a light irradiation extraction member. A structure attached to the part is used. For the sake of illustration, FIG. 2 shows that the nanodiamond particles 130 are attached to the tip of the optical fiber probe 140 at a position slightly shifted to the side surface. It is more preferable that the nano diamond particles 130 are attached to the (bottom surface).

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 excitation light 311 described later, and includes nano diamond particles (diamond member in the first embodiment) 130. Is fixed to the nano diamond particles 130 so that the NV center 131 contained in the Nb is irradiated with the excitation light 311 under the near field, and the excitation light 311 can extract the fluorescence 321 generated under the near field from the NV center 131. (In a fixed positional relationship).

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 optical fiber probe 140, for example, a commercially available optical fiber probe can be used. For example, a probe whose outer surface is coated with a transparent conductive film 142 made of indium tin oxide (ITO) can be used. Since the conductive film 142 is formed on the outer surface of the near-field probe structure 120, the near-field probe structure 120 can be used in a probe mechanism of a scanning tunneling microscope (STM).

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 core 141 of the optical fiber probe 140 is preferably 100 nm or less. The diameter of the nano diamond particles 130 is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, for example, 20 nm to 40 nm. Here, the “diameter of the nanodiamond particles 130” is represented by the diameter of the smallest one of the spheres that can surround (enclose) the nanodiamond particles 130.

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 center 131 contained in the nano diamond particles 130 is used as a sensor as described later. Even if the nano diamond particle 130 contains a plurality of NV centers 131, it can be used as a sensor. However, in order to optimize the spatial resolution of the sensor, the nano diamond particle 130 contains a single NV center 131. It is preferred that That is, from the viewpoint of spatial resolution, it is most preferable to use a single NV center 131 as a sensor.

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 NV center 131 is located within a range of 3 nm to 10 nm as a height (depth) from the end on the tip side of the nano diamond particle 130 (for example, about 5 nm). Is preferable.)

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 optical fiber probe 140 is connected to the light irradiation detection device 300 via the optical fiber 301. The light irradiation detection device 300 includes an excitation laser light source 310, a fluorescence detector 320, and a branch optical system 330. Note that the optical fiber 301 may be regarded as a part of the light irradiation detection device 300. Further, the light irradiation detection device 300 may be regarded as a part of the AFM 10.

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 laser light source 310 emits, for example, green laser light having a wavelength of 532 nm as the excitation light 311. Excitation light 311 emitted from the excitation laser light source 310 enters the optical fiber probe 140 via the branch optical system 330 and the optical fiber 301.

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 excitation light 311 incident on the optical fiber probe 140 irradiates the NV center 131 under the near field. The excitation light 311 emits red light having a wavelength of 600 nm to 800 nm as fluorescence 321 from the NV center 131 under a near field. The fluorescent light 321 generated from the NV center 131 under the near field is taken out by the optical fiber probe 140 and enters the fluorescent light detector 320 via the optical fiber 301 and the branch optical system 330.

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 optical system 330 selectively propagates the excitation light 311 from the excitation laser light source 310 to the near-field probe structure 120 and selectively emits the fluorescence 321 from the near-field probe structure 120 to the fluorescence detector 320. To be propagated. The branch optical system 330 is configured using, for example, a dichroic mirror, a filter, and the like.

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 fluorescence detector 320 detects the intensity of the fluorescence 321 and the like. The fluorescence detector 320 is configured using, for example, an avalanche photodiode.

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 fluorescence 321 is measured while irradiating the NV center 131 with a microwave. At this time, the intensity of the fluorescent light 321 changes depending on the frequency of the irradiation microwave. In a surrounding environment, for example, in a state not affected by a magnetic field or the like, a dip is observed in the intensity spectrum of the fluorescence 321 at 2.87 GHz at which an electron spin resonance (ESR) transition occurs at the NV center 131.

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 fluorescent light 321 with respect to the frequency of the irradiating microwave (hereinafter sometimes simply referred to as the fluorescent light intensity spectrum) changes under the influence of the surrounding environment, for example, a magnetic field. That is, the fluorescence intensity spectrum of the NV center 131 arranged at the tip of the near-field probe structure 120 changes its shape due to the magnetic field or the like caused by the electron spin 21 and the nuclear spin 22 contained in the sample 20. That is, the NV center 131 disposed at the tip of the near-field probe structure 120 can be used as a sensor that detects the state of the sample 20 via the fluorescence intensity spectrum.

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 sample 20, two dips are observed in the fluorescence intensity spectrum of the NV center 131. Further, the frequency difference between the dips changes depending on the magnitude of the magnetic field. Thus, the NV center 131 can be used as a magnetic field sensor.

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 sample 20. Also, for example, depending on the electric field of the sample 20, the shape of the fluorescence intensity spectrum shows a change similar to that of the magnetic field. As described above, the NV center 131 can be used as a temperature sensor or an electric field sensor.

