JP6842158B2 - 昇温ホルダおよびプローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、プローブ顕微鏡において、観測試料を昇温するための昇温ホルダに関する。

プローブ顕微鏡は、プローブ（探針）を試料に対して走査することにより、凹凸などの試料表面の物理情報または試料の化学的性質を信号として取得することができる装置である。

プローブ顕微鏡には、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査型電気容量顕微鏡（ＳＣａＭ）、走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）、走査型熱顕微鏡（ＳＴｈＭ）、走査型イオン電動顕微鏡（ＳＩＣＭ）などがある。これらの走査型プローブ顕微鏡では、プローブまたは試料を水平方向（ＸＹ方向）と垂直方向（Ｚ方向）に走査し、得られた試料の物理情報または化学的性質を順次表示することにより、試料の物理情報または化学的性質を動的に画像として表す（例えば、特許文献１参考）。

特許文献１に記載の走査型プローブ顕微鏡は、合成高分子の一本鎖の動態の観察が可能な高速走査型プローブ顕微鏡である。当該走査型プローブ顕微鏡では、溶液中に配置された試料の表面に探針を走査することにより観測試料の動態の観察を行っている。

特開２０１２−３２３８９号公報

従来の走査型プローブ顕微鏡では、試料を昇温しながら観測を行う場合、試料または試料を浸漬する溶液を、ペルチェ素子またはヒータ等の加熱手段を用いたり赤外線を照射したりすることにより昇温していた。しかし、試料または溶液を一定の温度で均一に昇温することが難しく、試料の位置によって温度にムラが生じるという問題があった。

上記課題に鑑み、本発明は、試料を一定の温度で安定して昇温することができる昇温ホルダおよびプローブ顕微鏡を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様にかかる昇温ホルダは、溶液中で試料を計測するための前記溶液を昇温する昇温ホルダであって、前記溶液を保持する穴部を有する溶液保持部と、前記溶液保持部の片面に設けられ、前記穴部の底面を構成する透明部材と、前記透明部材の前記溶液保持部が配置された側と反対側の面に設けられた電極とを備え、前記電極に電流を流すことにより前記穴部に保持される前記溶液を昇温する。

これにより、電極に電流を流すことにより、溶液保持部の穴部に保持されている観測用の溶液を、穴部の底面側から均一に昇温することができる。したがって、溶液に浸漬される、観測対象物である試料を均一に昇温することができる。

また、前記昇温ホルダは、前記溶液保持部の前記透明部材が配置された側と反対側の面であって前記穴部の外に、前記試料に対して相対的に走査される探針を支持する探針支持部および前記探針を備え、前記探針の先端は、前記透明部材が配置された側と反対側を向くように前記探針支持部に支持されていてもよい。

これにより、探針の先端が上向きになるように指示されている場合に、探針が配置された側と反対側である探針の下側から、透明部材を透過して探針にレーザ光を照射することができる。また、探針で反射され透明部材を透過したレーザ光を検出することができる。

また、前記透明部材は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜を有してもよい。

これにより、ＩＴＯ膜に電圧を印加して電流を流すことにより、溶液保持部の穴部に保持されている溶液を均一に昇温することができる。

また、前記透明部材は、前記ＩＴＯ膜と前記溶液保持部との間に透明の絶縁体を有してもよい。

これにより、ＩＴＯ膜に電圧を印加する場合であっても、溶液保持部に電圧が印加されることはなく、絶縁性を保つことができる。また、透明の絶縁体を透過して探針にレーザ光を照射することができる。また、探針で反射され透明の絶縁体を透過したレーザ光を検出することができる。

また、前記昇温ホルダは、前記溶液を供給する溶液供給部を備えてもよい。

これにより、昇温された溶液が蒸発した場合であっても、溶液供給部により溶液保持部に溶液を供給することができる。よって、蒸発した溶液を補償することができる。

また、上記の課題を解決するため、本発明の一態様にかかるプローブ顕微鏡は、上述した特徴を有する昇温ホルダと、前記試料を保持する試料ホルダと、前記試料ホルダを走査するスキャナと、前記探針に所定の周波数の電圧を印加する発振器と、前記所定の周波数に対応する周波数で変化する振幅信号を検出する振幅検出部と、前記振幅信号に基づいて画像を生成する画像処理部と、前記画像を表示する表示部とを備える。

