JPH0534144A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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- JPH0534144A JPH0534144A JP3190197A JP19019791A JPH0534144A JP H0534144 A JPH0534144 A JP H0534144A JP 3190197 A JP3190197 A JP 3190197A JP 19019791 A JP19019791 A JP 19019791A JP H0534144 A JPH0534144 A JP H0534144A
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- sample
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Abstract
(57)【要約】
【目的】大気中において安定に原子像を得ることがで
き、さらには試料表面の化学的状態を評価できる原子間
力顕微鏡を提供する。 【構成】大気中においてカンチレバー先端と試料表面と
を接近させて原子間力を検出する原子間力顕微鏡におい
て、カンチレバー５の表面にステアリン酸のＬＢ膜１３
を偶数層形成し、水に対して疎水的な表面にする。
き、さらには試料表面の化学的状態を評価できる原子間
力顕微鏡を提供する。 【構成】大気中においてカンチレバー先端と試料表面と
を接近させて原子間力を検出する原子間力顕微鏡におい
て、カンチレバー５の表面にステアリン酸のＬＢ膜１３
を偶数層形成し、水に対して疎水的な表面にする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡に関し、
特にカンチレバーの改良に関する。
特にカンチレバーの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）および
ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の進展により、様々な物質に
関して、表面の原子１個１個の像を観察することが可能
となってきた。
ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の進展により、様々な物質に
関して、表面の原子１個１個の像を観察することが可能
となってきた。
【０００３】ＳＴＭが金属半導体など導電性材料の観察
に適しているのに対して、ＡＦＭは試料の導電性に対す
る制限がない。このため、ＡＦＭは、導電性材料だけで
なくＳＴＭでは評価が不可能な絶縁性材料をも評価の対
象にできることから、大きな関心を集めている。実際に
ＡＦＭにより、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＮａＣｌなどの絶
縁体の表面の原子配列の明瞭な像が得られている（Ｔ．
Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔａｎｄ Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ，
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，６２，２５９９（１９８
７）；Ｇ．Ｍｅｙｅｒ ａｎｄ Ｎ．Ｍ．Ａｍｅｒ，Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５６，２１００（１９
９０））。
に適しているのに対して、ＡＦＭは試料の導電性に対す
る制限がない。このため、ＡＦＭは、導電性材料だけで
なくＳＴＭでは評価が不可能な絶縁性材料をも評価の対
象にできることから、大きな関心を集めている。実際に
ＡＦＭにより、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＮａＣｌなどの絶
縁体の表面の原子配列の明瞭な像が得られている（Ｔ．
Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔａｎｄ Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ，
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，６２，２５９９（１９８
７）；Ｇ．Ｍｅｙｅｒ ａｎｄ Ｎ．Ｍ．Ａｍｅｒ，Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５６，２１００（１９
９０））。
【０００４】ＡＦＭでは、主に大気中または水中におい
て、カンチレバーと試料表面とを接近させ、カンチレバ
ー先端の原子と試料表面原子との間に働く斥力が一定と
なるような条件で走査させるという方法により原子像を
得ている。したがって、この手法で原子像を安定に得る
ためには、カンチレバー／試料表面間の距離と力との関
係（以下、フォースカーブという）が一義的に決定さ
れ、かつ距離を近づけたり遠ざけたりする間にこの関係
が変化せず一定に保たれる、つまりヒステリシスが現れ
ないということが重要になる。
て、カンチレバーと試料表面とを接近させ、カンチレバ
ー先端の原子と試料表面原子との間に働く斥力が一定と