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 NV center 131 with microwaves to acquire a fluorescence intensity spectrum is not particularly limited. In this example, a wire 24 for emitting a microwave 23 is mounted on the surface of the sample 20, and the wire 24 is connected to a microwave source 400 outside the sample 20. As the wire 24, for example, a copper wire having a diameter of about 30 μm is used. Note that the microwave source 400 may be regarded as a part of the AFM 10.

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 field application device 500 applies, for example, a static magnetic field 501 in the Z direction. By adopting a device configuration capable of applying the static magnetic field 501 by the magnetic field application device 500, measurement conditions can be changed in various ways, and the degree of freedom of measurement can be increased. Note that the magnetic field applying device 500 may be regarded as a part of the AFM 10.

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 center 131 is preferably parallel to the direction of the static magnetic field 501 applied from the magnetic field application device 500, that is, for example, parallel to the Z direction in order to maximize the effect of Zeeman splitting. .

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 NV center 131 parallel to the Z direction, it is preferable that the spin of the NV center 131 be parallel to the extending direction of the tip of the optical fiber probe 140. That is, it is preferable that the nano diamond particles 130 are attached to the optical fiber probe 140 such that the spin of the NV center 131 is parallel to the extending direction of the tip of the optical fiber probe 140.

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 scanning mechanism 200 has a fine movement piezo stage 210 and a control device 220. The sample 20 is placed on the fine movement piezo stage 210. The fine piezo stage 210 is mounted on a coarse piezo stage 230, and the coarse piezo stage 230 is mounted on a vibration isolation table 600.

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 piezo stage 230 has a movable range of, for example, about 5 mm in each of the X direction, the Y direction, and the Z direction (height direction), and is used for rough positioning of the sample 20. The fine movement piezo stage 210 has a movable range of, for example, about 100 μm in each of the X direction, the Y direction, and the Z direction (height direction), and allows precise positioning of the sample 20 and continuous observation position in the XY plane. Used for dynamic scanning. Note that the coarse piezo stage 230 may be regarded as a part of the scanning mechanism 200.

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 control device 220 controls the coarse piezo stage 230 and the fine piezo stage 210 to control the position of the sample 20. Further, the control device 220 changes the vibration frequency of the crystal unit 110 due to a change in the positional relationship between the probe mechanism 100 and the sample 20 in the Z direction (height direction) during continuous scanning in the XY plane. Is detected, and the fine-movement piezo stage 210 is feedback-controlled in the Z direction so that the height of the sample 20 at which the oscillation frequency of the crystal unit 110 is constant is maintained.

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-field probe structure 120 according to the first embodiment will be described. A plurality of candidate nanodiamond particles to be attached to the near-field probe structure 120 prepare a material dispersed on a supporting substrate. For each nanodiamond particle of this material, a fluorescence intensity spectrum is measured, observation is performed by a confocal microscope, and observation of an anti-bunching signal is performed by a photon correlation method to contain a single NV center 131. The nano diamond particles 130 which are located at the depth of 3 nm to 10 nm as described above and whose spin at the NV center 131 is parallel to the Z direction are selected. The selected nano diamond particles 130 are attached to the tip of the optical fiber probe 140 by, for example, an adhesive. Thus, the near-field probe structure 120 according to the first embodiment is manufactured.

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-field probe structure 120 of the AFM 10 according to the second embodiment (the near-field probe structure 120 according to the second embodiment), and FIG. It is the schematic which shows the example of a structure of the connection part of the near field probe structure 120 and the optical fiber 301 by 2 embodiment.

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-field probe structure 120, and the other points are the same as the first embodiment. The overall configuration of the AFM 10 according to the second embodiment is similar to that of the first embodiment, and is shown in FIG.

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-field probe structure 120 according to the second embodiment, a diamond rod 150 having a shape tapering toward the tip is used. The shape of the cross section (cross section) orthogonal to the length direction (extending direction) of the diamond rod 150 is not particularly limited, and is, for example, a circle or a polygon.

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 diamond rod 150 is configured as an integral (seamless) member in this example, as described below, from a functional point of view, the distal side portion 151 (130) and the root side portion 152 ( 140).

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 tip side portion 151 of the diamond rod 150 is smaller than the wavelength of the excitation light 311 and is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less. Here, the “diameter of the diamond rod 150” is represented by the diameter of the smallest circle among the circles that can surround (can include) the cross section of the diamond rod 150.

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。   Distal portion 151 contains NV center 131, and preferably contains a single NV center 131.

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 root portion 152 of the diamond rod 150 disposed closer to the root than the distal portion 151 has a connection portion with the distal portion 151, that is, the diameter of the distal end is smaller than the wavelength of the excitation light 311. And preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less. In addition, the diameter of the end on the root side is larger than the wavelength of the excitation light 311 and is, for example, about 5 μm.

