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この項目の情報は公開日時点(2000年8月15日)のものです。
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図面 (5)

課題

原子レベル表面形状の情報を用いて元素分析を行えるようにする。

解決手段

試料3の表面に近接配置する探針2と、試料3の表面からの探針2の距離に対応した信号を検出する検出手段6と、検出手段6により検出される信号に基づき探針2の高さを制御する探針高さ制御手段5と、探針2と対向する試料3の表面の原子共振させる共振信号供給手段7と、検出手段6の検出信号または探針高さ制御手段5の高さ制御信号を一定にし共振信号供給手段7により周波数または波長を変化させたときの高さ制御信号または検出信号の変化に基づき試料3の表面における原子の元素分析を行う分析手段9とを備え、試料3の原子レベルの表面形状を観察して原子の元素分析を行う。

概要

背景

原子レベル試料の表面の凹凸形状を観察する装置としてSTM走査トンネル顕微鏡)やAFM(接触型非接触型原子間力顕微鏡)がある。既に知られているようにSTMは、試料の極表面に探針を接近させ、試料の表面と探針との間に流れるトンネル電流を検出し、AFMは、試料の表面と探針との間(カンチレバー)に働く原子間力を検出し、これらを表面からの探針の距離に対応した信号として観察を行うことによって、原子レベルで表面の凹凸形状の観察を行うものである。このとき、表面からの探針の距離に対応したトンネル電流や原子間力が一定になるように探針の高さを制御したときの高さ制御信号、あるいは探針の高さ制御信号を一定にしたときの表面からの探針の距離に対応したトンネル電流や原子間力から表面の凹凸形状の観察像が得られる。

概要

原子レベルの表面形状の情報を用いて元素分析を行えるようにする。

試料3の表面に近接配置する探針2と、試料3の表面からの探針2の距離に対応した信号を検出する検出手段6と、検出手段6により検出される信号に基づき探針2の高さを制御する探針高さ制御手段5と、探針2と対向する試料3の表面の原子共振させる共振信号供給手段7と、検出手段6の検出信号または探針高さ制御手段5の高さ制御信号を一定にし共振信号供給手段7により周波数または波長を変化させたときの高さ制御信号または検出信号の変化に基づき試料3の表面における原子の元素分析を行う分析手段9とを備え、試料3の原子レベルの表面形状を観察して原子の元素分析を行う。

目的

効果

実績

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請求項1

試料原子レベル表面形状を観察して原子元素分析を行う表面形状情報に基づく元素分析装置であって、前記試料の表面に近接配置する探針と、前記試料の表面からの前記探針の距離に対応した信号を検出する検出手段と、前記検出手段により検出される信号に基づき探針の高さを制御する探針高さ制御手段と、前記探針と対向する前記試料の表面の原子を共振させる共振信号供給手段と、前記検出手段の検出信号または前記探針高さ制御手段の高さ制御信号を一定にし前記共振信号供給手段により周波数または波長を変化させたときの前記高さ制御信号または検出信号の変化に基づき前記試料の表面における原子の元素分析を行う分析手段とを備えたことを特徴とする表面形状情報に基づく元素分析装置。

請求項2

前記共振信号供給手段は、分光し単色化した赤外線全反射条件で前記試料の表面に照射するものであることを特徴とする請求項1記載の表面形状情報に基づく元素分析装置。

請求項3

前記共振信号供給手段は、前記探針に高周波機械的振動を伝えるものであることを特徴とする請求項1記載の表面形状情報に基づく元素分析装置。

技術分野

0001

本発明は、試料原子レベル表面形状を観察して原子元素分析を行う表面形状情報に基づく元素分析装置に関する。

背景技術

0002

原子レベルで試料の表面の凹凸形状を観察する装置としてSTM走査トンネル顕微鏡)やAFM(接触型非接触型原子間力顕微鏡)がある。既に知られているようにSTMは、試料の極表面に探針を接近させ、試料の表面と探針との間に流れるトンネル電流を検出し、AFMは、試料の表面と探針との間(カンチレバー)に働く原子間力を検出し、これらを表面からの探針の距離に対応した信号として観察を行うことによって、原子レベルで表面の凹凸形状の観察を行うものである。このとき、表面からの探針の距離に対応したトンネル電流や原子間力が一定になるように探針の高さを制御したときの高さ制御信号、あるいは探針の高さ制御信号を一定にしたときの表面からの探針の距離に対応したトンネル電流や原子間力から表面の凹凸形状の観察像が得られる。