なるような条件で走査させるという方法により原子像を
得ている。したがって、この手法で原子像を安定に得る
ためには、カンチレバー／試料表面間の距離と力との関
係（以下、フォースカーブという）が一義的に決定さ
れ、かつ距離を近づけたり遠ざけたりする間にこの関係
が変化せず一定に保たれる、つまりヒステリシスが現れ
ないということが重要になる。
【０００５】この点に関して、カリフォルニア大学サン
タバーバラのＷｅｉｓｅｎｈｏｌｍらによる、大気中お
よび水中の各々におけるフォースカーブの測定結果が注
目される（Ａ．Ｌ．Ｗｅｉｓｅｎｈｏｌｍ ｅｔ ａ
ｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５４，２６５
１（１９８９））。その結果によれば、水中で測定され
たフォースカーブには５×１０-9Ｎのヒステリシスしか
現れないのに対して、大気中で測定されたフォースカー
ブには４×１０-7Ｎもの大きな値のヒステリシスが現れ
る。大気中で原子像を得るためには、ヒステリシス以上
の大きさの斥力が働くまでカンチレバーを接近させた状
態で走査させる必要があり、この場合試料を破壊するお
それがある。このため、現状では大気中でのＡＦＭ測定
で安定な動作は得られていない。
タバーバラのＷｅｉｓｅｎｈｏｌｍらによる、大気中お
よび水中の各々におけるフォースカーブの測定結果が注
目される（Ａ．Ｌ．Ｗｅｉｓｅｎｈｏｌｍ ｅｔ ａ
ｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５４，２６５
１（１９８９））。その結果によれば、水中で測定され
たフォースカーブには５×１０-9Ｎのヒステリシスしか
現れないのに対して、大気中で測定されたフォースカー
ブには４×１０-7Ｎもの大きな値のヒステリシスが現れ
る。大気中で原子像を得るためには、ヒステリシス以上
の大きさの斥力が働くまでカンチレバーを接近させた状
態で走査させる必要があり、この場合試料を破壊するお
それがある。このため、現状では大気中でのＡＦＭ測定
で安定な動作は得られていない。
【０００６】大気中で測定されたフォースカーブに現れ
る大きなヒステリシスの原因は、カンチレバー先端と試
料表面との間に水滴が存在し、その水滴に起因した表面
張力が働くためであると考えられている（Ｒ．Ｅｒｌａ
ｎｄｓｏｎ ｅｔａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃ
ｎｏｌ．，Ａ６（２），２６６（１９８８））。したが
って、大気中で原子像を安定して得るためには、水滴に
由来する表面張力を低減させることが不可欠な課題とな
っている。
る大きなヒステリシスの原因は、カンチレバー先端と試
料表面との間に水滴が存在し、その水滴に起因した表面
張力が働くためであると考えられている（Ｒ．Ｅｒｌａ
ｎｄｓｏｎ ｅｔａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃ
ｎｏｌ．，Ａ６（２），２６６（１９８８））。したが
って、大気中で原子像を安定して得るためには、水滴に
由来する表面張力を低減させることが不可欠な課題とな
っている。
【０００７】また、現在までのところＡＦＭの主な目的
は表面原子像を得ることにあるが、将来的には前述した
フォースカーブを精度よく測定することにより試料表面
に関する化学的情報を得ることが期待されている。すな
わち、カンチレバーと試料表面との間の距離が約０．３
ｎｍ程度の領域では電子間の交換相互作用に起因する斥
力が働く。この斥力はカンチレバー／試料表面間距離が
離れるにしたがって指数関数的に減少し、両者の距離が
０．４ｎｍ以上離れた領域ではほとんど無視できる大き
さになる。カンチレバー／試料表面間に働く力として
は、ファンデルワールス相互作用、双極子−双極子相互
作用、双極子−電荷相互作用、電荷−電荷相互作用など
がある。このうちどのような機構の力が働くかは、カン
チレバー表面および試料表面の化学状態に依存する。と
ころが、前述した水滴に起因する表面張力は、カンチレ
バー／試料表面間の距離が１０〜１００ｎｍ離れた領域
から起こるため、カンチレバーおよび試料の表面の化学
状態に起因する力は隠されてしまう。したがって、水滴
に起因する表面張力の影響を除外し、フォースカーブに
カンチレバーおよび試料の表面の化学状態に本質的に起
因する力だけが現れるような測定状況を設定できれば、
フォースカーブの形状から未知の試料表面の化学状態を
識別することもできる。しかし、現状ではこのような目
的を達成することはできない。
は表面原子像を得ることにあるが、将来的には前述した
フォースカーブを精度よく測定することにより試料表面
に関する化学的情報を得ることが期待されている。すな
わち、カンチレバーと試料表面との間の距離が約０．３
ｎｍ程度の領域では電子間の交換相互作用に起因する斥
力が働く。この斥力はカンチレバー／試料表面間距離が
離れるにしたがって指数関数的に減少し、両者の距離が
０．４ｎｍ以上離れた領域ではほとんど無視できる大き
さになる。カンチレバー／試料表面間に働く力として
は、ファンデルワールス相互作用、双極子−双極子相互
作用、双極子−電荷相互作用、電荷−電荷相互作用など
がある。このうちどのような機構の力が働くかは、カン
チレバー表面および試料表面の化学状態に依存する。と
ころが、前述した水滴に起因する表面張力は、カンチレ