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 root portion 152 is connected to the optical fiber 301. The optical fiber 301 may have various coating layers on the outer surface as needed.

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 tip portion 151 of the diamond rod 150 functions as a diamond member containing the NV center 131, which is equivalent to the nanodiamond particles 130 in the first embodiment. In addition, the root side portion 152 of the diamond rod 150 functions as a light irradiation extraction member equivalent to the optical fiber probe 140 in the first embodiment.

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 diamond rod 150 is the NV included in the tip-side portion (diamond member in the second embodiment) 151 (130) of the diamond rod 150. The center 131 is irradiated with the excitation light 311 under the near field, and the tip side portion 151 (130) of the diamond rod 150 is irradiated with the excitation light 311 so that the fluorescence 321 generated under the near field can be extracted from the NV center 131. It is configured as a member that is fixedly arranged (with a fixed positional relationship).

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-field probe structure 120 according to the second embodiment, the tip-side portion 151 (130) as the diamond member containing the NV center 131 is different from the base-side portion 152 (140) as the light irradiation extraction member. A diamond rod 150, which is a structure disposed on the tip side, is used.

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 NV center 131 is located within a range of 3 nm to 10 nm as a height (depth) from the tip on the tip side of the tip portion 151 (for example, about 5 nm). Is preferable.)

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 center 131 is parallel to the direction of the static magnetic field 501 applied from the magnetic field application device 500, that is, for example, parallel to the Z direction.

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 NV center 131 parallel to the Z direction, it is preferable that the spin of the NV center 131 be parallel to the normal direction of the end face of the front end portion 151 on the front end side.

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 optical fiber 301 and the root-side portion 152 of the diamond rod 150 as viewed in a line parallel to the axial direction of the optical fiber 301. The root-side end surface of the root-side portion 152 preferably has a shape that matches the shape of the end surface of the core 302 of the optical fiber 301 or is included in the end surface of the core 302. This is for increasing the efficiency of the fluorescence 321 entering the optical fiber 301 from the diamond rod 150 to the core 302.

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 reflection film 160 is formed on the outer surface of the diamond rod 150 in order to reflect the excitation light 311 and the fluorescence 321 inward. The reflection film 160 is composed of, for example, a gold layer having a thickness of about 5 nm. Since the conductive film 160 is formed on the outer surface of the near-field probe structure 120, the near-field probe structure 120 can be used in a probe mechanism of a scanning tunneling microscope (STM).

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 reflection film 160 at the tip of the tip portion 151 of the diamond rod 150, that is, the tip portion 151 of the diamond rod 150 and the sample 20 can face each other without the reflection film 160 interposed therebetween. preferable. This is for suppressing the interaction between the reflection film 160 and the magnetic field of the sample 20 or the like.

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-field probe structure 120 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4A to 4D and FIGS. 5A to 5D. 4 (a) to 4 (d) and FIG. 5 (a) are schematic perspective views of a base material 170 forming the diamond rod 150, and FIGS. 5 (b) to 5 (d) show the diamond rod 150. It is the schematic sectional drawing seen from the side of 150.

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 base material 170 made of diamond is prepared. The surface (main surface) of base material 170 is preferably a (111) plane. The size of the base material 170 is, for example, 2 mm square and 100 μm in thickness.

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 base material 170 where the diamond rod is to be formed to form the mask 171. Each mask 171 has a diameter of, for example, 5 μm.

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 base material 170 is anisotropically etched from the surface side by reactive ion etching (RIE) using a mixed plasma gas of oxygen and argon to form the diamond rod 150a below each mask 171. The height (length) of each diamond rod 150a is, for example, 100 μm.

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 mask 171 is removed from the base material 170.

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/cm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 diamond rod 150a. The conditions for the ion implantation are, for example, an incident energy of 10 keV and a dose of 10 12 / cm 2 . By adjusting the dose, about one NV center can be contained in one diamond rod 150a. Further, by adjusting the incident energy, the NV center can be located within a desired depth range from the end of the diamond rod 150a.

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 center 131a is formed on each diamond rod 150a by annealing the base material 170 at, for example, 850 ° C. for 2 hours.

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 NV center 131a point in the <111> direction in the diamond. Since there are four equivalent directions as the <111> direction, by using the base material 170 whose surface is the (111) plane, the NV center 131a having a spin oriented in the normal direction of the surface of the base material 170 is obtained. It can be obtained with a probability of 1/4.

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 base material 170 on which a plurality of diamond rods 150a that are candidates for the diamond rod 150 used in the near-field probe structure 120 is prepared.

