JPWO2017159593A1 - Raman scattered light measuring device, probe, and method of manufacturing the probe - Google Patents
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Abstract
高感度にラマン散乱光を測定することを可能にするラマン散乱光測定装置、探針及び探針の製造方法を提供する。
探針(12)の先端へ集束イオンビームを照射することにより、探針(12)の先端を除去して先端面(14)を形成する。次に、探針(12)を塩化金酸水溶液(金属イオン含有溶液)に浸漬させる。先端面(14)にAuが析出し、Auナノ構造体(金属ナノ構造体)の集合体(13)が形成される。探針(12)は先端増強ラマン散乱の測定に使用される。ラマン散乱光測定装置では、試料載置面(51)の垂線(53)に対して、探針(12)の先端面(14)が非直角になり、レンズ(4)の光軸(41)が傾いている。試料(52)上のラマン散乱光が発生する部分とレンズ(4)との間にある探針(12)の部分が少なく、発生したラマン散乱光が探針(12)によって吸収又は反射される割合が低く、レンズ(4)でラマン散乱光を集光する効率が高い。Provided are a Raman scattered light measuring device, a probe, and a method of manufacturing a probe that make it possible to measure Raman scattered light with high sensitivity.
By irradiating the tip of the probe (12) with a focused ion beam, the tip of the probe (12) is removed to form the tip surface (14). Next, the probe (12) is immersed in a chloroauric acid aqueous solution (metal ion-containing solution). Au is deposited on the tip surface (14), and an aggregate (13) of Au nanostructures (metal nanostructures) is formed. The probe (12) is used to measure tip enhanced Raman scattering. In the Raman scattered light measurement device, the tip surface (14) of the probe (12) is non-perpendicular to the perpendicular (53) of the sample mounting surface (51), and the optical axis (41) of the lens (4). Is tilted. There are few portions of the probe (12) between the portion where the Raman scattered light is generated on the sample (52) and the lens (4), and the generated Raman scattered light is absorbed or reflected by the probe (12). A ratio is low and the efficiency which condenses Raman scattered light with a lens (4) is high.
Description
本発明は、先端増強ラマン散乱を測定するためのラマン散乱光測定装置、探針及び探針の製造方法に関する。 The present invention relates to a Raman scattered light measurement device, a probe, and a probe manufacturing method for measuring tip-enhanced Raman scattering.
先端増強ラマン散乱は、探針の金属製の先端を試料に近接又は接触させ、探針の先端へ光を照射し、増強されたラマン散乱光を試料から発生させる方法である。探針の金属製の先端へ光を照射することによって局在プラズモンが誘起され、局所的に増強された電場が発生し、ラマン散乱光が増強される。先端増強ラマン散乱を利用することで、試料の微小領域のラマン分光分析が可能となる。探針には、AFM(Atomic Force Microscope )等のSPM(Scanning Probe Microscope )用の探針の先端に金属ナノ構造体を形成したものが用いられる。探針は、カンチレバーの端部に角錐状に形成されている。特許文献1には、探針の先端へ光を照射し、先端増強ラマン散乱を実現する技術が開示されている。
Tip-enhanced Raman scattering is a method in which a metal tip of a probe is brought close to or in contact with a sample, light is irradiated to the tip of the probe, and enhanced Raman scattered light is generated from the sample. Irradiation of light to the tip of the probe made of metal induces localized plasmons, generates a locally enhanced electric field, and enhances Raman scattered light. By utilizing the tip-enhanced Raman scattering, Raman spectroscopic analysis of a minute region of the sample becomes possible. As the probe, a probe having a metal nanostructure formed at the tip of a probe for SPM (Scanning Probe Microscope) such as AFM (Atomic Force Microscope) is used. The probe is formed in a pyramid shape at the end of the cantilever.
先端増強ラマン散乱を測定する際には、探針の先端に光を集光し、また発生したラマン散乱光を集光するためのレンズが必要である。試料の表面に対して探針と同じ側にレンズが配置された測定装置では、試料上のラマン散乱光が発生する部分とレンズとの間に探針の一部が位置することがある。このため、発生したラマン散乱光が探針の一部によって吸収又は反射され、レンズでラマン散乱光を集光する効率が低下し、高感度にラマン散乱光を測定することが困難になることがある。試料の裏側にレンズを配置した測定装置もあり、この測定装置では、ラマン散乱光をレンズで集光する効率が探針によって低下することはない。しかしながら、光が試料を透過する必要があるので、不透明な試料又は厚みのある試料等、光が透過し難い試料については、ラマン散乱光の測定が困難である。従って、光が透過し難い試料については高感度にラマン散乱光を測定することが困難であるという問題がある。 When measuring the tip-enhanced Raman scattering, a lens for collecting light at the tip of the probe and collecting the generated Raman scattered light is required. In a measurement apparatus in which a lens is arranged on the same side as the probe with respect to the surface of the sample, a part of the probe may be located between the lens and the portion where the Raman scattered light is generated. For this reason, the generated Raman scattered light is absorbed or reflected by a part of the probe, the efficiency of collecting the Raman scattered light with the lens is lowered, and it becomes difficult to measure the Raman scattered light with high sensitivity. is there. There is also a measuring device in which a lens is arranged on the back side of the sample. In this measuring device, the efficiency of condensing Raman scattered light with the lens is not reduced by the probe. However, since it is necessary for light to pass through the sample, it is difficult to measure Raman scattered light for samples that are difficult to transmit light, such as opaque samples or thick samples. Therefore, there is a problem that it is difficult to measure Raman scattered light with high sensitivity for a sample that is difficult to transmit light.
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、どんな試料についても高感度にラマン散乱光を測定することを可能にするラマン散乱光測定装置、探針及び探針の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a Raman scattered light measurement apparatus and probe that can measure Raman scattered light with high sensitivity for any sample. And it is providing the manufacturing method of a probe.