バー／試料表面間の距離が１０〜１００ｎｍ離れた領域
から起こるため、カンチレバーおよび試料の表面の化学
状態に起因する力は隠されてしまう。したがって、水滴
に起因する表面張力の影響を除外し、フォースカーブに
カンチレバーおよび試料の表面の化学状態に本質的に起
因する力だけが現れるような測定状況を設定できれば、
フォースカーブの形状から未知の試料表面の化学状態を
識別することもできる。しかし、現状ではこのような目
的を達成することはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来、大気中で動作さ
せるＡＦＭでは、カンチレバーと試料表面との間に存在
する水滴に起因する表面張力が働く結果、フォースカー
ブにヒステリシスが現れていた。そして、大気中で原子
像を得るためには、ヒステリシスの値よりも大きな斥力
が働くような、いいかえれば試料破壊をもたらすような
条件で動作させなければならないという欠点があった。
また、試料表面の四重極双極子、電荷などの化学的状態
に起因する力を評価できないという欠点があった。本発
明の目的は、大気中において安定に原子像を得ることが
でき、さらには試料表面の化学的状態を評価できる原子
間力顕微鏡を提供することにある。
せるＡＦＭでは、カンチレバーと試料表面との間に存在
する水滴に起因する表面張力が働く結果、フォースカー
ブにヒステリシスが現れていた。そして、大気中で原子
像を得るためには、ヒステリシスの値よりも大きな斥力
が働くような、いいかえれば試料破壊をもたらすような
条件で動作させなければならないという欠点があった。
また、試料表面の四重極双極子、電荷などの化学的状態
に起因する力を評価できないという欠点があった。本発
明の目的は、大気中において安定に原子像を得ることが
でき、さらには試料表面の化学的状態を評価できる原子
間力顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微鏡
は、大気中においてカンチレバー先端と試料表面とを接
近させて原子間力を検出する原子間力顕微鏡において、
前記カンチレバーの表面を水に対して疎水的な表面にし
たことを特徴とするものである。
は、大気中においてカンチレバー先端と試料表面とを接
近させて原子間力を検出する原子間力顕微鏡において、
前記カンチレバーの表面を水に対して疎水的な表面にし
たことを特徴とするものである。
【００１０】本発明において、カンチレバーの母材は、
Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｗ、Ｐｔ−Ｉｒ
などの金属もしくは合金、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導
体、またはＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 などの絶縁体のいずれ
でもよい。
Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｗ、Ｐｔ−Ｉｒ
などの金属もしくは合金、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導
体、またはＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 などの絶縁体のいずれ
でもよい。
【００１１】本発明において、カンチレバーの表面が水
に対して疎水的であるとは、カンチレバーの水との接触
角が６０〜１８０°であることをいう。カンチレバー表
面を疎水的にするためには、カンチレバー表面を、末端
に例えば次式で表される疎水性の原子団を有する分子で
被覆する方法が挙げられる。これらの末端を有する分子
の表面密度は１０14ｃｍ-2以上であることが好ましい。
に対して疎水的であるとは、カンチレバーの水との接触
角が６０〜１８０°であることをいう。カンチレバー表
面を疎水的にするためには、カンチレバー表面を、末端
に例えば次式で表される疎水性の原子団を有する分子で
被覆する方法が挙げられる。これらの末端を有する分子
の表面密度は１０14ｃｍ-2以上であることが好ましい。
【００１２】
【化１】
【００１３】より具体的には、例えばラングミュア・ブ
ロジェット法により、カンチレバー表面に疎水性末端が
露出するように両親媒性分子の薄膜を被覆する方法が挙
げられる。この方法で用いられる分子としては、ステア
リン酸、ステアリルアルコール、ステアリン酸カドミウ
ム、アラキジン酸などが挙げられる。また、蒸着法また
は吸着法により、カンチレバー表面を、疎水性の原子団
を有する分子で被覆してもよい。
ロジェット法により、カンチレバー表面に疎水性末端が
露出するように両親媒性分子の薄膜を被覆する方法が挙
げられる。この方法で用いられる分子としては、ステア
リン酸、ステアリルアルコール、ステアリン酸カドミウ
ム、アラキジン酸などが挙げられる。また、蒸着法また
は吸着法により、カンチレバー表面を、疎水性の原子団
を有する分子で被覆してもよい。
【００１４】
【作用】本発明の原子間力顕微鏡では、水に対して疎水
的な表面を有するカンチレバーを用いているので、カン
チレバー表面への水の吸着が著しく抑制される。この結
果、フォースカーブには水の表面張力に由来する成分が
現れず、カンチレバーと試料とを接近させたときと離し