これにより、昇温ホルダの溶液保持部の穴部に保持された溶液を昇温することにより、溶液に浸漬される試料を均一に昇温することができるので、試料を均一に昇温しながらプローブ顕微鏡により試料の表面の状態または動態を観測することができる。

また、前記昇温ホルダに保持されている前記溶液の温度を検出する温度センサ部と、前記溶液の温度を所定の温度にするために前記昇温ホルダの温度を制御する温度制御部とを備えてもよい。

これにより、溶液の温度を計測しながらフィードバック制御することにより、溶液を一定温度に均一に安定して昇温することができる。

また、前記温度制御部は、前記溶液保持部の穴部に保持されている前記溶液の温度変化から前記溶液の蒸発量を計算し、前記プローブ顕微鏡は、前記計算した蒸発量に基づいて、前記溶液供給部により前記溶液を前記溶液保持部の前記穴部に供給してもよい。

これにより、試料を浸漬する溶液を昇温しながら試料の表面の状態または動態の観測を行う場合であっても、蒸発した溶液を供給することができるので、安定した条件下で試料の観測を行うことができる。

本発明により、試料を一定の温度で安定して昇温することができる昇温ホルダおよびプローブ顕微鏡を提供することができる。

実施の形態にかかるプローブ顕微鏡の構成を示すブロック図 実施の形態にかかる昇温ホルダの構成を示す斜視図 図２に示した昇温ホルダを＋Ｚ方向表面からみた平面図 図２に示した昇温ホルダを−Ｚ方向表面からみた平面図 図２に示した昇温ホルダを＋Ｘ方向表面からみた平面図 図２に示した昇温ホルダを＋Ｙ方向表面からみた平面図 実施の形態にかかる昇温ホルダの昇温機構を説明するための概略図 実施の形態にかかる昇温ホルダにおける溶液補償を説明するための概略図 実施の形態にかかるプローブ顕微鏡を用いた観測方法を示す概略図 実施の形態にかかるプローブ顕微鏡を用いた観測例であり、（ａ）は溶液の温度を室温とした場合の観測像、（ｂ）は溶液の温度を３７℃とした場合の観測像、（ｃ）は溶液の温度を４３℃とした場合の観測像

以下、図面を用いて、本発明にかかる実施の形態について説明する。なお、図面において、同一の符号が付された構成要素は、同一または同種の構成要素を示す。

また、以下で説明する実施の形態は、本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
［プローブ顕微鏡の構成］
はじめに、本実施の形態にかかるプローブ顕微鏡１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかるプローブ顕微鏡１の構成を示すブロック図である。

プローブ顕微鏡１は、観測対象物である試料２０の表面状態、動態等を、所定の溶液中で所定の温度に昇温しながら観測することができる顕微鏡である。プローブ顕微鏡１は、カンチレバー１０の探針１０ａの先端を試料に接触させて走査する接触式の顕微鏡としてもよいし、カンチレバー１０の探針１０ａの先端が試料２０に間欠的に接触する間欠接触法式でもよい、あるいはカンチレバー１０の探針１０ａの先端から所定間隔離して走査する非接触式の顕微鏡としてもよい。

図１に示すように、プローブ顕微鏡１は、カンチレバー１０が支持された昇温ホルダ１１と、試料２０が保持される試料ステージ２２と、試料ステージ２２を三次元方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）に移動させるスキャナ２４と、レーザユニット３０と、センサ３１と、振幅検出部３３と、フィードバック制御部３４と、コンピュータ３５と、発振器３６と、モニタ３７と、コントローラ３８とを備えている）。

カンチレバー１０は、例えば、窒化シリコンで構成されている。カンチレバー１０は、探針１０ａと、梁部１０ｂとを有している。探針１０ａは、梁部１０ｂの一端側の片面に設けられており、先端が尖った形状に形成されている。カンチレバー１０は、探針１０ａが形成された側と反対側の梁部１０ｂの根元部分が、昇温ホルダ１１に支持されている。すなわち、カンチレバー１０の探針１０ａが配置された側の梁部１０ｂは自由端となっている。このとき、探針１０ａが上向き、すなわち、試料２０が配置される試料ステージ２２側に向くように配置されている）。