本発明に係るラマン散乱光測定装置は、試料が載置される試料載置面と、半導体製の探針と、前記試料に近接又は接触した前記探針の先端部へ光を照射する照射部と、前記試料から発生するラマン散乱光を集光するレンズと、該レンズが集光したラマン散乱光を検出する検出部とを備えるラマン散乱光測定装置において、前記レンズ及び前記探針は、前記試料載置面に対向する位置に配置され、前記レンズは、前記試料載置面の垂線に対して光軸を傾けて配置されており、前記探針は、前記垂線に対して非直角な先端面と、該先端面から突出した金属構造体とを有していることを特徴とする。 The Raman scattered light measurement apparatus according to the present invention includes a sample placement surface on which a sample is placed, a semiconductor probe, and an irradiation unit that irradiates light to the tip of the probe that is close to or in contact with the sample. And a Raman scattered light measuring apparatus comprising: a lens that collects Raman scattered light generated from the sample; and a detection unit that detects the Raman scattered light collected by the lens. The lens is disposed at a position facing the sample mounting surface, the lens is disposed with an optical axis inclined with respect to a normal to the sample mounting surface, and the probe has a tip that is not perpendicular to the normal It has the surface and the metal structure protruded from this front end surface, It is characterized by the above-mentioned.
本発明においては、ラマン散乱光測定装置は、試料載置面に載置された試料に探針の先端部を近接又は接触させ、探針の先端部へ光を照射し、ラマン散乱光をレンズで集光し、検出部で検出する。レンズは、試料載置面の垂線に対して光軸を傾けている。探針には先端面が形成されており、試料載置面の垂線に対して先端面が非直角になっている。先端面から突出した金属構造体が試料に近接又は接触し、光の照射によって先端増強ラマン散乱が発生する。試料上のラマン散乱光が発生する部分とレンズとの間に位置している探針の部分が少なく、発生したラマン散乱光が探針の一部によって吸収又は反射される割合が低い。このため、レンズでラマン散乱光を集光する効率が高い。 In the present invention, the Raman scattered light measuring device brings the tip of the probe close to or in contact with the sample placed on the sample placement surface, irradiates the tip of the probe with light, and emits the Raman scattered light to the lens. The light is collected by and detected by the detection unit. The lens tilts the optical axis with respect to the normal of the sample mounting surface. A tip surface is formed on the probe, and the tip surface is non-perpendicular to the normal to the sample mounting surface. The metal structure protruding from the tip surface approaches or contacts the sample, and tip-enhanced Raman scattering is generated by light irradiation. The portion of the probe located between the lens and the portion where the Raman scattered light is generated on the sample is small, and the ratio of the generated Raman scattered light being absorbed or reflected by a portion of the probe is low. For this reason, the efficiency which condenses Raman scattered light with a lens is high.
本発明に係るラマン散乱光測定装置は、前記光軸を、前記試料載置面に直交する方向の前記試料載置面までの距離が長くなるほど該距離と前記方向の前記先端面までの距離との合計が長くなるような方向に通すように、前記レンズ及び前記探針を配置してあることを特徴とする。 In the Raman scattered light measurement apparatus according to the present invention, the longer the distance to the sample placement surface in the direction perpendicular to the sample placement surface, the longer the distance to the tip surface in the direction. The lens and the probe are arranged so as to pass in a direction in which the sum of the length of the lens and the probe increases.
本発明においては、レンズの光軸の方向を、光軸から試料載置面までの試料載置面に直交する方向の距離が長くなるほど、この距離と光軸から先端面までの試料載置面に直交する方向の距離とを合計した距離が長くなるような方向にするように、探針及びレンズが配置されている。光軸に沿って試料から遠ざかるほど、試料載置面と先端面との間の距離が広がり、試料上のラマン散乱光が発生する部分とレンズとの間に位置している探針の部分が少ない。 In the present invention, as the distance of the optical axis of the lens in the direction perpendicular to the sample mounting surface from the optical axis to the sample mounting surface increases, this distance and the sample mounting surface from the optical axis to the tip surface The probe and the lens are arranged so that the total distance with the distance in the direction orthogonal to the direction becomes longer. The further away from the sample along the optical axis, the wider the distance between the sample mounting surface and the tip surface, and the portion of the probe located between the portion where the Raman scattered light is generated on the sample and the lens. Few.
本発明に係るラマン散乱光測定装置は、前記先端面上の前記試料載置面に最も近い点よりも、前記先端面上の前記試料載置面から最も遠い点の方が前記レンズに近くなるように、前記レンズ及び前記探針を配置してあることを特徴とする。 In the Raman scattered light measurement apparatus according to the present invention, the point farthest from the sample mounting surface on the tip surface is closer to the lens than the point closest to the sample mounting surface on the tip surface. As described above, the lens and the probe are arranged.
本発明においては、先端面上の試料載置面に最も近い点に比べて、先端面上の試料載置面から最も遠い点の方が、レンズに近くなっている。このため、試料上のラマン散乱光が発生する部分とレンズとの間に位置している探針の部分が少ない。 In the present invention, the point farthest from the sample placement surface on the tip surface is closer to the lens than the point closest to the sample placement surface on the tip surface. For this reason, the portion of the probe located between the portion where the Raman scattered light is generated on the sample and the lens is small.
本発明に係るラマン散乱光測定装置は、前記先端面は、非劈開面であることを特徴とする。 In the Raman scattered light measurement apparatus according to the present invention, the tip surface is a non-cleavage surface.
本発明においては、先端面は非劈開面である。このため、先端面は、結晶面とは無関係に必要な傾きに形成されている。 In the present invention, the tip surface is a non-cleavage surface. For this reason, the front end surface is formed with a necessary inclination irrespective of the crystal plane.
本発明に係る探針は、表裏の関係にある二つの面を有するカンチレバーの一面から突出しており、試料に近接又は接触させて用いられる半導体製の探針において、前記カンチレバーの他面に対する垂線に対して非直角又は前記試料が載置される面に対する垂線に対して非直角な先端面と、該先端面から突出した金属構造体とを有していることを特徴とする。 The probe according to the present invention protrudes from one surface of a cantilever having two surfaces which are in a relation of front and back, and in a semiconductor probe used in proximity to or in contact with a sample, the probe is perpendicular to the other surface of the cantilever. It has a tip surface that is non-perpendicular or non-perpendicular to a perpendicular to the surface on which the sample is placed, and a metal structure protruding from the tip surface.
