WO2019244468A1 - 画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an image forming method and a microscope capable of observing an organic sample in a solution as it is at a high resolution, and more particularly to an image forming method and an impedance microscope for obtaining an image of an organic sample at a high resolution by impedance measurement.
  • Optical microscopes are widely used as devices for observing organic samples in solutions.
  • the resolution of an optical microscope is suppressed to about 200 nm due to the diffraction limit of the light.
  • an electron microscope using an electron beam can obtain a high resolution of 10 nm or less.
  • the sample is fixed with formaldehyde or the like, then coated with gold or the like, and complicated by dyeing with a heavy metal. Pre-processing may be required.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 an organic substance sample in a solution using a soft X-ray, which is a kind of an X-ray microscope and is a characteristic X-ray generated by irradiating a metal thin film with an electron beam, is used.
  • a biological sample) observation method is disclosed. In this method, the sample is not directly irradiated with the electron beam, does not cause irradiation damage, and can be observed with high contrast without pretreatment such as staining for observing the biological sample.
  • Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 disclose a fluctuating potential transmission observation method for observing a biological sample by irradiating a heavy metal thin film with an electron beam to locally generate a potential change and detecting the potential on the opposite side. is suggesting.
  • an organic sample biological sample
  • a solution aqueous solution
  • the organic substance sample biological sample
  • the biological sample inhibits the transmission of the potential change more than in the solution (aqueous solution). That is, the biological sample can be observed by imaging the attenuation of the potential change when transmitting through the biological sample.
  • the biological sample in the solution can be observed with high contrast without any pretreatment such as staining.
  • a biological sample in a solution can be observed with high contrast and high resolution without damaging an electron beam while alive.
  • it is not possible to analyze the composition of a sample and if it can be analyzed three-dimensionally, it can be applied to elucidation of the structure and function of a biological sample, development of organic materials, and the like.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to enable a sample such as an organic substance to be observed at a high resolution as it is, and to enable composition analysis.
  • An image forming method and a microscope are provided.
  • the inventor of the present invention conceived of an impedance microscope that measures impedance when an alternating current is applied so as to propagate an AC potential signal to an organic sample and observes the sample.
  • the conductive thin film covering the insulating thin film is focused and irradiated with an electron beam, the insulating thin film is locally reduced in a small area and the insulating property is reduced.
  • extremely high resolution information could be obtained by measuring the impedance by applying an alternating current to the opposing conductive electrode.
  • the image forming method includes the steps of: arranging a sample between a first main surface of an insulating thin film and a counter electrode; inputting an AC potential signal to the counter electrode; The conductive thin film provided over the second main surface of the conductive thin film is scanned while irradiating the physical thin film with a focused physical beam, thereby lowering the insulating property of the insulating thin film immediately below and guiding the AC potential signal to the irradiated position.
  • a sample is arranged between a first main surface of an insulating thin film and a counter electrode, an AC potential signal is input to the counter electrode, and a second main surface of the insulating thin film is provided.
  • the conductive thin film provided over the conductive thin film is scanned while being focused and irradiated with a physical line to lower the insulating property of the insulating thin film immediately below, and the AC potential signal is guided to the irradiated position to measure the impedance value.
  • An image is formed from the impedance value for the irradiation position.
  • the invention it is possible to measure the impedance value while keeping the sample as it is, and to obtain a high-resolution image.
  • the sample may be provided in a solution. According to the invention, it is possible to easily obtain a high-resolution image by providing a difference in propagation of the AC potential signal with the sample.
  • the counter electrode includes a second insulating thin film opposed to the first main surface of the insulating thin film, and forms an electric dipole at an interface with the solution in contact with the second insulating thin film. It may be. According to such an invention, an AC potential signal is propagated beyond the insulating thin film by the electric dipole, thereby enabling observation with high resolution.
  • the counter electrode may include a conductive thin film electrode provided along the back surface of the second insulating thin film, and the alternating potential signal may be input to the conductive thin film electrode.
  • the alternating potential signal may be input to the conductive thin film electrode.
  • the counter electrode may include a probe directed into the solution, and the AC potential signal may be input to the probe. According to this invention, the position on the counter electrode side can be limited, and observation with high resolution is possible.
  • the physical beam may be an electron beam or a laser beam.
  • the irradiation source can be diverted from the conventional device, the cost can be reduced, and observation with high resolution is possible.
  • a sine wave or noise including a plurality of frequency components may be given as the AC potential signal, and a frequency spectrum may be obtained from the detected AC signal. Further, the frequency component of the detected AC signal may be synchronously detected and separated to obtain the frequency spectrum. According to this invention, the composition of the sample can be analyzed based on the frequency spectrum, and further, a minute AC potential signal can be detected, thereby enabling more accurate composition analysis.
  • a bias voltage may be applied to the conductive thin film to cut off a DC component, extract only an AC signal component, and obtain phase information together with impedance information.
  • an AC potential signal can be obtained with high sensitivity.
  • a bias voltage is applied to the conductive thin film, a bias voltage is also applied to the conductive thin film electrode, an AC signal component of the conductive thin film is extracted, and phase information is obtained along with impedance information. It may be characterized. Further, the present invention may be characterized in that the AC signal component is extracted while changing the bias voltage, and a preliminary control for setting the bias voltage so that the SN ratio is predetermined is provided. According to this invention, it is possible to obtain a wider range of observation by obtaining the phase information of the AC potential signal, and it is possible to perform more accurate analysis with a good SN ratio.
  • an image control unit may be provided which controls the frequency of the AC potential signal input to the conductive thin-film electrode to be equal to or higher than a value obtained by dividing the total number of pixels of the image by the number of seconds of the imaging time. According to this invention, the impedance value can be reliably obtained for all the pixels.
  • the counter electrode arranges metal pattern electrodes in an array along the back surface of the second insulating thin film, and inputs an AC potential signal having a different frequency component for each of the metal pattern electrodes; It may be characterized in that three-dimensional structure information is obtained from an inclined image based on the mutual angle between the position of the pattern electrode and the irradiation position. According to the invention, the organic sample can be observed three-dimensionally.