昇温ホルダ１１は、後に詳述する試料観測用の溶液４１を保持する溶液保持部１３（図２参照）を有している。溶液４１は、例えば、ＰＢＳ（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｓａｌｉｎｅ：リン酸緩衝生理食塩水）溶液である。なお、溶液４１は、塩濃度を維持するために純水を用いてもよい。

溶液保持部１３には、例えば１００μｌ程度の溶液４１が保持される。カンチレバー１０の先端に配置された探針１０ａは、溶液保持部１３に保持された溶液４１に浸るように溶液保持部１３の内部に配置されている。なお、昇温ホルダ１１の構成については、後に詳述する。

試料ステージ２２は、試料２０をカンチレバー１０の探針側に向けて保持するための試料ホルダである。試料ステージ２２は、スキャナ２４に搭載されている。試料ステージ２２は、例えば、吸着機構（図示せず）を備えることにより、試料２０を吸着して保持してもよい。なお、試料２０は、試料ステージに接着されるとしてもよい。

スキャナ２４は、試料ステージ２２をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させることにより試料２０を探針１０ａに対して相対的に走査するための走査機構である。スキャナ２４は、例えば、直径が２ｍｍ、高さが２ｍｍ程度の柱状の圧電素子（ピエゾ素子）により構成されている。スキャナ２４のＸ方向およびＹ方向の走査はコンピュータ３５により制御され、Ｚ方向の走査は後に詳述するフィードバック制御部３４により制御される。具体的には、フィードバック制御部３４からフィードバック信号（ＦＢ信号）がスキャナドライバ（図示せず）に供給され、増幅されてスキャナ２４に供給される。

レーザユニット３０は、センサ３１と共に光てこ式の変位センサを構成している。レーザユニット３０は、カンチレバー１０にレーザ光を照射するためのレーザ発光装置である。レーザユニット３０から出射されたレーザ光は、のちに詳述する昇温ホルダ１１の透明部材１５を透過して、カンチレバー１０の梁部１０ｂの自由端近傍であって探針１０ａが設けられた面と反対側の面で反射する。カンチレバー１０は、試料２０の表面の状態または動態に合わせて振動するので、梁部１０ｂの自由端近傍で反射したレーザ光も試料２０の表面の状態または動態に合わせて反射位置および反射強度が変化することとなる。

センサ３１は、例えばフォトダイオードで構成された受光センサである。カンチレバー１０において反射したレーザ光は、後に詳述する昇温ホルダ１１の透明部材１５を透過し、センサ３１で受光される。つまり、センサ３１は、カンチレバー１０で反射したレーザ光を受光することにより、試料２０の表面の状態または動態に対応した変位信号を検出する。

発振器３６は、カンチレバー１０に設置された圧電素子に周波数ｆの正弦波（ｓｉｎ２πｆｔ）を印加するための発振器である。ここで、周波数ｆは、カンチレバー１０の共振周波数近傍に設定され、圧電素子の振動によりカンチレバー１０が周波数ｆで振動する。探針１０ａが試料に接触すると、梁部１０ｂの変位もしくは振幅信号が変化する。この変位信号に基づいて、後述するようにスキャナ２４のＺ方向の移動のフィードバック制御が行われる。

振幅検出部３３は、センサ３１で検出された変位信号のうち、振幅変化を検出する振幅検出部である。振幅検出部３３で検出された信号は、フィードバック制御部３４に供給される。

フィードバック制御部３４は、振幅が予め設定されたセットポイント（目標値）と一致し続けるように、スキャナ２４をＺ方向に制御する。フィードバック制御部３４は、例えば、振幅からセットポイントを減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するＰＩＤ回路とを有し、スキャナ２４を制御するためのＦＢ信号を生成する。ＦＢ信号は、コンピュータ３５に供給される。

コンピュータ３５は、例えばパーソナルコンピュータ等で構成され、プローブ顕微鏡１の全体を制御する。また、コンピュータ３５は、ユーザインターフェース機能を提供する。ユーザからの各種の指示がコンピュータ３５に入力されると、コンピュータ３５はユーザの入力に従ってプローブ顕微鏡１を制御する。また、コンピュータ３５はコントローラ３８に接続され昇温ホルダの溶液温度を設定し、記録する。上述したフィードバック制御のセットポイントも、コンピュータ３５からフィードバック制御部３４に供給される。また、コンピュータ３５は、フィードバック制御部３４を介して、ＦＢ信号に基づいてスキャナ２４のＸ方向およびＹ方向の移動を制御する。さらに、コンピュータ３５は、フィードバック制御部３４から供給された振幅信号に基づいて試料表面の画像を生成し、画像処理部であり、生成した画像をモニタ３７に出力する。