たときとでヒステリシスが現れなくなる。したがって、
本発明の原子間力顕微鏡は１×１０-9Ｎという従来より
も小さい斥力が働くような条件で動作させることがで
き、試料表面の原子像を容易に得ることができる。ま
た、カンチレバー／試料表面間で働くファンデルワール
ス相互作用、双極子−双極子相互作用など、カンチレバ
ーおよび試料の表面の化学状態に起因する力の測定も可
能になる。
的な表面を有するカンチレバーを用いているので、カン
チレバー表面への水の吸着が著しく抑制される。この結
果、フォースカーブには水の表面張力に由来する成分が
現れず、カンチレバーと試料とを接近させたときと離し
たときとでヒステリシスが現れなくなる。したがって、
本発明の原子間力顕微鏡は１×１０-9Ｎという従来より
も小さい斥力が働くような条件で動作させることがで
き、試料表面の原子像を容易に得ることができる。ま
た、カンチレバー／試料表面間で働くファンデルワール
ス相互作用、双極子−双極子相互作用など、カンチレバ
ーおよび試料の表面の化学状態に起因する力の測定も可
能になる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の実施例における原子間力顕微鏡の
構成図である。図２はこの原子間力顕微鏡を構成するカ
ンチレバーの断面図である。
する。図１は本発明の実施例における原子間力顕微鏡の
構成図である。図２はこの原子間力顕微鏡を構成するカ
ンチレバーの断面図である。
【００１６】図１に示すように、防震台１上に微動／粗
動機構２が設置され、その上に試料３が載せられる。試
料３は微動／粗動機構２により垂直方向および水平方向
に移動される。試料３上方にはカンチレバーホルダ４が
固定され、このカンチレバーホルダ４の下面にはカンチ
レバー５が固定される。カンチレバー５の変位は、半導
体レーザー、ミラー、レンズ、フォトダイオードなどか
ら構成されるカンチレバー変位検出光学系６によりフォ
トダイオードの出力として検出される。すなわち、カン
チレバー５の背面にレーザー光が照射され、その反射光
がフォトダイオードで検出されるように構成されてお
り、カンチレバー５の変位がフォトダイオードの出力変
動として検出され、記録計７に記録される。微動／粗動
機構２はコントロールユニット８により制御される。
動機構２が設置され、その上に試料３が載せられる。試
料３は微動／粗動機構２により垂直方向および水平方向
に移動される。試料３上方にはカンチレバーホルダ４が
固定され、このカンチレバーホルダ４の下面にはカンチ
レバー５が固定される。カンチレバー５の変位は、半導
体レーザー、ミラー、レンズ、フォトダイオードなどか
ら構成されるカンチレバー変位検出光学系６によりフォ
トダイオードの出力として検出される。すなわち、カン
チレバー５の背面にレーザー光が照射され、その反射光
がフォトダイオードで検出されるように構成されてお
り、カンチレバー５の変位がフォトダイオードの出力変
動として検出され、記録計７に記録される。微動／粗動
機構２はコントロールユニット８により制御される。
【００１７】カンチレバー５としては図２に示すものが
用いられている。このカンチレバー５は以下のようにし
て作製された。ＳｉＮからなるカンチレバー母材１１を
ヘキサメチルジシラザン気相中に２４時間放置した後、
１００℃でベーキングすることにより、ヘキサメチルジ
シラザンの吸着層１２を形成した。次に、ＬＢ膜形成装
置のトラフにステアリン酸ＣＨ3 （ＣＨ2 ）16ＣＯＯＨ
の単分子膜を形成し、吸着層１２の上に偶数層のステア
リン酸のＬＢ膜１３を形成した。ＬＢ膜の層数を偶数層
にすれば、カンチレバー５の表面にはメチレン鎖末端の
メチル基が露出して疎水的になる。本発明の原子間力顕
微鏡によりフォースカーブを測定した結果を図３に示
す。
用いられている。このカンチレバー５は以下のようにし
て作製された。ＳｉＮからなるカンチレバー母材１１を
ヘキサメチルジシラザン気相中に２４時間放置した後、
１００℃でベーキングすることにより、ヘキサメチルジ
シラザンの吸着層１２を形成した。次に、ＬＢ膜形成装
置のトラフにステアリン酸ＣＨ3 （ＣＨ2 ）16ＣＯＯＨ
の単分子膜を形成し、吸着層１２の上に偶数層のステア
リン酸のＬＢ膜１３を形成した。ＬＢ膜の層数を偶数層
にすれば、カンチレバー５の表面にはメチレン鎖末端の
メチル基が露出して疎水的になる。本発明の原子間力顕
微鏡によりフォースカーブを測定した結果を図３に示
す。
【００１８】比較のために、従来のＳｉＮからなるカン
チレバー（図２のカンチレバー母材１１のみからなるも
の）を用いた原子間力顕微鏡によりフォースカーブを測
定した結果を図４に示す。
チレバー（図２のカンチレバー母材１１のみからなるも
の）を用いた原子間力顕微鏡によりフォースカーブを測
定した結果を図４に示す。
【００１９】図４では、試料をカンチレバーに接近させ
たときに小さい引力が、離したときに大きい引力が働い
ていることがわかる。また、図４では、大きいヒステリ
シスが現れている。これらの原因は、カンチレバー表面
に吸着された水滴の表面張力によるものであると考えら
れる。一方、図３では、図４における水滴の表面張力に
起因すると考えられる引力はほとんど観測されず、ヒス
テリシスもほとんどなくなっている。
たときに小さい引力が、離したときに大きい引力が働い
ていることがわかる。また、図４では、大きいヒステリ
シスが現れている。これらの原因は、カンチレバー表面