  • FIG. 1 is a block diagram of an impedance microscope according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of an image forming method according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram of an impedance microscope according to a second embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram of an impedance microscope according to a modification of the second embodiment.
  • FIG. 13 is a block diagram of an impedance microscope according to a third embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram of an impedance microscope according to a modification of the third embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram of an impedance microscope according to a fourth embodiment.
  • FIG. 19 is a block diagram of an impedance microscope according to a modified example of the fourth embodiment.
  • FIG. 19 is a block diagram of an impedance microscope according to a modified example of the fourth embodiment.
  • a bead sample with a diameter of 500 nm by an impedance microscope (a) 200 times amplitude image, (b) 500 times amplitude image, and (c) 5000 times phase image. It is the (a) 200-fold, (b) 500-fold, (c) 2000-fold, and (d) 10,000-fold amplitude image of a 500-nm diameter bead sample by an impedance microscope. It is a 10000-fold phase image of a 500-nm diameter bead sample by an impedance microscope.
  • Example 1 One embodiment of an image forming method for observing an organic substance sample and an impedance microscope according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • the impedance microscope 100 includes an upper first insulating thin film 11 and a counter electrode 15 that faces a main surface directed downward from below.
  • the upper surface of the first insulating thin film 11 is covered with the conductive thin film 13.
  • the counter electrode 15 includes a second insulating thin film 12 whose upper surface faces the lower surface of the first insulating thin film 11.
  • the counter electrode 15 further includes a conductive thin film electrode 14 provided along the back surface of the second insulating thin film 12.
  • An organic sample 9 is arranged between the first insulating thin film 11 and the counter electrode 15, and is held by the solution 8. Typically, the solution 8 is sandwiched between and fills the first insulating thin film 11 and the second insulating thin film 12.
  • the conductive thin film 13 is provided with a physical beam irradiator (not shown) such as an electron gun capable of focusing and irradiating the physical line 1 from above, so that the physical line 1 can be scanned along the surface of the conductive thin film 13.
  • a physical beam irradiator such as an electron gun capable of focusing and irradiating the physical line 1 from above, so that the physical line 1 can be scanned along the surface of the conductive thin film 13.
  • an electron beam or a laser beam can be used.
  • the conductive thin film 13 is irradiated, and the insulation of the first insulating thin film 11 is broken immediately below the irradiation position to reduce the insulating property. Can be formed.
  • the incident electrons 2 are scattered and absorbed by the first insulating thin film 11 immediately below the irradiation position, thereby forming the insulation-reduced region 11a.
  • other charged particle beams such as an ion beam, a neutron beam, and a positron beam
  • a signal output device 31 such as a function generator is connected to the conductive thin-film electrode 14 of the counter electrode 15 to receive an AC potential signal.
  • the AC potential signal forms the electric dipole 3 at the interface between the second insulating thin film 12 and the solution 8 and is propagated by the formation of the electric dipole 3.
  • an AC amplifier 32 that amplifies the detected AC signal is connected to the conductive thin film 13, and an output signal 34 can be obtained via a band-pass filter 33. That is, an AC potential signal is guided to the insulation-reduced region 11a of the first insulating thin film having reduced insulation at a position immediately below the irradiation region of the physical line 1, and the AC potential signal attenuated in the process of leading through the conductive thin film 13.
  • the signal can be detected and amplified by the AC amplifier 32, and an unnecessary frequency band can be cut by the band-pass filter 33 to be extracted as an output signal 34 having a frequency in a required range.
  • the impedance value is measured from the output signal 34 taken out, and an image is formed from the impedance value corresponding to each irradiation position by the scanning of the physical line 1 described above. It is preferable that the bias voltage 35 is applied to the conductive thin film 13 through the AC amplifier 32 to increase the sensitivity of the detected AC signal.
  • the organic sample 9 is a biological sample composed of amino acids, lipids, and the like
  • the relative dielectric constant is reduced to about 2 to 5, and the propagation of the potential signal is performed.
  • the attenuation of the AC potential signal guided to the insulation-degraded region 11a is increased. Therefore, the amplitude of the output signal 34b is reduced and the impedance value is increased.
  • the impedance value measured from the output signal 34 is small when only the solution 8 is used, becomes large when the potential signal is propagated to the organic sample 9, and is shifted from the impedance value to the irradiation position by scanning the physical line 1.
  • the organic substance sample 9 can be observed as an image.
  • the size of the insulation-degraded region 11a depends on the irradiation diameter of the physical beam 1 to be irradiated. Therefore, an extremely high-resolution image can be obtained by narrowing the physical line 1 to a small value.
  • the irradiation of the physical line 1 for lowering the insulating property of the insulating thin film and the input of the AC potential signal for measuring the impedance value are independent of each other.
  • the organic substance sample 9 does not require any pretreatment and is hardly affected by the AC potential signal.
  • the organic substance sample 9 in the solution 8 can be observed as it is from an extremely high-resolution image formed from the impedance value. Note that the combination of the solution 8 and the organic sample 9 is not limited to water and a biological sample, and an image of the organic sample 9 can be obtained if the dielectric constants are different from each other.
  • the organic sample 9 held between the first insulating thin film 11 and the counter electrode 15 by the solution 8 is disposed. Is placed.
  • the measurement step (S2) an AC potential signal is input to the conductive thin film electrode 14 of the counter electrode 15, and the physical line 1 is scanned from above the conductive thin film 13 while being focused and irradiated. Measure the value. Specifically, the insulating property of the first insulating thin film 11 is reduced immediately below the irradiation position where the physical line 1 is irradiated, so that the insulating-reduced region 11a is formed.
  • the impedance includes resistance, inductance, and conductance
  • these components may be individually measured and imaged.
  • the phase of the output signal may be obtained and imaged. Since these measurement results depend on the composition and distance of the solution 8 and the organic sample 9 through which the AC potential signal propagates, the obtained image includes not only the shape but also information on the composition of the organic sample 9.
  • the AC amplifier 32 is connected to the conductive thin film 13.
  • the AC amplifier 32 may be connected to the conductive thin film electrode 14 to obtain an image from the impedance value.