モニタ３７は、供給された信号に基づいて画像を表示する表示部であり、コンピュータ３５から出力された試料の表面状態または動態に関する情報を画像として表示する。

コントローラ３８は、昇温ホルダ１１に保持されている溶液の温度を所定値に調整するための温度制御部である。コントローラ３８は、後述するように、電極１６ａおよび電極１６ｂに接続される配線５０（図４参照）と、先端が溶液保持部１３の穴部１３ａの内部に配置され、溶液４１の温度を計測する温度センサ部である熱電対５２（図４参照）とを有している。

コントローラ３８は、熱電対５２により溶液保持部１３の穴部１３ａの内部に保持された溶液４１の温度を計測し、計測された温度に基づいて配線５０を介して電極１６ａおよび電極１６ｂに電圧を印加する。これにより、溶液保持部１３の内部に保持された溶液４１を所定の温度に調整する。

また、コントローラ３８は、計測された温度に基づいて、蒸発した溶液４１の量を計算する。そして、計算された溶液４１の蒸発量に基づいて、溶液供給部４０から溶液保持部１３の穴部１３ａに溶液４１を補償する。なお、溶液４１の蒸発量の計算は、コンピュータ３５において行ってもよい。この場合、コントローラ３８は、熱電対５２により計測された温度および時間をコンピュータ３５に供給するとしてもよい。

［昇温ホルダの構成］
次に、昇温ホルダ１１の構成について図２〜図４を用いて説明する。

図２は、本実施の形態にかかる昇温ホルダ１１の構成を示す斜視図である。図３Ａは、図２に示した昇温ホルダ１１を＋Ｚ方向表面からみた平面図である。図３Ｂは、図２に示した昇温ホルダ１１を−Ｚ方向表面からみた平面図である。図３Ｃは、図２に示した昇温ホルダ１１を＋Ｘ方向表面からみた平面図である。図３Ｄは、図２に示した昇温ホルダ１１を＋Ｙ方向表面からみた平面図である。図４は、本実施の形態にかかる昇温ホルダ１１の昇温機構を説明するための概略図である。なお、図２〜図４では、カンチレバー１０の図示を省略している。

図２に示すように、昇温ホルダ１１は、ホルダ本体部１２と、溶液保持部１３と、探針支持部１４と、透明部材１５と、電極１６ａおよび電極１６ｂとを備えている。

ホルダ本体部１２は、溶液保持部１３と、探針支持部１４と、透明部材１５と、電極１６ａおよび電極１６ｂとを接合した、昇温ホルダ１１の本体である。ホルダ本体部１２は、例えば、ＳＵＳ等のステンレス鋼またはアルミニウム等の金属で形成されている。なお、ホルダ本体部１２の形状は、図２に示した形状に限らず、溶液保持部１３と、探針支持部１４と、透明部材１５と、電極１６ａおよび電極１６ｂを接合することができる形状であれば他の形状であってもよい。また、ホルダ本体部１２を構成する材料は、上述した材料に限らず他の材料であってもよい。

溶液保持部１３は、観測試料を浸して昇温するための溶液４１を保持する穴部１３ａが形成された保持部である。溶液保持部１３は、例えば、ピーク（絶縁プラスチック樹脂）またはテフロン（登録商標）等の樹脂により構成されている。図２および図３Ａに示すように、穴部１３ａは、溶液保持部１３の中央部分において、溶液保持部１３の両面を貫通するように形成されている。なお、穴部１３ａの底面には、図２および図３Ｂに示すように、後に説明する透明部材１５が配置されている。穴部１３ａの大きさおよび形状は、試料ステージ２２よりも大きく、例えば１０ｍｍ×５ｍｍ程度の長方形の形状である。穴部１３ａは例えば、切削、エッチング等の方法で形成される。

なお、溶液保持部１３を構成する材料は、上述したものに限らず、他の材料であってもよい。また、穴部１３ａの大きさおよび形状は、試料ステージ２２に保持された試料２０が入る大きさおよび形状であればどのような大きさおよび形状であってもよい。