本発明においては、カンチレバーに設けられた探針に先端面が形成されており、先端面から金属構造体が突出している。金属構造体が試料に近接又は接触したときに、先端増強ラマン散乱が発生する。先端面は、カンチレバーの背面の垂線又は試料載置面の垂線に非直角になるように形成されている。これにより、発生したラマン散乱光が探針の一部によって吸収又は反射される割合が低い。 In the present invention, the tip surface is formed on the probe provided on the cantilever, and the metal structure protrudes from the tip surface. Tip enhanced Raman scattering occurs when the metal structure is close to or in contact with the sample. The front end surface is formed so as to be non-perpendicular to the normal line on the back surface of the cantilever or the normal line of the sample mounting surface. As a result, the ratio of the generated Raman scattered light absorbed or reflected by a part of the probe is low.
本発明に係る探針は、前記先端面は、非劈開面であることを特徴とする。 The probe according to the present invention is characterized in that the tip surface is a non-cleavage surface.
本発明においては、先端面は非劈開面である。このため、先端面は、結晶面とは無関係に必要な傾きに形成されている。 In the present invention, the tip surface is a non-cleavage surface. For this reason, the front end surface is formed with a necessary inclination irrespective of the crystal plane.
本発明に係る探針の製造方法は、試料に近接又は接触させて用いられる探針を製造する方法において、表裏の関係にある二つの面を有するカンチレバーの一面から突出した半導体製の針状体から先端を除去することによって、前記カンチレバーの他面に対する垂線に対して非直角又は試料が載置される面に対する垂線に対して非直角な先端面を形成し、金属イオン含有溶液を前記先端面に接触させることによって、前記先端面に金属構造体を成長させることを特徴とする。 A probe manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing a probe used in proximity to or in contact with a sample, and is a semiconductor needle-like body projecting from one surface of a cantilever having two surfaces that are front and back. By removing the tip from the tip, a tip surface that is not perpendicular to the perpendicular to the other surface of the cantilever or perpendicular to the surface on which the sample is placed is formed. A metal structure is grown on the tip surface by contacting with a metal.
本発明においては、探針に先端面を形成し、金属イオン含有溶液を接触させる。先端面に金属が析出して成長し、金属構造体が形成される。先端面から金属構造体が突出した探針が製造される。 In the present invention, a tip surface is formed on the probe and brought into contact with a metal ion-containing solution. A metal deposits and grows on the front end surface, and a metal structure is formed. A probe having a metal structure projecting from the tip surface is manufactured.
本発明に係る探針の製造方法は、エネルギービームの照射により前記針状体の先端を除去することを特徴とする。 The probe manufacturing method according to the present invention is characterized in that the tip of the needle-like body is removed by irradiation with an energy beam.
本発明においては、探針の先端へエネルギービームを照射する。エネルギービームの照射によって、探針の先端が除去され、容易に先端面が形成される。 In the present invention, an energy beam is applied to the tip of the probe. By irradiating the energy beam, the tip of the probe is removed, and the tip surface is easily formed.
本発明に係る探針の製造方法は、エネルギービームの照射によって前記先端面に窪みを形成し、該窪みに金属構造体を成長させることを特徴とする。 The probe manufacturing method according to the present invention is characterized in that a depression is formed in the tip surface by irradiation of an energy beam, and a metal structure is grown in the depression.
本発明においては、エネルギービームを照射して先端面に窪みを形成する。金属イオン含有溶液が接触することによって窪みには金属構造体が成長する。金属構造体は窪みに固着し、探針に確実に固定される。 In the present invention, an energy beam is irradiated to form a depression on the tip surface. When the metal ion-containing solution comes into contact, a metal structure grows in the depression. The metal structure adheres to the recess and is securely fixed to the probe.
本発明に係る探針の製造方法は、金属イオン含有溶液を前記先端面に接触させた後で、前記先端面を乾燥させ、再度、金属イオン含有溶液を前記先端面に接触させることを特徴とする。 The probe manufacturing method according to the present invention is characterized in that after the metal ion-containing solution is brought into contact with the tip surface, the tip surface is dried, and the metal ion-containing solution is again brought into contact with the tip surface. To do.
本発明においては、探針の先端面に金属イオン含有溶液を接触させた後、一旦乾燥させ、再度先端面に金属イオン含有溶液を接触させる。一回目の接触で金属構造体の種が形成され、二回目の接触で金属構造体が効率的に成長する。 In the present invention, after the metal ion-containing solution is brought into contact with the tip surface of the probe, it is once dried and the metal ion-containing solution is brought into contact with the tip surface again. The seed of the metal structure is formed by the first contact, and the metal structure grows efficiently by the second contact.
本発明に係る探針の製造方法は、金属イオン含有溶液はAu、Ag、Pt、Pd又はCuを含むイオンを含有していることを特徴とする。 The probe manufacturing method according to the present invention is characterized in that the metal ion-containing solution contains ions containing Au, Ag, Pt, Pd, or Cu.
本発明においては、Au、Ag、Pt、Pd又はCuを含むイオンを含有する金属イオン含有溶液を用いる。これらの金属の構造体が先端面から突出した探針が製造され、この探針を用いることで先端増強ラマン散乱の測定が可能になる。 In the present invention, a metal ion-containing solution containing ions containing Au, Ag, Pt, Pd or Cu is used. A probe in which these metal structures protrude from the tip surface is manufactured, and tip-enhanced Raman scattering can be measured by using this probe.
本発明にあっては、ラマン散乱光を集光する効率が向上し、どのような試料であってもラマン散乱光を高感度で測定することが可能になる等、優れた効果を奏する。 In the present invention, the efficiency of condensing the Raman scattered light is improved, and the Raman scattered light can be measured with high sensitivity regardless of the sample, and thus excellent effects are exhibited.