発明が解決しようとする課題

0003

上記のようにSTMやAFMは、従来より試料の表面からの探針の距離に対応した信号に基づき試料の表面形状(凹凸形状)を原子レベルで観察するものとして知られており、原子レベルの表面観察はできるが、個々の原子を同定する情報は非常に少ないため、従来は、STMやAFMが元素分析装置として利用されることはなかった。

課題を解決するための手段

0004

本発明は、上記課題を解決するものであって、原子レベルの表面形状の情報を用いて元素分析を行えるようにするものである。

0005

そのために本発明は、試料の原子レベルの表面形状を観察して原子の元素分析を行う表面形状情報に基づく元素分析装置であって、前記試料の表面に近接配置する探針と、前記試料の表面からの前記探針の距離に対応した信号を検出する検出手段と、前記検出手段により検出される信号に基づき探針の高さを制御する探針高さ制御手段と、前記探針と対向する前記試料の表面の原子を共振させる共振信号供給手段と、前記検出手段の検出信号または前記探針高さ制御手段の高さ制御信号を一定にし前記共振信号供給手段により周波数または波長を変化させたときの前記高さ制御信号または検出信号の変化に基づき前記試料の表面における原子の元素分析を行う分析手段とを備えたことを特徴とするものである。

0006

また、前記共振信号供給手段は、分光し単色化した赤外線全反射条件で前記試料の表面に照射するものであり、前記探針に高周波機械的振動を伝えるものであることを特徴とするものである。

発明を実施するための最良の形態

0007

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る表面形状情報に基づく元素分析装置の実施の形態を示す図、図2単色光波長スキャンとトンネル電流の変化に基づく元素分析を説明するための図である。図中、1はスキャナ、2は探針、3は試料、4はXY方向スキャン回路、5はZ方向駆動回路、6はトンネル電流検出回路、7は分光器、8は赤外光源、9は分析制御装置、10はバイアス電源を示す。

0008

図1において、スキャナ1は、先端に取り付けた探針2をXYZ方向に、つまり試料3の面に沿った水平方向(XY方向)、及び試料3の面に対して垂直方向(Z方向)に駆動可能な機構素子であり、例えばピエゾ等が用いられる。XY方向スキャン回路4は、スキャナ1のX方向のピエゾ素子及びY方向のピエゾ素子を駆動してスキャナ1の先端に取り付けた探針2をXY方向にスキャンする回路であり、Z方向駆動回路5は、スキャナ1のZ方向(試料3の面に対して垂直方向)のピエゾ素子を駆動してスキャナ1の先端に取り付けた探針2の高さを制御する回路である。トンネル電流検出回路6は、探針2を試料3の極表面に接近させたときに探針2と試料3との間に流れるトンネル電流を検出するものである。分光器7は、赤外光源8からの赤外光を単色化し波長をスキャンしながら試料2の表面に全反射角θで照射するものである。分析制御装置9は、トンネル電流検出回路6により検出されるトンネル電流を監視しながら、XY方向スキャン回路4、Z方向駆動回路5、分光器7を制御して、試料2の表面観察、その表面形状情報に基づく元素分析を行うものである。バイアス電源10は、試料3にバイアス電圧印加するものである。

0009

単色光の照射波長をスキャンしたときのトンネル電流の変化を模式図的に表したのが図2であり、分光器7により波長をスキャンすると、図2に示すようにある波長λrで原子(分子)が共振(赤外線吸収が生じる)した場合、原子位置見掛け上変化するため、Z方向駆動回路6によりZピエゾに印加する電圧信号を一定にするとトンネル電流が変化する。このトンネル電流の変化を検出したスペクトルから原子の結合力に起因した格子振動分子振動数が求まるので、元素分析を行うことができる。また、照射波長をスキャンしている間、先に述べたようにトンネル電流を一定に保つように(トンネル電流一定モード)Z方向駆動回路6にフィードバックし探針2の高さ(Tip位置)を制御する場合には、Z方向駆動回路6によりZピエゾに印加する電圧信号の変化を検出すればよい。また、AFMの場合には、トンネル電流の変化に相当する情報として力あるいはその勾配の変化を検出すればよい。

0010

次に、分析制御装置9による分析制御の手順を説明する。図3は分析制御装置による分析制御の手順の例を説明するための図である。まず、XY方向スキャン回路4を制御して探針2を所定の位置に設定し、Z方向駆動回路6を制御して探針2を試料3の極表面に接近させながら(ステップS11)、トンネル電流検出回路6によりトンネル電流を検出する(ステップS12)。探針2と試料3との間を約1nmまで接近させるとトンネル電流が流れるので、トンネル電流検出回路6によりトンネル電流が検出されると、そのトンネル電流を一定に保つよう(トンネル電流一定モード)にしてZ方向駆動回路6を制御する(ステップS13)。しかる後、STM観察または元素分析を行う(ステップS14)。