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 diamond rod 150a of the base material 170, a fluorescence intensity spectrum was measured, observation was performed by a confocal microscope, and observation of an anti-bunching signal was performed by a photon correlation method. Is selected at a depth of 3 nm to 10 nm as described above, and the diamond rod 150 whose spin at the NV center 131 is parallel to the Z direction (parallel to the normal direction of the surface of the base material 170) is selected.

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 diamond rod 150 as viewed from the side. The diamond rods shown in FIGS. 4B to 5A have a constant diameter for convenience of illustration, but in fact, the closer to the upper side of the base material (the side where etching is started), the more the diamond rod 150 The diameter is small.

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 diamond rod 150 is reduced in diameter and sharpened with a focused ion beam (FIB), thereby forming a tip-side portion 151 (130). After that, the diamond rod 150 is cut off from the base material 170.

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 diamond rod 150 is attached to the optical fiber 301 by, for example, an adhesive. Further, a gold layer is deposited on the outer surface of the diamond rod 150, and the gold layer is removed so that an opening is formed at the tip of the diamond rod 150, thereby forming the reflection film 160. It is preferable that the end face on the tip end side of the diamond rod 150 and the end face of the reflective film 160 have the same height (they are flush). The end face on the tip side of the diamond rod 150 is a (111) plane. Thus, the near-field probe structure 120 according to the second embodiment is manufactured.

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-field probe structure 120 according to the embodiment includes a diamond member (the nanodiamond particles in the first embodiment, the tip side portion of the diamond rod 150 in the second embodiment) 130 containing the NV center 131, and a near-field near the NV center 131. A light irradiation / extraction member fixed to the diamond member 130 so as to irradiate the excitation light 311 below and extract the fluorescence 321 generated in the near field from the NV center 131 by the excitation light 311 ( An optical fiber probe according to the first embodiment, and a base portion 140 of the diamond rod 150 according to the second embodiment.

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-field probe structure 120, the AFM 10 according to the embodiment can be used for measuring a magnetic field, a temperature, an electric field, and the like using the NV center 131 as a sensor.

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-field probe structure 120, light irradiation detection under a near-field can be performed.

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 fluorescence 321 generated under the near field can be extracted from the NV center 131 by the light irradiation extraction member 140. This makes it possible to increase the fluorescence detection efficiency by several tens to several hundreds (to several tens of percent) as compared with the technology of collecting and detecting the fluorescence from the center of the NV with the objective lens as in the comparative embodiment. .

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 / extraction member 140 can selectively irradiate the excitation light 311 to a limited area of a nanometer size. That is, it is possible to efficiently irradiate the excitation light 311 to the specific NV center 131 arranged in the limited area of the nanometer size.

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 diamond rod 150 for the near-field probe structure 120, the diamond member (the tip side portion of the diamond rod 150) 130 and the light irradiation / extraction member (the root side portion of the diamond rod 150) 140 are formed. It is integrated. For this reason, there is no need to attach the diamond member (nano diamond particles) 130 and the light irradiation / extraction member (optical fiber probe) 140 as in the first embodiment.

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 diamond member 130 and the light irradiation / extraction member 140 due to the mounting operation. That is, in the second embodiment, the position of the NV center 131 in the near-field probe structure 120 is easier to control than in the first embodiment.

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-field probe structure 120 and dispersed on the support substrate are random. On the other hand, in the second embodiment, by using the base material 170 whose surface is the (111) plane, the spin directions of the NV centers of the plurality of diamond rods that are candidates for the near-field probe structure 120 are set to 1 It faces the normal direction of the base material surface with a probability of / 4. Therefore, in the second embodiment, it is easier to obtain the NV center 131 having a spin parallel to the Z direction, as compared with the first embodiment.

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)
Reference Signs List 20 Sample 100 Probe mechanism 110 Quartz crystal unit 120 Near-field probe structure 130 Diamond member, nanodiamond particles, tip part 131 of diamond rod NV center 140 Light irradiation extraction member, optical fiber probe, root part of diamond rod 150 Diamond rod 151 Diamond rod tip side portion 152 Diamond rod root side portion 200 Scanning mechanism 300 Light irradiation detection device 301 Optical fiber 311 Excitation light 321 Fluorescence 400 Microwave source 500 Magnetic field application device

Claims (8)

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.
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、
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 .
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請求項2に記載の走査プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the diamond member contains a single center of the nitrogen-vacancy complex. 前記先端側部分の先端側の端面は、(111)面である請求項2または3に記載の走査プローブ顕微鏡。 4. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein an end face on the tip side of the tip side portion is a (111) plane. 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
をさらに有する請求項2〜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.
磁場を印加する磁場印加装置
をさらに有する請求項2〜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.
前記走査プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡である請求項2〜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 6 , wherein the scanning probe microscope is an atomic force microscope. 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請求項2〜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 7 , wherein the scanning probe microscope is a frequency modulation type atomic force microscope.
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