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
(実施形態1)
図1は、先端増強ラマン散乱用の探針を示す模式図である。探針保持体1は、Si(シリコン)で平板状に形成されている。探針保持体1の一端にカンチレバー11が設けられている。図中には、カンチレバー11を拡大して示している。カンチレバー11の端部に、探針12が設けられている。カンチレバー11は表裏の関係にある二面を有しており、探針12はカンチレバー11の一面から突出している。以下、カンチレバー11の他面、即ち探針12が設けられている面とは逆の面を背面と言う。探針12は、Siで角錐状に形成されている。更に、図中には、探針12の先端部分を拡大して示している。探針12の先端部は、角錐の先端が除去された形状になっており、先端面14を有する。先端面14からは、複数の金属ナノ構造体が集合した集合体13が突出している。探針12の先端部は、先端面14及び金属ナノ構造体の集合体13を含んだ部分である。本実施形態では、金属ナノ構造体がAu(金)でなるAuナノ構造体である例を示している。個々のAuナノ構造体の大きさは数nm以上1μm未満であり、Auナノ構造体の集合体13の大きさは数μm以下である。Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments thereof.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a tip for tip-enhanced Raman scattering. The
図2A、図2B、図2C、図3A及び図3Bは、実施形態1に係る先端増強ラマン散乱用の探針12の製造方法を示す模式図である。探針12の材料には、AFM用の探針を用いる。製造途中の探針12は、本発明における針状体に対応する。図2A及び図2Bには、カンチレバー11の背面に対する垂線15を一点鎖線で示している。図2Aに示すように、探針12の先端にFIB(Focused Ion Beam、集束イオンビーム)2を照射する。このとき、FIB2の照射軸を垂線15に対して非直角にする。垂線15に対してFIB2の照射軸が傾いた角度をθ1 とする。図2Bに示すように、FIB2の照射により、探針12の先端が除去され、先端面14が形成される。先端面14は、非劈開面である。先端面14は非劈開面であるので、Siの結晶面とは無関係に必要な傾きの先端面14を形成することができる。なお、FIB2以外に、レーザ光等の他のエネルギービームを照射することによって先端面14を形成してもよい。また、ダイヤモンドで探針12の先端を削る方法等、エネルギービームの照射以外の方法で先端面14を形成してもよい。2A, 2B, 2C, 3A, and 3B are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing the
次に、図2Bに示すように、先端面14へFIB2を照射する。図2Cに示すように、FIB2の照射により、先端面14に窪み16が形成される。図2Cには、窪み16を破線で示している。窪み16を形成する位置は、先端面14の中でより先端に近い位置であることが望ましい。先端面14が形成された段階では、先端面14には酸化膜が形成されていない。また、窪み16の近傍では、探針12を構成するSiがアモルファス化している。アモルファス化した部分以外は、結晶質である。なお、FIB2以外に、レーザ光等の他のエネルギービームを照射することによって窪み16を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 2B, FIB2 is irradiated to the front end surface. As shown in FIG. 2C, a
次に、図3Aに示すように、探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させる。塩化金酸水溶液3は、Auを含む錯イオンを含有する溶液である。金属を含む錯イオンは、本発明における金属イオンに含まれる。即ち、塩化金酸水溶液3は金属イオン含有溶液の一例である。以下、Auを含むイオンをAuイオンと言う。また、塩化金酸水溶液3には、NaCl(塩化ナトリウム)を添加してある。探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させることによって、先端面14にAuが析出し、Auナノ構造体が成長する。先端面14では、酸化膜が無く、Siのダングリングボンドが塩化金酸水溶液3中のAuイオンを還元し、Auの核が形成される。Auの核形成により生じたSiとAuとの界面を通ってSiの電子がAuイオンへ供給され、Auナノ構造体が成長する。特に、窪み16の近傍部分はアモルファス化しているので、ダングリングボンドが多く生成されており、窪み16には効率良くAuナノ構造体が成長する。適宜の時間、探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させた後、探針12を塩化金酸水溶液3から取り出し、洗浄する。なお、洗浄は必須ではない。図3Bに示すように、先端面14にAuナノ構造体の集合体13が形成される。集合体13の一部は、先端面14に形成された窪み16に固着しており、これによって、Auナノ構造体の集合体13は探針12に確実に固定されている。
Next, as shown in FIG. 3A, the
図4は、Auナノ構造体の集合体13が先端面14から突出した探針12の例を示す電子顕微鏡写真である。図4には、探針12の先端部の側面を示している。探針12に先端面14が形成されており、先端面14にAuナノ構造体の集合体13が形成されている。特に、先端面14の中でも、窪み16が形成された部分に多くのAuナノ構造体の集合体13が形成されている。この様にして、先端部にAuナノ構造体の集合体13が設けられた探針12が製造される。この探針12を利用して、先端増強ラマン散乱を測定することができる。
FIG. 4 is an electron micrograph showing an example of the
塩化金酸水溶液3の濃度、又は探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させる時間等を調整することにより、Auナノ構造体の集合体13の大きさ及び形状を制御することができる。塩化金酸水溶液3には、NaClを添加しないことも可能である。但し、塩化金酸水溶液3にNaClを添加することによって、先端面14の窪み16以外の部分ではAuナノ構造体が成長し難くなり、窪み16に集中してAuナノ構造体が成長し易くなる。また、NaClを添加することによって、Auナノ構造体の集合体13は棒状に成長し易い。従って、塩化金酸水溶液3に適宜の量のNaClを添加することによって、Auナノ構造体の集合体13を窪み16に集中して形成させ、Auナノ構造体の集合体13の形状を棒状にすることができる。また、NaCl以外に、KCl(塩化カリウム)、NaBr(臭化ナトリウム)、LiCl(塩化リチウム)又はCaCl2 (塩化カルシウム)を塩化金酸水溶液3に添加してもよい。The size and shape of the
なお、ピペット等によって塩化金酸水溶液3を滴下することにより、先端面14に塩化金酸水溶液3を接触させてもよい。また、塩化金酸水溶液3の液滴に対して探針12を挿入することにより、先端面14に塩化金酸水溶液3を接触させてもよい。以上のようにして、先端増強ラマン散乱用の探針12が製造される。
The chloroauric acid