  • the frequency of the AC potential signal input to the conductive thin-film electrode 14 be equal to or greater than a value obtained by dividing the total number of pixels of the image to be obtained by the number of seconds of the imaging time. That is, an AC potential signal of one wavelength or more is input to all the pixels, and the output is obtained.
  • the irradiation time of the physical line 1 per pixel is set to 1 msec. Need. This makes it possible to reliably obtain an impedance value for all pixels.
  • the impedance microscope is suitable for observing an organic material sample, but it is not limited to an organic material and any material having a dielectric constant different from that of a solution can be observed.
  • the sample may be made of ceramic, metal, or the like.
  • the periphery of the sample does not need to be filled with the solution, and may be a substance having a dielectric constant different from that of the sample or a vacuum. For example, air or other atmospheres can be used relatively easily.
  • the impedance microscope 101 is obtained by superimposing a plurality of frequency components on an AC potential signal input to the conductive thin-film electrode 14.
  • a signal output device 31 superimposes sine waves of a plurality of predetermined frequencies, divides an AC signal amplified by an AC amplifier 32 into respective frequency components by a bandpass filter 33, and obtains an impedance value for each frequency.
  • the spectrum measuring device 36 detects the frequency spectrum component 36a. Since the difference in the composition of the organic sample 9 can be the difference in the frequency spectrum component 36a of the impedance value, the composition of the organic sample 9 can also be estimated. The rest is the same as in the first embodiment.
  • the impedance microscope 102 uses the AC potential signal input to the conductive thin film electrode 14 as noise including a plurality of frequency components.
  • the white noise 31a can be input as an AC potential signal.
  • the output signal 34 obtained from the AC signal amplified by the AC amplifier 32 is analyzed by the Fourier spectrum analyzer 37 to determine the frequency spectrum 37a of the impedance value.
  • the composition of the organic substance sample 9 can be estimated.
  • the frequency spectrum may be obtained by synchronously detecting and separating the frequency components of the AC signal.
  • the impedance microscope 103 inputs the AC signal amplified by the AC amplifier 32 to the lock-in amplifier 37 ', obtains the output signal 34, and obtains the impedance measurement device 39a, the amplitude measurement device 39b, and the phase measurement.
  • Each of the devices 39c can obtain impedance information, amplitude information, and phase information of the output signal.
  • the lock-in amplifier 37 ' cuts off the DC component due to the applied bias voltage 35 and then extracts only the AC signal component, so that the noise can be largely cut, and an output signal having an extremely high SN ratio is obtained. Fine images can be obtained very clearly.
  • the configuration for holding the organic sample 9 including the holder 19 is well-known, and its basic part is the same as that of the other embodiments described above.
  • the impedance microscope 104 applies the bias voltage 35 to the conductive thin film 13 and also applies the second bias voltage 35a to the conductive thin film electrode 14. Both the bias voltage 35 and the second bias voltage 35a can be adjusted by the bias adjustment circuit 38. Then, only the AC signal component is extracted from the AC signal detected from the conductive thin film 13 to obtain an output signal, and the impedance information and the phase information are also obtained from the output signal. Since the phase information also depends on the composition of the organic sample 9 through which the AC potential signal propagates, the phase information also includes the composition information of the organic sample 9.
  • the output signal is measured while changing the bias voltage 35 and the second bias voltage 35a, and the S / N ratio of the output signal is set to a predetermined value or more so that the output signal is optimized so as to be optimal. It is preferable to control it. At this time, the bias adjustment circuit 38 may be controlled so as to perform such adjustment automatically.
  • the impedance microscope 105 includes a needle-shaped probe 14a as the counter electrode 15a, and inputs an AC potential signal to the probe 14a.
  • the probe 14 a has a gap with respect to the second insulating thin film 12 and is directed into the solution 8.
  • the AC potential signal propagates through the gap, and an image based on the impedance value or the like can be obtained.
  • the path of the AC potential signal includes from the tip of the probe 14a to the insulation-degraded area 11a corresponding to the irradiation position of the physical line 1 whose position is changed based on the scanning, so that an inclined image based on the inclined path is obtained. Become.
  • the impedance microscope 106 includes a needle-like probe 14a as the counter electrode 15b, and the tip thereof is arranged so as to protrude into the solution 8. That is, the second insulating thin film is removed from the inside of the holder 19, whereby the lower part of the first insulating thin film 11 is filled with the solution 8. Also in this case, similarly to the case of the impedance microscope 105, an image based on the impedance value can be obtained.
  • the impedance microscope 107 has a plurality of metal pattern electrodes 14-1 to 14-5 arranged in an array along the back surface (lower surface) of the second insulating thin film 12 as the counter electrode 15c. I have. Although five metal pattern electrodes are shown for the sake of illustration, the number of metal pattern electrodes may be increased or two-dimensionally arranged.
  • AC potential signals having different frequency components are input from the signal output device 31 to each of the metal pattern electrodes 14-1 to 14-5.
  • the AC signal amplified by the AC amplifier 32 is frequency-separated by the band-pass filter 33, and an image based on an impedance value or a phase can be formed for each frequency component.
  • Each of these images is an inclined image based on the mutual angle between the position of the specific metal pattern electrode (for example, 14-1) and the irradiation position by scanning the physical line 1.
  • Such an inclined image can be obtained with each of the metal pattern electrodes 14-1 to 14-5. That is, a plurality of tilt images can be obtained by one scan. Furthermore, three-dimensional position information of the impedance value can be obtained by combining the plurality of tilt images, and the tilt image can be reconstructed three-dimensionally. Thereby, three-dimensional structure information of the organic sample 9 can be obtained by one scan (imaging), that is, in a very short time, and three-dimensional structure analysis can be performed.
  • an image was formed for each of the amplitude and phase obtained from the amplitude measuring device 39b and the phase measuring device 39c (see FIG. 5) using the solution 8 as water and the organic sample 9 as a bead sample having a diameter of 500 nm.
  • a high-definition image 5000 times the amplitude could be formed clearly (see FIG. 10B).
  • an image similar to that obtained from the amplitude could be obtained from the phase (see FIG. 10C).