0011

STM観察を行う場合には、トンネル電流検出回路6により検出されるトンネル電流を一定に保つようにしてZ方向駆動回路6を制御しながら(ステップS15)、XY方向スキャン回路4を制御して探針2をXY方向にスキャンする(ステップS16)。そして、XYの位置に対応したZ方向駆動回路6の制御信号、つまりZピエゾに印加する電圧信号を高さ情報として試料3の表面像原子像)を出力し表面形状の観察を行う(ステップS17)。また、Z方向駆動回路6の制御信号を固定し探針2の高さを一定に保つようにしてZ方向駆動回路6を制御しながら、XY方向スキャン回路4を制御して探針2をXY方向にスキャンする場合には、XYの位置に対応してトンネル電流検出回路6により検出されるトンネル電流を高さ情報として試料3の表面像(原子像)を出力することによって表面形状の観察を行うことができる。

0012

STM観察により得られた表面像から特定の位置(原子)を選び元素分析を行う場合には、XY方向スキャン回路4を制御して探針2を選んだ原子の直上に移動し、Z方向駆動回路6を制御してトンネル電流検出回路6によりトンネル電流が検出されるまで探針2を試料3の極表面に接近させる(ステップS18)。しかる後、赤外光源8からの赤外光を分光器7により単色化して試料3に全反射角θで照射し(ステップS19)、照射波長をスキャンする(ステップS20)。そして、波長に対応するトンネル電流の変化を出力し特定の位置における元素分析を行う(ステップS21)。

0013

図4は本発明に係る表面形状情報に基づく元素分析装置の他の実施の形態を示す図であり、11は振動子、12は発振器を示す。図4において、振動子11は、スキャナ1の先端の探針2との間に取り付け、Z方向に微小振動させるピエゾ素子や水晶発振器などであり、発振器12は、振動子11を振動させるための交流電圧を印加するものである。このように探針2を通して高周波の機械的振動を伝えると、特に吸着原子等の比較的結合力の弱い原子/分子の場合に原子が共振する周波数でトンネル電流の変化を検出することができる。また、加振振幅を大きくして共振をより激しくすることにより、その原子や分子の結合を切り、表面から原子や分子単位で脱離させるようにしてもよい。

0014

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、赤外光を単色化して照射しその波長をスキャンする例で説明したが、赤外光に限らず、試料の表面原子を共振させることができればよいので、赤外光以外の波長帯の光やマイクロウェーブその他の電磁波を使用してもよい。また、探針を機械的に振動させ原子に原子間力により振動を伝えるようにした場合には、より共振を激しくして原子や分子単位で表面から脱離させるようにしてもよい。

発明の効果

0015

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、試料の原子レベルの表面形状を観察して原子の元素分析を行う表面形状情報に基づく元素分析装置であって、試料の表面に近接配置する探針と、試料の表面からの探針の距離に対応した信号を検出する検出手段と、検出手段により検出される信号に基づき探針の高さを制御する探針高さ制御手段と、探針と対向する試料の表面の原子を共振させる共振信号供給手段と、検出手段の検出信号または探針高さ制御手段の高さ制御信号を一定にし共振信号供給手段により周波数または波長を変化させたときの高さ制御信号または検出信号の変化に基づき試料の表面における原子の元素分析を行う分析手段とを備えたので、原子間の結合力によって決まる格子振動や分子振動の固有周波数を高さ制御信号または検出信号の変化により求め、原子レベルの分析を行うことができる。しかも、試料の原子レベルの表面形状を観察するSTMやAFMに共振信号供給手段として、試料の表面に電磁波を照射したり、探針を機械的に振動させる手段などの簡単な構成を付加するだけで、原子の元素分析を行うことができる。また、探針を機械的に振動させ原子に原子間力により振動を伝えるようにした場合には、より共振を激しくして原子や分子単位で表面から脱離させることもできる。

図面の簡単な説明

0016

図1本発明に係る表面形状情報に基づく元素分析装置の実施の形態を示す図である。
図2分析制御装置による分析制御の手順の例を説明するための図である。
図3単色光の波長スキャンによる元素分析を説明するための図である。
図4本発明に係る表面形状情報に基づく元素分析装置の他の実施の形態を示す図である。

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0017

1…スキャナ、2…探針、3…試料、4…XY方向スキャン回路、5…Z方向駆動回路、6…トンネル電流検出回路、7…分光器、8…赤外光源、9…分析制御装置、10…バイアス電源

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