探針支持部１４は、探針であるカンチレバー１０を支持するための支持部である。探針支持部１４の下すなわち溶液保持部１３と対向する面側には、圧電素子（図示せず）が配置されている。この圧電素子に電圧を印加して振動させることにより、探針支持部１４を振動させることができる。カンチレバー１０は、例えばバネ式クランプにより探針支持部１４に固定されている。このとき、少なくともカンチレバー１０の探針１０ａが設けられた梁部１０ｂの先端部分が、Ｚ方向から見たときに穴部１３ａの内部に配置される位置に接合されている。また、カンチレバー１０は、探針１０ａが上向き、すなわち、図２に示す＋Ｚ方向に向くように探針支持部１４に接合されている。

なお、探針支持部１４は、図２に示すように、発振器３６から所定の周波数の電圧を、探針支持部１４の下に設けられた圧電素子に印加するための配線１７ａおよび配線１７ｂを備えていてもよい。

透明部材１５は、図３Ｂに示すように、ホルダ本体部１２および溶液保持部１３の下面、すなわち−Ｚ方向の面に配置されている。透明部材１５は、例えば、ガラス基板１５ａと、ガラス基板１５ａの片面に形成されたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜１５ｂにより構成されている。透明部材１５は、例えば、接着剤によりホルダ本体部１２および溶液保持部１３に接合されている。このとき、透明部材１５は、溶液保持部１３の穴部１３ａを塞ぐようにホルダ本体部１２および溶液保持部１３に接合されている。したがって、ＩＴＯ膜１５ｂは、ガラス基板１５ａの、ホルダ本体部１２が接合された側と反対側の面に配置されている。つまり、ホルダ本体部１２および溶液保持部１３と導電性を有するＩＴＯ膜１５ｂとの間に、透明かつ絶縁性を有するガラス基板１５ａが配置されている。これにより、ホルダ本体部１２および溶液保持部１３を、ＩＴＯ膜１５ｂから電気的に絶縁することができる。

なお、透明部材１５は、ガラス基板１５ａのみで構成されていてもよいし、ＩＴＯ膜のみで構成されていてもよい。また、透明部材１５は、ガラス基板１５ａ、ＩＴＯ膜１５ｂ以外の透明材料で構成されていてもよい。また、ＩＴＯ膜以外の高抵抗導通膜をガラスに蒸着してもよい。

電極１６ａおよび電極１６ｂは、溶液保持部１３に保持された溶液４１を昇温するために、透明部材１５に電圧を印加するための電極である。電極１６ａおよび電極１６ｂは、例えば、銅により構成されている。より具体的には、電極１６ａおよび電極１６ｂは、ＩＴＯ膜１５ｂに接続されている。つまり、図３Ｃおよび図３Ｄに示すように、電極１６ａおよび電極１６ｂは、ホルダ本体部１２および透明部材１５の下面、すなわち、−Ｚ方向の面に配置されている。このとき、電極１６ａおよび電極１６ｂは、図３Ｂおよび図３Ｄに示すように、溶液保持部１３を挟むように、溶液保持部１３の両側に配置されている。これにより、電極１６ａおよび電極１６ｂを介してＩＴＯ膜１５ｂに電圧が印加され、少なくとも溶液保持部１３が配置された位置のガラス基板１５ａを加熱することができる。したがって、ガラス基板１５ａを介して、溶液保持部１３に保持された溶液４１を加熱および昇温することができる。

ここで、電極１６ａおよび電極１６ｂは、図４に示すように、配線５０によりコントローラ３８に接続されている。また、溶液保持部１３には、熱電対５２が設けられている。熱電対５２は、コントローラ３８に接続されている。熱電対５２の先端は、溶液保持部１３の内部に配置されている。これにより、熱電対５２により、溶液４１の温度を計測することができる。計測された温度に基づいて、コントローラ３８は、電極１６ａと電極１６ｂとの間に所定の電圧を印加する。これにより、ＩＴＯ膜１５ｂに電流が流れ、ＩＴＯ膜１５ｂが形成されたガラス基板１５ａが所定の温度に昇温される。

また、昇温ホルダ１１は、上述したように、蒸発した溶液４１を補償（供給）するための溶液供給部４０を有している。図５は、本実施の形態にかかる昇温ホルダ１１における溶液４１の補償を説明するための概略図である。