図5は、ラマン散乱光測定装置の構成を示すブロック図である。ラマン散乱光測定装置は、試料52が載置される試料台5と、カンチレバー11と、探針12と、レーザ光を照射する照射部61と、照射部61からのレーザ光を、試料52に近接又は接触した探針12の先端部へ集光するレンズ4とを備えている。探針12はカンチレバー11の端部に設けられている。試料台5は、試料載置面51を有している。また、図5には粒状の試料52を示したが、試料52は平板等の任意の形状を取り得る。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the Raman scattered light measurement apparatus. The Raman scattered light measurement apparatus includes a
更に、ラマン散乱光測定装置は、カンチレバー11を動かす駆動部66と、レーザ光源67と、光センサ68と、信号処理部69と、制御部65とを備えている。駆動部66は、カンチレバー11を動かすことによって、探針12を試料載置面51上の試料52へ近づける。レーザ光源67は、カンチレバー11の背面へレーザ光を照射し、レーザ光はカンチレバー11の背面で反射する。光センサ44は、カンチレバー11で反射したレーザ光を検出し、検出結果を示す信号を信号処理部69へ出力する。図5中には、レーザ光を破線矢印で示している。探針12の先端部が試料52に近接又は接触した場合、原子間力によってカンチレバー11がたわみ、光センサ68でレーザ光を検出する位置がずれ、信号処理部69はカンチレバー11のたわみを検出する。カンチレバー11のたわみ量の変化は、探針12と試料52表面との距離の変化に対応する。信号処理部69は、カンチレバー11のたわみが一定になるように、駆動部66の動作を制御する。制御部65は、信号処理部69の動作を制御して、探針12の移動を制御する。なお、ラマン散乱光測定装置は、探針12と試料52との間に流れる電流を計測し、計測した電流に基づいて探針12の移動を制御する構成であってもよい。
Further, the Raman scattered light measurement device includes a
ラマン散乱光測定装置は、更に、ビームスプリッタ62と、分光器63と、光を検出する検出部64と、試料台5を上下又は左右に移動させる駆動部50とを備えている。照射部61が照射したレーザ光は、ビームスプリッタ62を透過し、レンズ4で集光され、試料52に近接又は接触した探針12の先端部へ照射される。ここで、近接とは、照射された光によって試料52の表面に局在プラズモンが誘起され、局所的に増強された電場が発生し、ラマン散乱光が増強される先端増強ラマン散乱が生起する程度の距離まで、探針12の先端部が試料52の表面へ近づいた状態である。試料52上で探針12の先端部が近接又は接触しレーザ光が照射された部分では、先端増強ラマン散乱が生起する。発生したラマン散乱光は、レンズ4で集光され、ビームスプリッタ62で反射され、分光器63へ入射する。図5中では、試料52へ照射されるレーザ光及びラマン散乱光を実線矢印で示している。ラマン散乱光測定装置は、レーザ光及びラマン散乱光の導光、集光及び分離のためにミラー、レンズ及びフィルタ等の多数の光学部品からなる光学系を備えている。図5では、レンズ4及びビームスプリッタ62以外の光学系を省略している。分光器63は、入射されたラマン散乱光を分光する。検出部64は、分光器63が分光した夫々の波長の光を検出し、夫々の波長の光の検出強度に応じた信号を制御部65へ出力する。制御部65は、分光器63が分光する光の波長を制御し、検出部64が出力した信号を入力され、分光した光の波長と入力された信号が示す光の検出強度とに基づいてラマンスペクトルを生成する。このようにして、先端増強ラマン散乱が測定される。制御部65は、駆動部50の動作を制御して、試料台5を移動させ、試料52上の各部分での先端増強ラマン散乱の測定を可能にする。
The Raman scattered light measurement apparatus further includes a
図6は、探針12の先端部、レンズ4及び試料載置面51の位置関係を示す模式図である。図6中には、レンズ4の光軸41と試料載置面51の垂線53とを一点鎖線で示している。図6には、光軸41と垂線53とを含む面を示している。レンズ4は、試料載置面51に対向する位置に配置されている。即ち、探針12及びレンズ4は、試料載置面51に対向する位置に配置されている。試料載置面51に対向する位置は、試料載置面51を含む面を境界にして空間を二つの部分空間に分割したときに、試料載置面51に載置される試料52が含まれる部分空間内の位置である。探針12は、カンチレバー11の背面に対する垂線15が試料載置面51の垂線53にほぼ一致するように配置されている。レンズ4は、試料載置面51の垂線53に対して光軸41を傾けて配置されている。探針12の先端面14は、カンチレバー11の背面の垂線15に対して非直角であり、試料載置面51の垂線53に対しても非直角である。先端面14に設けられているAuナノ構造体の集合体13が試料52に接触又は近接する。Auナノ構造体の集合体13は、先端面14の中でより先端に近い部分から突出している場合、試料52に容易に接触又は近接させることができる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the positional relationship between the tip of the
探針12及びレンズ4は、光軸41の方向を、光軸41から試料載置面51までの垂線53の方向の距離が長くなるほど、この距離と光軸41から先端面14までの垂線53の方向の距離とを合計した距離が長くなるような方向にするように、配置されている。このため、光軸41と垂線53とを含む面内では、試料載置面51に直交する線上で先端面14から試料載置面51までの距離が長くなるほど光軸41から試料載置面51までの距離が長くなる。光軸41に沿って試料52から遠ざかるほど、試料載置面51と先端面14との間の距離が広がる。先端面14上の試料載置面51に最も近い点に比べて、先端面14上の試料載置面51から最も遠い点の方が、レンズ4に近くなっている。探針12及びレンズ4がこのように配置されていることにより、先端面14が形成されていない探針が配置されている場合に比べて、探針12の先端部にあるAuナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間に位置している探針12の部分が減少する。
In the
図6中には、先端面14が形成されない場合の探針の先端17を破線で示している。先端面14が形成されていない場合は、探針の先端が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間にある探針の一部分によって、探針の先端が近接又は接触した試料52上の部分で発生したラマン散乱光が吸収又は反射され、レンズ4でラマン散乱光を集光する効率が低下する。これに対し、本実施形態では、探針12に先端面14が形成されていることによって、Auナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間に位置している探針12の部分が減少する。Auナノ構造体の集合体13が近接又は接触した試料52上の部分で発生したラマン散乱光が探針12の一部によって吸収又は反射される割合が低下し、レンズ4でラマン散乱光を集光する効率が向上する。従って、ラマン散乱光測定装置は、発生したラマン散乱光を高感度で測定することが可能である。また、試料52を光が通過する必要がないので、ラマン散乱光測定装置は、不透明な試料52又は厚みのある試料52等、光が透過し難い試料52についても、ラマン散乱光を高感度で測定することが可能である。従って、ラマン散乱光測定装置は、どんな試料についても高感度にラマン散乱光を測定することができる。
In FIG. 6, the
試料載置面51の垂線53と先端面14とのなす角度θ2 は、垂線53とレンズ4の光軸41とがなす角度θ3 以下であることが好ましい。角度θ2 が角度θ3 以下であることによって、Auナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間に位置している探針12の部分が確実に減少する。例えば、角度θ3 が60°である場合は角度θ2 の範囲は0°〜60°であり、角度θ3 が70°である場合は角度θ2 の範囲は0°〜70°である。The angle θ 2 formed between the perpendicular 53 of the