  • FIG. 11 air was mixed with the solution 8 as water to form an image near the interface between water and air. Similarly to the above, an image was formed with respect to the amplitude obtained from the amplitude measuring device 39b using the organic sample 9 as a bead sample having a diameter of 500 nm. Dotted lines in FIGS. 11 (a), (b) and (c) indicate the fields of view in FIGS. 11 (b), (c) and (d), respectively. Here, it was confirmed that a high-resolution image of 10,000 times was formed clearly.
  • the image of the phase obtained from the phase measuring device 39c was also able to clearly form a 10,000-fold high-definition image.

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Abstract

試料をそのままの状態で高分解能に観察できる画像形成方法の提供。　絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置する配置ステップと、対向電極に交流電位信号を入力するとともに、絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していく測定ステップと、照射位置に対するインピーダンス値から画像を形成させる画像形成ステップと、を含むことを特徴とする。

Description

画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡
　本発明は、溶液中の有機物試料をそのままの状態で高い分解能で観察できる画像形成方法及び顕微鏡に関し、特に、インピーダンス測定により有機物試料の画像を高い分解能で得る画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡に関する。
　溶液中の有機物試料を観察する装置として、光学顕微鏡が広く用いられている。光学顕微鏡は、その光の回折限界のために分解能を２００ｎｍ程度に抑制されてしまう。これに対し、電子線を用いた電子顕微鏡であれば、１０ｎｍ以下の高い分解能を得られる。一方で、電子線を用いるためには顕微鏡の鏡体内部を真空にする必要があり、溶液中の有機物試料の観察においては大気圧を維持できるカプセルなどにこれを封入することも必要となる。また、電子線照射による有機物試料のダメージを低下させるとともにコントラストの高い画像を得るには、試料をホルムアルデヒドなどで固定させた上で、金などをコーティングし、また、重金属により染色するなどの煩雑な前処理を必要とすることもある。
　ここで、特許文献１及び非特許文献１では、Ｘ線顕微鏡の一種であって、金属薄膜に電子線を照射して発生する特性Ｘ線である軟Ｘ線を用いた溶液中の有機物試料（生物試料）の観察方法が開示されている。かかる方法では、電子線は、直接、試料に照射されず、照射ダメージを生じさせないとともに、生物試料の観察のための染色などの前処理なしに高いコントラストで観察をすることができる。
　また、特許文献２及び非特許文献２では、重金属薄膜に電子線を照射して局所的に電位変化を生じさせ、対向側の電位を検出することで生物試料を観察する変動電位透過観察方法を提案している。一般的に、有機物試料（生物試料）は、２～３程度の比誘電率を有し、約８０程度である溶液（水溶液）よりも非常に低い比誘電率である。そのため、有機物試料（生物試料）は、溶液（水溶液）中よりも電位変化の透過をより阻害することになる。つまり、生物試料を透過する際の電位変化の減衰を画像化することで生物試料を観察できるのである。ここでも、溶液中の生物試料を染色などの前処理なしに高いコントラストで観察することができる。
特開２０１１－１７４７８４号公報 特開２０１４－２０３７３３号公報
　上記した変動電位透過による顕微鏡観察方法では、溶液中の生物試料を生きたまま電子線のダメージを与えることなしに、高いコントラスト且つ高い分解能で観察できる。その一方で、試料の組成分析まではできず、これを３次元的に分析できれば、生物試料の構造やその機能の解明、有機材料の開発などに適用できる。
　本発明は、以上のような状況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、有機物等の試料をそのままの状態で高い分解能で観察でき、且つ、組成分析をも可能とする画像形成方法及び顕微鏡の提供にある。
　本発明者は、有機物試料に交流電位信号を伝搬させるように交流を印加したときのインピーダンスを測定して試料を観察するインピーダンス顕微鏡を着想した。特に、絶縁性薄膜を覆う導電性薄膜に電子線を集束照射すると絶縁性薄膜に局所的で微小な領域での絶縁性の低下が生じる。このとき、対向する導電性電極との間で交流を印加してインピーダンスを測定することで、極めて高い分解能の情報を得られると考えたのである。
　具体的には、本発明による画像形成方法は、絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置する配置ステップと、前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していく測定ステップと、前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させる画像形成ステップと、を含むことを特徴とする。
　かかる発明によれば、試料をそのままの状態としてインピーダンス値を測定し高い分解能の画像を形成させることができる。
　また、本発明によるインピーダンス顕微鏡は、絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置し、前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していき、前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させることを特徴とする。
　かかる発明によれば、試料をそのままの状態としてインピーダンス値を測定し高い分解能の画像を得ることができる。
　上記した発明において、前記試料は溶液中に与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、試料との交流電位信号の伝搬に差を簡単に与えて高い分解能の画像を簡単に得ることができる。
　上記した発明において、前記対向電極は、前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向させた第２絶縁性薄膜を含み、これに接する前記溶液との界面に電気双極子を形成させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば電気双極子によって絶縁性薄膜を越えて交流電位信号が伝搬されて、高い分解能での観察を可能とする。
　上記した発明において、前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極を含み、前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を入力させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物理線の走査に対応して導電性薄膜電極の表面に沿って交流電位信号を入力させることができる。