溶液供給部４０は、例えばシリンジポンプであり、シリンジに収容された溶液４１を押し子により溶液供給部４０の先端から押し出すことにより、溶液保持部１３の穴部１３ａに溶液４１を供給する構成である。このとき、押し子の移動量を調整することにより、溶液供給部４０の先端から所定量の溶液４１を押し出すことができる。

溶液供給部４０は、Ｚ方向から見たときに先端が溶液保持部１３の穴部１３ａの内部に位置するように配置されている。これにより、図５に示すように、溶液供給部４０から供給される溶液４１は、溶液保持部１３の穴部１３ａに滴下される。

供給される溶液４１の溶液量は、例えば、あらかじめ定められた溶液量であってもよいし、コントローラ３８において、熱電対５２で検出された温度から蒸発した溶液４１の溶液量を計算することにより、決定してもよい。例えば、熱電対５２で検出された温度と蒸発した溶液４１の溶液量との相関データを事前に取得し、取得したデータに基づいて溶液４１の供給量を決定してもよい。なお、蒸発した溶液４１の溶液量の計算および供給量の決定は、コントローラ３８を介してコンピュータ３５により行ってもよい。

［プローブ顕微鏡の動作］
ここで、プローブ顕微鏡１の動作について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態にかかるプローブ顕微鏡１を用いた観測方法を示す概略図である。

まず、プローブ顕微鏡１において、スキャナ２４は、コンピュータ３５に制御されて、試料ステージ２２をＸ方向およびＹ方向に走査する。Ｘ方向およびＹ方向への試料ステージ２２の走査中、発振器３６は、周波数ｆの正弦波電圧を圧電素子に印加しカンチレバー１０を励振する。試料２０およびカンチレバー１０は、相対的にＸ方向およびＹ方向に走査される。

試料２０のＸ方向およびＹ方向の走査中、センサ３１は、カンチレバー１０の振動の変位信号を検出し、振幅検出部３３に供給する。振幅検出部３３は、供給された変位信号から振幅成分を検出してフィードバック制御部３４に供給する。フィードバック制御部３４は、検出された振幅がセットポイントと一致するように、スキャナ２４のＺ方向の移動についてフィードバック制御を行う。

スキャナ２４のＺ方向のフィードバック制御では、フィードバック制御部３４は、振幅とセットポイントとの差に応じたフィードバック信号を生成し、スキャナ２４に供給する。スキャナ２４は、供給されたフィードバック信号に従ってＺ方向に動作する。ここで、振幅は、カンチレバー１０と試料２０との間の距離に応じて変化する。したがって、フィードバック制御により、カンチレバー１０と試料２０の距離は、一定に保たれる。

また、試料２０のＸ方向およびＹ方向の走査中、コントローラ３８から配線５０と電極１６ａおよび電極１６ｂとを介して昇温ホルダ１１の透明部材１５に電圧が印加される。具体的には、電極１６ａおよび電極１６ｂからＩＴＯ膜１５ｂに電圧が印加される。これにより、ＩＴＯ膜１５ｂが形成されたガラス基板１５ａ全体が均一に加熱される。よって、昇温ホルダ１１に設けられた溶液保持部１３の内部に配置された溶液４１は、所定の温度に昇温される。また、試料２０の走査中も熱電対５２により溶液４１の温度を計測しフィードバック制御を行うことで、試料２０の走査中に、溶液４１を一定の温度に均一に安定して昇温することができる。これにより、走査中の試料２０の温度も、一定の温度に安定して昇温することができる。

また、コントローラ３８は、試料２０のＸ方向およびＹ方向の走査中、熱電対５２により計測された溶液４１の温度に基づいて、溶液４１の蒸発量を計算する。そして、計算された溶液４１の蒸発量に基づいて、溶液供給部４０から新たに溶液４１が供給される。これにより、溶液保持部１３に保持された溶液４１の溶液量を試料２０の観測中に気にする必要がなく、安定した条件下で試料２０の表面の状態または動態の観測を続けることができる。なお、コントローラ３８は、熱電対５２により計測された溶液４１の温度に基づいて、溶液４１の蒸発量を計算することに限らず、溶液４１の蒸発速度を計算してもよい。また、溶液４１の蒸発速度から、さらに溶液４１の蒸発量を計算してもよい。