更に、より好ましくは、角度θ2 は、角度θ3 と試料52からレンズ4へ入射する光線の光軸41に対する最大角度θ4 との差よりも小さい。図6中には、Auナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4の縁とを結んだ直線を破線で示している。この直線と光軸41との間の角度が、試料52からレンズ4へ入射する光線の光軸41に対する最大角度θ4 である。角度θ4 は、試料52とレンズ4との間の媒質の屈折率をnとし、レンズ4の開口数をNAとすると、下記の(1)式で表される。媒質が空気である場合は、n=1である。角度θ2 は、下記の(2)式で表される範囲に含まれることが好ましい。
θ4 =Arcsin(n*NA) …(1)
θ2 <θ3 −θ4 …(2)Even more preferably, the angle theta 2 is smaller than the difference between the maximum angle theta 4 with respect to the
θ 4 = Arcsin (n * NA) (1)
θ 2 <θ 3 −θ 4 (2)
垂線53と先端面14とのなす角度θ2 が(2)式で表される範囲に含まれる場合は、Auナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間に位置している探針12の部分が皆無となる。これにより、レンズ4は最大の効率でラマン散乱光を集光することが可能となり、ラマン散乱光測定装置は、高感度にラマン散乱光を測定することができる。When the angle θ 2 formed by the perpendicular 53 and the
以上説明した範囲に角度θ2 が含まれるように、図2Aに示す如きカンチレバー11の背面の垂線15とFIB2の照射軸とのなす角度θ1 が定められる。実際的には角度θ2 の範囲は30°〜50°であり、例えば角度θ2 は39°である。また、Auナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間に位置している探針12の部分を減少させやすくするためには、Auナノ構造体の集合体13の形状は棒状等の細長い形状であることが好ましい。The angle θ 1 formed by the perpendicular 15 on the back surface of the
Auナノ構造体の集合体13の大きさは、FIB2によって探針12の先端から除去された部分よりも小さいことが好ましい。即ち、Auナノ構造体の集合体13の大きさは、先端面14が形成されない場合の探針の先端17と先端面14との間に含まれる大きさであることが好ましい。Auナノ構造体の集合体13がこのような大きさを有することによって、Auナノ構造体の集合体13が接触又は近接する試料52上の部分とレンズ4との間に位置している探針12の部分が減少し易い。同様に、Auナノ構造体の集合体13の先端面14からの高さは、先端面14が形成されない場合の探針の先端17と先端面14との間の距離以下であることが好ましい。また、同様に、Auナノ構造体の集合体13の体積は、FIB2によって探針12の先端から除去された部分の体積以下、即ち、先端面14が形成されない場合の探針の先端17と先端面14とで囲まれた部分の体積以下であることが好ましい。
The size of the
また、前述したように、本実施形態では、探針12に先端面14を形成し、塩化金酸水溶液3を接触させることで、先端面14にAuナノ構造体の集合体13を成長させた探針12を製造する。先端面14には酸化膜が無く、窪み16の近傍はアモルファス化しているので、先端増強ラマン散乱に必要なAuナノ構造体の集合体13を先端面14に容易に形成させることができる。探針12を浸漬させる塩化金酸水溶液3の濃度、浸漬時間、又は添加物の種類若しくは添加量を調整することにより、Auナノ構造体の集合体13の大きさ及び形状を制御することができる。このため、ラマン分光のためのレーザ光の波長に適した集合体13を形成することができる。従って、探針12を用いて先端増強ラマン散乱を測定する際には、ラマン散乱光の効果的な増強が可能となる。また、Auナノ構造体の集合体13の大きさ及び形状を制御することにより、先端増強ラマン散乱を測定する際に所望の増強度が得られるような探針12を製造することが可能となる。
Further, as described above, in this embodiment, the
なお、本実施形態では、カンチレバー11の背面に対する垂線15が試料載置面51の垂線53にほぼ一致する形態を示したが、ラマン散乱光測定装置は、先端面14が試料載置面51の垂線53に対して非直角であればよい。例えば、カンチレバー11の背面の垂線15が試料載置面51の垂線53に対して傾いていても、先端面14が垂線53に対して非直角であればよい。探針12は、ラマン散乱光測定装置に装着されたときに先端面14が試料載置面51の垂線53に対して非直角になるように製造されていればよい。また、本実施形態では、照射部51が照射するレーザ光を集光するためのレンズとラマン散乱光を集光するためのレンズとを一つのレンズ4で兼ねる形態を示したが、ラマン散乱光測定装置は、照射部51が照射するレーザ光を集光するためのレンズとラマン散乱光を集光するためのレンズとを別々に備えた形態であってもよい。
In the present embodiment, the
(実施形態2)
図7A、図7B、図7C及び図7Dは、実施形態2に係る探針12の製造方法を示す模式図である。実施形態1と同様に、探針12の先端にFIB2を照射することにより、先端面14及び窪み16を形成する。次に、図7Aに示すように、探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させる。先端面14にAuが析出し、Auナノ構造体の種が形成される。ある程度の時間、探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させた後、図7Bに示すように、探針12を塩化金酸水溶液3から引き上げ、探針12の先端部分を洗浄し、乾燥させる。乾燥の後、図7Cに示すように、再度、探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させる。探針12の先端面14に形成されていたAuナノ構造体の種からAuナノ構造体が成長する。適宜の時間、探針12を塩化金酸水溶液3に浸漬させた後、探針12を塩化金酸水溶液3から取り出す。図7Dに示すように、探針12の先端面14に、Auナノ構造体の集合体13が形成されている。なお、実施形態1と同様に、浸漬以外の方法で探針12に塩化金酸水溶液3を接触させてもよい。探針12を備えたラマン散乱光測定装置の構成は、実施形態1と同様である。(Embodiment 2)
7A, 7B, 7C, and 7D are schematic views illustrating a method for manufacturing the
以上のように、本実施形態においては、先端面14を形成した探針12に塩化金酸水溶液3を接触させ、一旦探針12を乾燥させ、再度探針12に塩化金酸水溶液3を接触させることにより、先端増強ラマン散乱用の探針12を製造する。実施形態1のように探針12を一度だけ塩化金酸水溶液3に浸漬させる場合と比べて、より鋭い形状又はより大きな形状になったAuナノ構造体の集合体13が得られる場合がある。これにより、所望の大きさ及び形状のAuナノ構造体の集合体13を探針12の先端面14に成長させることができ、先端増強ラマン散乱を測定する際に所望の増強度が得られるような探針12を製造することが可能となる。また、本実施形態に係るラマン散乱光測定装置においても、ラマン散乱光が探針12の一部によって吸収又は反射される割合が低下する。レンズ4でラマン散乱光を集光する効率が向上し、ラマン散乱光測定装置は、どんな試料についても高感度にラマン散乱光を測定することができる。