　上記した発明において、前記対向電極は、前記溶液中に向けたプローブを含み、前記プローブに前記交流電位信号を入力させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、対向電極側の位置を制限できて高い分解能での観察を可能とするのである。
　上記した発明において、前記物理線は、電子線又はレーザー光であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、照射源を従来装置から流用できてコストを低減でき、高い分解能での観察を可能とするのである。
　上記した発明において、前記交流電位信号として複数の周波数成分を含む正弦波又はノイズを与え、検出した交流信号より周波数スペクトルを得ることを特徴としてもよい。さらに、検出した前記交流信号の周波数成分を同期検波して分離し、前記周波数スペクトルを求めることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、周波数スペクトルに基づいて試料の組成を分析でき、さらに、微小な交流電位信号を検出できてより精確な組成の分析を可能とする。
　上記した発明において、前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加し、直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出し、インピーダンス情報に併せ位相情報を得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、高感度に交流電位信号を得ることができる。
　上記した発明において、前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するとともに、前記導電性薄膜電極へもバイアス電圧を加え、前記導電性薄膜の交流信号成分を抽出し、インピーダンス情報に併せて位相情報を得ることを特徴としてもよい。さらに、前記バイアス電圧を変化させながら前記交流信号成分を抽出し、ＳＮ比を所定とするように前記バイアス電圧を設定させる事前制御を与えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、交流電位信号の位相情報を得てより広範な観察を可能とし、良好なＳＮ比でより精確な分析を可能とできる。
　上記した発明において、前記導電性薄膜電極に入力する前記交流電位信号の周波数を画像のピクセル総数から撮像時間の秒数で割った値以上に制御する画像制御部を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、全てのピクセルに対して確実にインピーダンス値を得ることができる。
　上記した発明において、前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿ってアレイ状に金属パターン電極を配置し、前記金属パターン電極毎に異なる周波数成分の交流電位信号を入力し、前記金属パターン電極の位置と前記照射位置との相互角度に基づく傾斜画像から３次元構造情報を得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、有機物試料を３次元で観察できる。
本発明による１つの実施例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 本発明による１つの実施例における画像形成方法のフロー図である。 実施例２におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 実施例２の改変例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 実施例３におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 実施例３の改変例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 実施例４におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 実施例４の改変例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 実施例５におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。 インピーダンス顕微鏡による５００ｎｍ径のビーズサンプル（ａ）２００倍の振幅画像、（ｂ）５００倍の振幅画像、（ｃ）５０００倍の位相画像である。 インピーダンス顕微鏡による５００ｎｍ径のビーズサンプルの（ａ）２００倍、（ｂ）５００倍、（ｃ）２０００倍、（ｄ）１００００倍の振幅画像である。 インピーダンス顕微鏡による５００ｎｍ径のビーズサンプルの１００００倍の位相画像である。
　［実施例１］
以下に、本発明による有機物試料を観察する画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡の１つの実施例について、図１及図２を用いて説明する。
　図１に示すように、インピーダンス顕微鏡１００は、上側の第１絶縁性薄膜１１と、その下方に向けた主面に下側から対向する対向電極１５とを含む。第１絶縁性薄膜１１はその上側面を導電性薄膜１３に覆われている。また、対向電極１５は、上側面を第１絶縁性薄膜１１の下側面に対向するように位置する第２絶縁性薄膜１２を含む。対向電極１５は、さらに、第２絶縁性薄膜１２の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極１４を含む。第１絶縁性薄膜１１及び対向電極１５の間には有機物試料９が配置されて、これは溶液８によって保持されている。典型的には、溶液８が第１絶縁性薄膜１１及び第２絶縁性薄膜１２の間に挟まれて、これを満たしている。
　導電性薄膜１３は、その上方から物理線１を集束照射できる電子銃などの図示しない物理線照射器を備え、導電性薄膜１３の表面に沿って物理線１を走査可能としている。物理線１としては、電子線やレーザー光を用い得るが、導電性薄膜１３に照射して照射位置の直下において第１絶縁性薄膜１１の絶縁を破壊し絶縁性の低下した絶縁性低下領域１１ａを形成させることのできるものである。例えば、電子線を照射した場合に入射電子２が照射位置の直下において第１絶縁性薄膜１１へと散乱し吸収されることで絶縁性低下領域１１ａを形成させるのである。物理線１としては、その他にイオンビーム、中性子線、陽電子線などの他の荷電粒子線なども用い得る。
　他方、対向電極１５の導電性薄膜電極１４には、ファンクションジェネレータなどの信号出力機３１が接続され、交流電位信号を入力される。交流電位信号は、第２絶縁性薄膜１２と溶液８との界面に電気双極子３を形成し、電気双極子３の形成によって伝搬される。また、導電性薄膜１３には、検出した交流信号を増幅する交流アンプ３２が接続され、バンドパスフィルタ３３を介して出力信号３４を得ることができる。つまり、物理線１の照射領域の直下の位置において絶縁性の低下された第１絶縁性薄膜の絶縁性低下領域１１ａに交流電位信号を導き、導電性薄膜１３を介して導く過程で減衰した交流信号を交流アンプ３２で検出するとともに増幅し、バンドパスフィルタ３３で不要な周波数帯域をカットして必要な範囲の周波数の出力信号３４として取り出すことができるのである。
　これによって、取り出した出力信号３４からインピーダンス値を測定し、上記した物理線１の走査によるそれぞれの照射位置に対応するインピーダンス値から画像を形成させるのである。なお、導電性薄膜１３には交流アンプ３２を介してバイアス電圧３５を印加して検出する交流信号の感度を高めるようにするとよい。
　ところで図１（ａ）に示すように、絶縁性低下領域１１ａと導電性薄膜電極１４との間に（第２絶縁性薄膜１２、及び）溶液８のみが存在するとき、例えばこの溶液を水とすると比誘電率を約８０程度と高くして電位信号をよく伝搬させるため、絶縁性低下領域１１ａに導かれる交流電位信号の減衰を小さくする。そのため、水のコンダクタンス成分を反映して出力信号３４ａの振幅を大きくし、インピーダンス値を小さくする。