このように、プローブ顕微鏡１では、溶液４１の温度を一定に均一に昇温しながら、カンチレバー１０と試料２０とをＸ方向およびＹ方向へ相対的に走査することができる。

また、フィードバック信号は、コンピュータ３５にも供給される。フィードバック信号は、スキャナ２４をＺ方向に駆動する信号であり、試料２０のＺ方向の高さに対応している。また、試料２０におけるＸ方向およびＹ方向の位置は、コンピュータ３５により制御されている。コンピュータ３５は、Ｘ方向およびＹ方向への走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料２０の表面の状態または動態に関する画像を生成してモニタ３７に表示する。これにより、試料２０の表面の状態または動態に関する三次元画像が好適に生成され、表示される。

［プローブ顕微鏡による計測例］
以下、プローブ顕微鏡１を用いた計測例について、図７を用いて説明する。

本観測例では、観測用の試料２０として、ＤＰＰＣ脂質二重膜を用いた。ＤＰＰＣ脂質二重膜は、固相から液相への相転移温度が４１℃程度である。本観測例では、室温（２５℃）、３７℃および４３℃の溶液４１中で、ＤＰＰＣ脂質二重膜の表面状態の変化を観測した。

図７は、本実施の形態にかかるプローブ顕微鏡１を用いた観測例であり、（ａ）は溶液４１の温度を室温（２５℃）とした場合の観測像、（ｂ）は溶液４１の温度を３７℃とした場合の観測像、（ｃ）は溶液４１の温度を４３℃とした場合の観測像である。なお、図７の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれＤＰＰＣ脂質二重膜において異なる部分の表面状態を観測している。

図７の（ａ）に示すように、室温（２５℃）の溶液４１中にＤＰＰＣ脂質二重膜を配置し、配置後０秒、４秒、８秒、１１．５秒後の試料表面の計測を行った結果、表面状態の変化は見られなかった。すなわち、室温では、ＤＰＰＣ脂質二重膜は固相状態のままであり、表面状態は変化していないといえる。

また、図７の（ｂ）に示すように、３７℃の溶液４１中にＤＰＰＣ脂質二重膜を配置し、配置後０秒、４秒、８秒、１２秒後の試料表面の計測を行った結果も同様であり、表面状態の変化は見られなかった。すなわち、相転移温度以下の３７℃では、ＤＰＰＣ脂質二重膜は固相状態のままであり、表面状態は変化していないといえる。

また、図７の（ｃ）に示すように、４３℃の溶液４１中にＤＰＰＣ脂質二重膜を配置し、配置後０秒、４秒、８秒、１２秒後の試料表面の計測を行った結果、表面状態は時間が経過するにつれて変化している。すなわち、相転移温度以上の４３℃では、ＤＰＰＣ脂質二重膜は時間の経過とともに固相状態から液相状態に変化しており、表面状態が柔らかく変化しているといえる。また、観測像全体について筋状の変化が表れており、試料全体が均一に昇温され、変化していることがわかる。

このように、本実施の形態にかかるプローブ顕微鏡１を用いると、溶液４１を介して試料２０に温度を印加することができるので、温度変化により変化を伴う材料の観測を行うことができる。また、プローブ顕微鏡１によると、試料全体を均一に昇温することができるといえる。

［効果等］
以上、本実施の形態にかかる昇温ホルダによると、電極に電流を流すことにより、溶液保持部の穴部に保持されている観測用の溶液を、穴部の底面側から均一に昇温することができる。したがって、溶液に浸漬される、観測対象物である試料を均一に昇温することができる。

（その他の実施の形態）
以上、本発明にかかる昇温ホルダおよびプローブ顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。

例えば、上述した実施の形態では、透明部材として、片面にＩＴＯ膜を形成したガラス基板を用いたが、透明部材の構成はこれに限らない。例えば、ガラス基板に代えて透明樹脂基板を用いてもよいし、他の構成であってもよい。

また、上述した実施の形態では、探針としてカンチレバーを備えたプローブ顕微鏡について説明をしたが、探針はカンチレバーに限らず他の構成の探針であってもよい。また、探針以外の手段により試料の表面を走査してもよい。

また、上述した実施の形態に示したように、昇温ホルダは、溶液供給部を備える構成であってもよいし備えない構成であってもよい。また、プローブ顕微鏡は、熱電対を備える構成であってもよいし備えない構成であってもよい。