As described above, in this embodiment, the chloroauric acid
(実施形態3)
実施形態3では、インクジェットプリンタを用いて先端増強ラマン散乱用の探針12を製造する。図8は、インクジェットプリンタを示す模式的斜視図であり、図9A及び図9Bは、実施形態3に係る探針12の製造方法を示す模式図である。実施形態1と同様に、探針12の先端にFIB2を照射することにより、先端面14及び窪み16を形成する。次に、図8に示すように、インクジェットプリンタ7に探針保持体1を搭載し、図9Aに示すように、インクジェットプリンタ7のノズル71から、探針12の先端面14へ向けて、塩化金酸水溶液3の液滴を吐出する。塩化金酸水溶液3の液滴は、先端面14に付着し、先端面14にAuが析出し、Auナノ構造体が形成される。インクジェットプリンタ7は、塩化金酸水溶液3の液滴の吐出を繰り返すこともできる。複数回吐出された塩化金酸水溶液3の液滴は、吐出される都度先端面14に付着し、Auナノ構造体が成長する。図9Bに示すように、探針12の先端面14に、Auナノ構造体の集合体13が形成される。この様にして、先端部にAuナノ構造体の集合体13が設けられた先端増強ラマン散乱用の探針12が得られる。探針12を備えたラマン散乱光測定装置の構成は、実施形態1と同様である。(Embodiment 3)
In the third embodiment, the
塩化金酸水溶液3の濃度、吐出量及び吐出回数を調整することにより、Auナノ構造体の集合体13の大きさ及び形状を制御することができる。また、複数回の吐出の合間に先端面14を乾燥させることにより、実施形態2と同様に効率的にAuナノ構造体の集合体13を先端面14に成長させることができる。また、インクジェットプリンタ7が複数のノズルを備え、一のノズル71で塩化金酸水溶液3を吐出し、他のノズルで洗浄液を吐出することで、インクジェットプリンタ7により先端面14の洗浄を行うことも可能である。また、インクジェットプリンタ7が適量の液滴を吐出しやすくなるように、塩化金酸水溶液3にエチレングリコール等の添加剤を添加していてもよい。また、三次元ステージにより探針保持体1又は塩化金酸水溶液3の液滴を動かすことによって、塩化金酸水溶液3を先端面14に選択的に接触させることもできる。
The size and shape of the
以上のように、本実施形態においては、インクジェットプリンタ7で塩化金酸水溶液3の液滴を吐出することにより、探針12の先端面14に塩化金酸水溶液3を接触させ、先端増強ラマン散乱用の探針12を製造する。インクジェットプリンタ7では、少量の液滴を吐出して任意の箇所に付着させることが可能であるので、塩化金酸水溶液3を先端面14に選択的に接触させることができる。このため、塩化金酸水溶液3がカンチレバー11の先端面14以外の部分に接触することによる影響を抑制することができる。また、塩化金酸水溶液3の濃度、吐出量及び吐出回数を調整することにより、Auナノ構造体の集合体13の大きさ及び形状を制御することができるので、先端増強ラマン散乱を測定する際に所望の増強度が得られるような探針12を容易に製造することが可能となる。また、本実施形態に係るラマン散乱光測定装置においても、レンズ4の光軸41と探針12との干渉が減少する。ラマン散乱光が探針12の一部によって吸収又は反射される割合が低下し、レンズ4でラマン散乱光を集光する効率が向上し、ラマン散乱光測定装置は、どんな試料についても高感度にラマン散乱光を測定することができる。
As described above, in the present embodiment, the chloroauric acid
なお、実施形態1〜3においては、Auイオンを含有する溶液として塩化金酸水溶液を用いる形態を示したが、Auイオンを含有する溶液は他の溶液であってもよい。例えば、水以外の溶媒を用いた溶液であってもよい。また、実施形態1〜3においては、複数のAuナノ構造体が集合した集合体13が探針12の先端面14に形成された形態を示したが、探針12は、先端面14に単体のAuナノ構造体が形成された形態であってもよい。また、実施形態1〜3においては、金属ナノ構造体としてAuナノ構造体を先端面14に成長させる形態を示したが、金属ナノ構造体は、Au以外の金属のナノ構造体であってもよい。金属は、例えば、Ag(銀)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、又はCu(銅)であってもよい。この形態では、これらの金属を含むイオンを含有した溶液を用いる。また、実施形態1〜3においては、AFM用の探針から先端増強ラマン散乱用の探針12を製造する形態を示したが、本発明は、AFM以外のSPM用の探針から先端増強ラマン散乱用の探針12を製造することも可能である。また、実施形態1〜3においては、カンチレバー11及び探針12を含む探針保持体1がSiで構成されている形態を示したが、探針保持体1はSi以外の半導体で構成されていてもよい。例えば、探針保持体1はSiC(炭化ケイ素)又はダイヤモンドで構成されていてもよい。
In the first to third embodiments, the chloroauric acid aqueous solution is used as the solution containing Au ions. However, the solution containing Au ions may be another solution. For example, a solution using a solvent other than water may be used. In the first to third embodiments, the aggregate 13 in which a plurality of Au nanostructures are aggregated is formed on the
1 探針保持体
11 カンチレバー
12 探針
13 Auナノ構造体(金属ナノ構造体)の集合体
14 先端面
15 背面に対する垂線
16 窪み
2 FIB(集束イオンビーム)
3 塩化金酸水溶液(金属イオン含有溶液)
4 レンズ
5 試料台
51 試料載置面
52 試料
53 垂線
61 照射部
64 検出部
7 インクジェットプリンタ
71 ノズルDESCRIPTION OF
3 Chloroauric acid aqueous solution (metal ion-containing solution)
4
Claims (11)
前記レンズ及び前記探針は、前記試料載置面に対向する位置に配置され、
前記レンズは、前記試料載置面の垂線に対して光軸を傾けて配置されており、
前記探針は、前記垂線に対して非直角な先端面と、該先端面から突出した金属構造体とを有していること
を特徴とするラマン散乱光測定装置。A sample placement surface on which a sample is placed, a semiconductor probe, an irradiation unit that irradiates light to the tip of the probe that is close to or in contact with the sample, and Raman scattered light generated from the sample In a Raman scattered light measurement device comprising a condensing lens and a detection unit for detecting the Raman scattered light collected by the lens,