に吸着された水滴の表面張力によるものであると考えら
れる。一方、図３では、図４における水滴の表面張力に
起因すると考えられる引力はほとんど観測されず、ヒス
テリシスもほとんどなくなっている。
【００２０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の原子間力顕
微鏡を用いれば、大気中において安定に原子像を得るこ
とができ、ひいては試料表面の化学的状態を評価でき
る。
微鏡を用いれば、大気中において安定に原子像を得るこ
とができ、ひいては試料表面の化学的状態を評価でき
る。
【図１】本発明の実施例における原子間力顕微鏡の構成
図。
図。
【図２】本発明の実施例における原子間力顕微鏡に用い
られるカンチレバーの断面図。
られるカンチレバーの断面図。
【図３】本発明に係る原子間力顕微鏡を用いて測定され
たフォースカーブを示す図。
たフォースカーブを示す図。
【図４】従来の原子間力顕微鏡を用いて測定されたフォ
ースカーブを示す図。
ースカーブを示す図。
１…防震台、２…微動／粗動機構、３…試料、４…カン
チレバーホルダ、５…カンチレバー、６…カンチレバー
変位検出光学系、７…コントロールユニット、８…記録
計。
チレバーホルダ、５…カンチレバー、６…カンチレバー
変位検出光学系、７…コントロールユニット、８…記録
計。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 大気中においてカンチレバー先端と試料
表面とを接近させて原子間力を検出する原子間力顕微鏡
において、前記カンチレバーの表面を水に対して疎水的
な表面にしたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3190197A JPH0534144A (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3190197A JPH0534144A (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 原子間力顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0534144A true JPH0534144A (ja) | 1993-02-09 |
Family
ID=16254068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3190197A Pending JPH0534144A (ja) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0534144A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003534141A (ja) * | 2000-05-26 | 2003-11-18 | ノースウエスタン ユニバーシティ | 走査プローブ顕微鏡チップの使用方法及び該使用方法を実施するための製品又は該使用方法によって製造される製品 |
| JP2008111735A (ja) * | 2006-10-31 | 2008-05-15 | Sii Nanotechnology Inc | 試料操作装置 |
| JP2009216490A (ja) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Dainippon Printing Co Ltd | パターン寸法形状測定方法 |
| US8247032B2 (en) | 1999-01-07 | 2012-08-21 | Northwestern University | Methods utilizing scanning probe microscope tips and products therefor or produced thereby |
-
1991
- 1991-07-30 JP JP3190197A patent/JPH0534144A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8247032B2 (en) | 1999-01-07 | 2012-08-21 | Northwestern University | Methods utilizing scanning probe microscope tips and products therefor or produced thereby |
| JP2003534141A (ja) * | 2000-05-26 | 2003-11-18 | ノースウエスタン ユニバーシティ | 走査プローブ顕微鏡チップの使用方法及び該使用方法を実施するための製品又は該使用方法によって製造される製品 |
| JP2008111735A (ja) * | 2006-10-31 | 2008-05-15 | Sii Nanotechnology Inc | 試料操作装置 |
| JP2009216490A (ja) * | 2008-03-10 | 2009-09-24 | Dainippon Printing Co Ltd | パターン寸法形状測定方法 |
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