また、上述した実施の形態では、コントローラにより溶液の蒸発量の計算を行っていたが、溶液の蒸発量の計算はコンピュータにより行ってもよい。この場合、コントローラは、熱電対により計測された温度および時間をコンピュータに供給するとしてもよい。また、コントローラおよびコンピュータは、溶液の蒸発量の計算に限らず、溶液の蒸発速度の計算を行ってもよい。また、コントローラおよびコンピュータは、計算された溶液の蒸発速度からさらに蒸発量の計算を行ってもよい。

また、溶液の供給量は、上述した蒸発量または蒸発速度から決定してもよいし、定められた供給量であってもよいし、あらかじめ計測した蒸発量または蒸発速度のデータから決定してもよい。

また、プローブ顕微鏡の構成は、上記したものに限らず、プローブ顕微鏡の種類に応じて適宜変更してもよい。例えば、カンチレバーおよび試料ステージに、フィードバック制御のための超音波を印加してもよいし、印加しなくてもよい。

本発明にかかる昇温ホルダは、温度変化をさせながら試料表面の物理情報または試料の化学的性質を観測するプローブ顕微鏡、プローブ走査装置に有用である。

１ プローブ顕微鏡
１０ カンチレバー（探針）
１０ａ 探針
１０ｂ 梁部
１１ 昇温ホルダ
１２ ホルダ本体部
１３ 溶液保持部
１３ａ 穴部
１４ 探針支持部
１５ 透明部材
１５ａ ガラス基板（透明部材）
１５ｂ ＩＴＯ膜（透明部材）
１６ａ、１６ｂ 電極
１７ａ、１７ｂ 配線
２０ 試料
２２ 試料ステージ（試料ホルダ）
２４ スキャナ
３０ レーザユニット
３１ センサ
３３ 振幅検出部
３４ フィードバック制御部
３５ コンピュータ（画像処理部）
３６ 発振器
３７ モニタ（表示部）
３８ コントローラ（温度制御部）
４０ 溶液供給部
４１ 溶液
５０ 配線
５２ 熱電対（温度センサ部）

Claims (7)

1. 溶液中で試料を計測するための前記溶液を昇温する昇温ホルダであって、
   前記溶液を保持する穴部を有する溶液保持部と、
   前記溶液保持部の片面に設けられ、前記穴部の底面を構成する透明部材と、
   前記透明部材の前記溶液保持部が配置された側と反対側の面に設けられた電極とを備え、
   前記電極に電流を流すことにより前記穴部に保持される前記溶液を昇温し、
   前記昇温ホルダは、前記溶液保持部の前記透明部材が配置された側と反対側の面であって前記穴部の外に、前記試料に対して相対的に走査される探針を支持する探針支持部および前記探針を備え、
   前記探針の先端は、前記透明部材が配置された側と反対側を向くように前記探針支持部に支持されている
   昇温ホルダ。
2. 前記透明部材は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜を有する
   請求項１に記載の昇温ホルダ。
3. 前記透明部材は、前記ＩＴＯ膜と前記溶液保持部との間に透明の絶縁体を有する
   請求項２に記載の昇温ホルダ。
4. 前記昇温ホルダは、前記溶液を供給する溶液供給部を備える
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の昇温ホルダ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の昇温ホルダと、
   前記試料を保持する試料ホルダと、
   前記試料ホルダを走査するスキャナと、
   前記探針に所定の周波数の電圧を印加する発振器と、
   前記所定の周波数に対応する周波数で変化する振幅信号を検出する振幅検出部と、
   前記振幅信号に基づいて画像を生成する画像処理部と、
   前記画像を表示する表示部とを備える
   プローブ顕微鏡。
6. 前記昇温ホルダに保持されている前記溶液の温度を検出する温度センサ部と、
   前記溶液の温度を所定の温度にするために前記昇温ホルダの温度を制御する温度制御部とを備える
   請求項５に記載のプローブ顕微鏡。
7. 前記温度制御部は、前記溶液保持部の穴部に保持されている前記溶液の温度変化から前記溶液の蒸発量を計算し、
   前記プローブ顕微鏡は、前記計算した蒸発量に基づいて、前記溶液供給部により前記溶液を前記溶液保持部の前記穴部に供給する
   請求項４に従属する請求項５に記載のプローブ顕微鏡。