　これに対して、図１（ｂ）に示すように、例えば、有機物試料９をアミノ酸や脂質等から構成される生物試料とすると、比誘電率を２～５程度と低くして電位信号の伝搬を阻害するため、絶縁性低下領域１１ａに導かれる交流電位信号の減衰を大きくする。そのため、出力信号３４ｂの振幅を小さくし、インピーダンス値を大きくする。
　このように、出力信号３４から測定されるインピーダンス値は、溶液８のみの場合に小さく、有機物試料９に電位信号を伝搬させる場合に大きくなり、このインピーダンス値から物理線１の走査による照射位置に対応した画像を形成させることで、有機物試料９を画像として観察することができる。また、絶縁性低下領域１１ａの大きさは照射される物理線１の照射径に依存する。そこで、物理線１を小さく絞ることで極めて高分解能の画像を得ることができる。また、絶縁性薄膜の絶縁性を低下させるための物理線１の照射と、インピーダンス値を測定するための交流電位信号の入力とは互いに独立しており、また絶縁性低下領域１１ａを伝搬すればよいため交流電位信号を微弱なものとし得る。よって、有機物試料９は何らかの前処理を必要とせず、交流電位信号によってほとんど影響を与えられない。このように、溶液８中の有機物試料９をそのままの状態でインピーダンス値から形成した極めて高分解能の画像によって観察できる。なお、溶液８と有機物試料９との組み合わせは水と生物試料とに限られず、互いに異なる誘電率であれば有機物試料９の画像を得ることができる。
　すなわち、図２を併せて参照すると、本実施例による画像形成方法では、まず、配置ステップ（Ｓ１）において、第１絶縁性薄膜１１及び対向電極１５の間に溶液８によって保持された有機物試料９を配置させる。次いで、測定ステップ（Ｓ２）では、対向電極１５の導電性薄膜電極１４に交流電位信号を入力するとともに、導電性薄膜１３の上方から物理線１を集束照射しつつ走査し、上記したようにインピーダンス値を測定する。詳細には、物理線１を照射した照射位置の直下において第１絶縁性薄膜１１の絶縁性を低下させて絶縁性低下領域１１ａを形成させる。絶縁性低下領域１１ａには対向電極１５の導電性薄膜電極１４に入力される交流電位信号が導かれる。導かれた交流電位信号は、溶液８や有機物試料９を伝搬し、導電性薄膜１３を介して出力信号３４とされる。そして、それぞれの照射位置に対応する出力信号３４からインピーダンス値を得ていく。最後に、画像形成ステップ（Ｓ３）では、照射位置に対するインピーダンス値に基づいて上記したように画像を形成させる。
　なお、インピーダンスは、レジスタンス、インダクタンス、コンダクタンスを含むので、これらの成分を個別に測定して画像化してもよい。また、出力信号の位相を求めてこれを画像化してもよい。これらの測定結果は交流電位信号の伝搬する溶液８及び有機物試料９の組成や距離に依存するため、得られる画像は形状のみならず、有機物試料９の組成についての情報を含む。
　また、上記した実施例では交流アンプ３２を導電性薄膜１３に接続させているが、例えば、導電性薄膜電極１４に接続して、同様にインピーダンス値から画像を得るようにすることもできる。
　ここで、導電性薄膜電極１４に入力する交流電位信号の周波数は、得ようとする画像のピクセル総数から撮像時間の秒数で割った値以上にすることが好ましい。つまり、全てのピクセルに対して１波長以上の交流電位信号を入力し、その出力を得るのである。例えば、１００×１００ピクセルの画像を１０秒の走査で得ようとする場合は、１ピクセル当たりの物理線１の照射時間を１ｍｓｅｃとするため、交流電位信号としてはその逆数である１ｋＨＺ以上の周波数を必要とする。これによって、全てのピクセルに対して確実にインピーダンス値を得ることができる。例えば、交流電位信号として周波数を１ＭＨｚとする正弦波を加えて、バンドパスフィルタ３３として周波数を１ＭＨｚとするものを用いることが好ましいが、周波数としては数ｋＨｚから数ＧＨｚまでを使用可能である。
　なお、上記したようにインピーダンス顕微鏡は有機物試料の観察に適しているが、有機物に限らず溶液と異なる誘電率を有する材料であれば観察できる。例えば、試料は、セラミックスや金属などを材料とするものであってもよい。また、試料の周囲は溶液で満たされている必要はなく、試料と異なる誘電率を有する物質や真空であってもよい。例えば、大気やその他の雰囲気であれば比較的簡単に用い得る。
[実施例２]
　次に、インピーダンス顕微鏡の他の実施例について図３及び図４を用いて説明する。
　図３に示すように、インピーダンス顕微鏡１０１は、導電性薄膜電極１４に入力させる交流電位信号を複数の周波数成分を重畳させたものとしている。例えば、信号出力機３１によって予め定めた複数の周波数の正弦波を重畳させ、交流アンプ３２で増幅した交流信号をバンドパスフィルタ３３でそれぞれの周波数成分に分けて各周波数についてのインピーダンス値を求め、スペクトル測定装置３６で周波数スペクトル成分３６ａを検出するのである。有機物試料９の組成の違いがインピーダンス値の周波数スペクトル成分３６ａの違いとなり得るため、有機物試料９の組成も推定できる。なお、その他については実施例１と同様である。
　また、図４に示すように、インピーダンス顕微鏡１０２は、導電性薄膜電極１４に入力させる交流電位信号を複数の周波数成分を含むノイズとしている。例えば、ホワイトノイズ３１ａを交流電位信号として入力することができる。この場合、交流アンプ３２で増幅された交流信号から得た出力信号３４をフーリエスペクトル分析装置３７によって分析し、インピーダンス値の周波数スペクトル３７ａを求めるのである。これについても同様に、有機物試料９の組成を推定できる。なお、周波数スペクトルは、交流信号の周波数成分を同期検波して分離しで求めてもよい。
［実施例３］
　インピーダンス顕微鏡のさらに他の実施例について図５及び図６を用いて説明する。
　図５に示すように、インピーダンス顕微鏡１０３は、交流アンプ３２で増幅された交流信号をロックインアンプ３７’に入力し、出力信号３４を得て、インピーダンス測定装置３９ａ、振幅測定装置３９ｂ、位相測定装置３９ｃのそれぞれで出力信号のインピーダンス情報、振幅情報、位相情報を得ることができる。ロックインアンプ３７’では、印加されたバイアス電圧３５による直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出することでノイズを大幅にカットできて、極めて高いＳＮ比とした出力信号を得て、高精細な画像を非常にクリアに得ることができる。なお、ホルダ１９を含む有機物試料９を保持する構成は公知であるとともに、基本的な部分において上記した他の実施例と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
　図６に示すように、インピーダンス顕微鏡１０４は、導電性薄膜１３にバイアス電圧３５を印加するとともに、導電性薄膜電極１４へも第２のバイアス電圧３５ａを印加する。バイアス電圧３５及び第２のバイアス電圧３５ａは、ともにバイアス調整回路３８によって調整可能とされる。そして、導電性薄膜１３から検出される交流信号から交流信号成分のみを抽出して出力信号を得て、この出力信号からインピーダンス情報及び位相情報を併せて得るのである。位相情報もまた、交流電位信号の伝搬する有機物試料９の組成に依存するから、有機物試料９の組成情報を含む。また、これらに先立って、このバイアス電圧３５と第２のバイアス電圧３５ａとを変化させながら出力信号を測定し、出力信号のＳＮ比を所定値以上として、かかる出力信号を最適とするように事前制御しておくことが好ましい。このとき、かかる調整を自動で行うようバイアス調整回路３８を制御してもよい。
［実施例４］
　インピーダンス顕微鏡のさらに他の実施例について図７及び図８を用いて説明する。
　図７に示すように、インピーダンス顕微鏡１０５は、対向電極１５ａとして針状のプローブ１４ａを含み、これに交流電位信号を入力させる。プローブ１４ａは、第２絶縁性薄膜１２に対して空隙を有し、溶液８中に向けられている。このように空隙があっても交流電位信号はこれを伝搬し、インピーダンス値などによる画像を得ることができる。なお、交流電位信号の経路は、プローブ１４ａの先端から走査に基づき位置を変える物理線１の照射位置に対応する絶縁性低下領域１１ａまでを含むため、傾斜した経路に基づく傾斜画像を得ることになる。