The lens and the probe are arranged at positions facing the sample mounting surface,
The lens is disposed with the optical axis inclined with respect to the normal of the sample mounting surface,
The probe has a tip surface that is non-perpendicular to the perpendicular and a metal structure projecting from the tip surface.
を特徴とする請求項1に記載のラマン散乱光測定装置。The optical axis is passed in a direction in which the total of the distance and the distance to the tip surface in the direction becomes longer as the distance to the sample placement surface in the direction orthogonal to the sample placement surface becomes longer. The Raman scattered light measuring apparatus according to claim 1, wherein the lens and the probe are arranged.
を特徴とする請求項1に記載のラマン散乱光測定装置。The lens and the probe are arranged so that a point farthest from the sample mounting surface on the tip surface is closer to the lens than a point closest to the sample mounting surface on the tip surface. The Raman scattered light measuring device according to claim 1, wherein
を特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載のラマン散乱光測定装置。The Raman scattered light measurement apparatus according to claim 1, wherein the tip surface is a non-cleavage surface.
前記カンチレバーの他面に対する垂線に対して非直角又は前記試料が載置される面に対する垂線に対して非直角な先端面と、
該先端面から突出した金属構造体とを有していること
を特徴とする探針。In a semiconductor probe that protrudes from one surface of a cantilever having two surfaces that are front and back, and is used in proximity to or in contact with a sample,
A tip surface that is not perpendicular to the perpendicular to the other surface of the cantilever or perpendicular to the surface on which the sample is placed;
And a metal structure protruding from the tip surface.
を特徴とする請求項5に記載の探針。The probe according to claim 5, wherein the tip surface is a non-cleavage surface.
表裏の関係にある二つの面を有するカンチレバーの一面から突出した半導体製の針状体から先端を除去することによって、前記カンチレバーの他面に対する垂線に対して非直角又は試料が載置される面に対する垂線に対して非直角な先端面を形成し、
金属イオン含有溶液を前記先端面に接触させることによって、前記先端面に金属構造体を成長させること
を特徴とする探針の製造方法。In a method for producing a probe used in proximity to or in contact with a sample,
By removing the tip from a semiconductor needle protruding from one surface of a cantilever having two surfaces that are front and back, the surface on which the sample is placed non-perpendicular to the perpendicular to the other surface of the cantilever Forming a tip surface that is non-perpendicular to the normal to
A method for manufacturing a probe, comprising: bringing a metal ion-containing solution into contact with the tip surface to grow a metal structure on the tip surface.
を特徴とする請求項7に記載の探針の製造方法。The probe manufacturing method according to claim 7, wherein the tip of the needle-like body is removed by irradiation with an energy beam.
を特徴とする請求項7又は8に記載の探針の製造方法。The method for manufacturing a probe according to claim 7 or 8, wherein a recess is formed in the tip surface by irradiation with an energy beam, and a metal structure is grown in the recess.
を特徴とする請求項7乃至9のいずれか一つに記載の探針の製造方法。The metal ion-containing solution is brought into contact with the tip surface, and then the tip surface is dried, and the metal ion-containing solution is again brought into contact with the tip surface. A method for manufacturing the probe according to claim 1.
を特徴とする請求項7乃至10のいずれか一つに記載の探針の製造方法。The method for producing a probe according to any one of claims 7 to 10, wherein the metal ion-containing solution contains ions containing Au, Ag, Pt, Pd, or Cu.
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