　また、図８に示すように、インピーダンス顕微鏡１０６は、対向電極１５ｂとして針状のプローブ１４ａを含み、その先端を溶液８内に突出させて配置されている。すなわち、ホルダ１９内において、第２絶縁性薄膜を取り除いており、これによって第１絶縁性薄膜１１の下方を溶液８で満たしている。この場合においても、インピーダンス顕微鏡１０５の場合と同様に、インピーダンス値による画像を得ることができる。
［実施例５］
　インピーダンス顕微鏡のさらに他の実施例について図９を用いて説明する。
　図９に示すように、インピーダンス顕微鏡１０７は、対向電極１５ｃとして第２絶縁性薄膜１２の背面（下側面）に沿ってアレイ状に複数の金属パターン電極１４－１～１４－５を配置している。図示の関係上、金属パターン電極を５つとしているが、実際にはこれより多くしたり、２次元状に広げて配置したりすることもできる。金属パターン電極１４－１～１４－５のそれぞれには信号出力機３１から異なる周波数成分の交流電位信号が入力される。交流アンプ３２で増幅された交流信号は、バンドパスフィルタ３３で周波数分離され、周波数成分ごとにインピーダンス値や位相による画像を形成させることができる。この画像のそれぞれは、特定の金属パターン電極（例えば１４－１）の位置と物理線１の走査による照射位置との相互角度に基づく傾斜画像となっている。また、このような傾斜画像を金属パターン電極１４－１～１４－５のそれぞれで得ることができる。つまり、１回の走査でこれら複数の傾斜画像を得ることができる。さらに、これらの複数の傾斜画像を組み合わせることでインピーダンス値の３次元の位置情報を得ることができ、傾斜画像を３次元に再構成することができる。これにより、１回の走査（撮像）で、すなわち非常に短時間で、有機物試料９の３次元構造情報を得て、３次元構造解析を可能とする。
［画像形成結果］
　実施例３で示したインピーダンス顕微鏡１０３を用いて、画像を形成させた結果について図１０乃至図１２を用いて説明する。
　図１０に示すように、溶液８を水、有機物試料９を５００ｎｍ径のビーズサンプルとして、振幅測定装置３９ｂ及び位相測定装置３９ｃ（図５参照）から得た振幅と位相のそれぞれについて画像を形成させた。例えば、振幅から５０００倍の高精細な画像をクリアに形成させることもできた（図１０（ｂ）参照）。また、振幅からと同様の画像を位相から得ることもできた（図１０（ｃ）参照）。
　図１１に示すように、溶液８を水として空気を混合させ、水及び空気の界面近傍の画像を形成させた。上記と同様に、有機物試料９を５００ｎｍ径のビーズサンプルとして、振幅測定装置３９ｂから得た振幅について画像を形成させた。図１１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）中の点線はそれぞれ図１１（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）の視野を示す。ここでは、１００００倍の高精細な画像をクリアに形成させることが確認できた。
　図１２に示すように、位相測定装置３９ｃから得た位相についての画像においても同様に１００００倍の高精細なものをクリアに形成させることができた。
　以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
　　１　　物理線
　　８　　溶液
　　９　　有機物試料
　１１　　第１絶縁性薄膜
　１２　　第２絶縁性薄膜
　１３　　導電性薄膜
　１４　　導電性薄膜電極
　１５　　対向電極
　３１　　信号出力機
　３２　　交流アンプ
１００　　インピーダンス顕微鏡
 

 

Claims (14)

  1. 　絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置する配置ステップと、
    　前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していく測定ステップと、
    　前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させる画像形成ステップと、を含むことを特徴とする画像形成方法。
  2. 　前記試料は溶液中に与えられ、
    　前記対向電極は、前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向させた第２絶縁性薄膜を含み、
    　前記測定ステップにおいて前記第２絶縁性薄膜に接する前記溶液との界面に電気双極子を形成させることを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
  3. 　前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極を含み、
    　前記測定ステップにおいて前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を入力させることを特徴とする請求項２記載の画像形成方法。
  4. 　前記交流電位信号は複数の周波数成分を含む正弦波又はノイズであり、
    　前記測定ステップにおいて検出した交流信号より周波数スペクトルを得ることを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
  5. 　前記測定ステップにおいて前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加し、直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出し、インピーダンス情報に併せ位相情報を得ることを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
  6. 　前記測定ステップにおいて前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するとともに、前記導電性薄膜電極へもバイアス電圧を加え、前記導電性薄膜の交流信号成分を抽出し、インピーダンス情報に併せて位相情報を得ることを特徴とする請求項３記載の画像形成方法。
  7. 　前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿ってアレイ状に金属パターン電極を配置し、
    　前記測定ステップにおいて前記金属パターン電極毎に異なる周波数成分の交流電位信号を入力し、
    　前記画像形成ステップにおいて前記金属パターン電極の位置と前記照射位置との相互角度に基づく傾斜画像から３次元構造情報を得ることを特徴とする請求項２記載の画像形成方法。
  8. 　絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置し、前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していき、前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させることを特徴とするインピーダンス顕微鏡。
  9. 　前記試料は溶液中に与えられ、
    　前記対向電極は、前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向させた第２絶縁性薄膜を含み、これに接する前記溶液との界面に電気双極子を形成させることを特徴とする請求項８記載のインピーダンス顕微鏡。
  10. 　前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極を含み、前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を入力させることを特徴とする請求項９記載のインピーダンス顕微鏡。
  11. 　前記交流電位信号として複数の周波数成分を含む正弦波又はノイズを与え、検出した交流信号より周波数スペクトルを得ることを特徴とする請求項８記載のインピーダンス顕微鏡。
  12. 　前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加し、直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出し、インピーダンス情報に併せ位相情報を得ることを特徴とする請求項８記載のインピーダンス顕微鏡。
  13. 　前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するとともに、前記導電性薄膜電極へもバイアス電圧を加え、前記導電性薄膜の交流信号成分を抽出し、インピーダンス情報に併せて位相情報を得ることを特徴とする請求項１０記載のインピーダンス顕微鏡。
  14. 　前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿ってアレイ状に金属パターン電極を配置し、前記金属パターン電極毎に異なる周波数成分の交流電位信号を入力し、前記金属パターン電極の位置と前記照射位置との相互角度に基づく傾斜画像から３次元構造情報を得ることを特徴とする請求項９記載のインピーダンス顕微鏡。

     
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021250879A1 (ja) * 2020-06-12 2021-12-16 株式会社日立ハイテク 荷電粒子線装置および試料観察方法
WO2022250049A1 (ja) * 2021-05-25 2022-12-01 国立研究開発法人産業技術総合研究所 試料ホルダ及びインピーダンス顕微鏡

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019244468A1 (ja) * 2018-06-20 2019-12-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008076143A (ja) * 2006-09-20 2008-04-03 Citizen Holdings Co Ltd ヘモグロビン濃度測定装置
JP2011089846A (ja) * 2009-10-21 2011-05-06 Fujitsu Semiconductor Ltd 静電解析方法及び静電解析装置
JP2012098063A (ja) * 2010-10-29 2012-05-24 Sony Corp 誘電サイトメトリ装置及び誘電サイトメトリによる細胞分取方法
JP2014203733A (ja) * 2013-04-08 2014-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 走査電子顕微鏡用試料ホルダ、走査電子顕微鏡像の観察システム、および走査電子顕微鏡像の観察方法
WO2017154936A1 (ja) * 2016-03-09 2017-09-14 国立研究開発法人産業技術総合研究所 誘電率顕微鏡及び有機物試料の観察方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE162049C1 (ja) * 1953-11-04 1958-02-04 Asea Ab
NL154050B (nl) * 1966-08-13 1977-07-15 Philips Nv Elektronenmicroscoop.
WO1996020406A1 (fr) * 1994-12-27 1996-07-04 Research Development Corporation Of Japan Procede d'analyse elementaire par microscope a sonde de balayage utilisant un procede d'application de haute tension a impulsions ultracourtes
US7451646B2 (en) * 2005-07-28 2008-11-18 The Regents Of The University Of California Device and method for resonant high-speed microscopic impedance probe
JP2009186319A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Fujitsu Microelectronics Ltd 欠陥検査方法および欠陥検査装置
US7888143B1 (en) * 2008-07-30 2011-02-15 Xilinx, Inc. Apparatus and method for characterizing structures within an integrated circuit
JP5626757B2 (ja) 2010-02-24 2014-11-19 独立行政法人産業技術総合研究所 Ｘ線顕微鏡像観察用試料支持部材、ｘ線顕微鏡像観察用試料収容セル、およびｘ線顕微鏡
DE102014212563B4 (de) * 2014-06-30 2018-05-30 Carl Zeiss Smt Gmbh Messvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Positionsänderung eines Teilchenstrahls eines Rasterteilchenmikroskops
CN107533944B (zh) * 2015-05-01 2019-05-03 株式会社日立高新技术 具备离子泵的带电粒子束装置
WO2019244468A1 (ja) * 2018-06-20 2019-12-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008076143A (ja) * 2006-09-20 2008-04-03 Citizen Holdings Co Ltd ヘモグロビン濃度測定装置
JP2011089846A (ja) * 2009-10-21 2011-05-06 Fujitsu Semiconductor Ltd 静電解析方法及び静電解析装置
JP2012098063A (ja) * 2010-10-29 2012-05-24 Sony Corp 誘電サイトメトリ装置及び誘電サイトメトリによる細胞分取方法
JP2014203733A (ja) * 2013-04-08 2014-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 走査電子顕微鏡用試料ホルダ、走査電子顕微鏡像の観察システム、および走査電子顕微鏡像の観察方法
WO2017154936A1 (ja) * 2016-03-09 2017-09-14 国立研究開発法人産業技術総合研究所 誘電率顕微鏡及び有機物試料の観察方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OGURA TOSHIHIKO: "Development of New Visualizing Technology of the Liquid Samples Based on Scanning Electron Microscopy", JAPAN OIL CHEMISTS SOCIETY, vol. 15, no. 11, 1 January 2015 (2015-01-01), pages 511 - 516, XP055667848 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021250879A1 (ja) * 2020-06-12 2021-12-16 株式会社日立ハイテク 荷電粒子線装置および試料観察方法
JP7346739B2 (ja) 2020-06-12 2023-09-19 株式会社日立ハイテク 荷電粒子線装置および試料観察方法
WO2022250049A1 (ja) * 2021-05-25 2022-12-01 国立研究開発法人産業技術総合研究所 試料ホルダ及びインピーダンス顕微鏡

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