JP2009133721A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液中の試料観察に適した走査プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope suitable for observing a sample in a liquid.
最近、探針付きカンチレバーと試料を接近させて対向配置し、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力,或いは磁気力,或いは静電気力等を測定し、該測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査プローブ顕微鏡や、探針と試料を接近させて対向配置し、且つ探針と試料間にバイアス電圧を印加し、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に流れるトンネル電流を測定し、該測定に基づいて試料表面の凹凸像等を得るように成した走査プローブ顕微鏡が注目されている。 Recently, the cantilever with the probe and the sample are placed close to each other, and the surface of the sample is scanned with the probe to measure the atomic force, magnetic force, electrostatic force, etc. acting between the probe and the sample. A scanning probe microscope configured to obtain a concavo-convex image of the sample surface based on the measurement, a probe and a sample are placed close to each other, a bias voltage is applied between the probe and the sample, and the sample is detected by the probe. Attention has been focused on a scanning probe microscope which measures a tunnel current flowing between a probe and a sample by scanning the surface and obtains an uneven image on the sample surface based on the measurement.
さて、この様な走査プローブ顕微鏡における試料観察において、液中の試料を観察する場合がある。この液中の試料観察では、液中の試料が受ける腐食の過程やエッチングの過程等の観察が行われる。 Now, in sample observation with such a scanning probe microscope, a sample in the liquid may be observed. In the sample observation in the liquid, the corrosion process, the etching process, and the like that the sample in the liquid receives are observed.
図1は液中の試料を観察するための原子間力顕微鏡の一概略例を示している。 FIG. 1 shows a schematic example of an atomic force microscope for observing a sample in a liquid.
図中1は光源(例えば、レーザー光源)、2は先端に探針3が付けられ前記光源1から発せられた光を反射させるカンチレバー、4は該カンチレバーで反射された反射光を検出する光検出器(例えば、二分割若しくは四分割半導体光検出器)である。
In the figure, 1 is a light source (for example, a laser light source), 2 is a cantilever with a
5は試料載置台6に取り付けられた試料、7は例えば、圧電素子から成り、前記試料載置台6を介して前記試料5を載置し、且つ前記試料載置台6を通じて前記試料5をX,Y,Z軸方向に独立して移動させるスキャナ、8は該スキャナ7を支持するベースである。
9は、下蓋体10,例えば、ゲルOリング体(例、ゲル状のシリコン製Oリング)から形成される側壁体11及び上蓋体12から成る試料室で、前記下蓋体10は前記スキャナ7と試料載置台6の間に設けられ、前記上蓋体12はドーナツ状に形成されており、その空間部にガラス板の如き透明板13が嵌められている。この試料室9の側壁体下部には液導入管14、その対抗には液排出管15が設けられている。又、前記透明板13には前記カンチレバー2を取り付けたホルダー16が取り付けられている。
この様な原子間顕微鏡では、カンチレバー2が最大変位した時に該カンチレバーの反射面を液体が満たす程度になるまで液導入管14から試料室9に液体を導入する。
In such an atomic microscope, when the cantilever 2 is displaced to the maximum, the liquid is introduced from the
この状態で、スキャンジェネレータ(図示せず)からZ軸方向(図では上下方向)の高さ調整信号によりスキャナ7のZ軸圧電素子(図示せず)が駆動されて、探針3と試料5の間の距離が初期設定距離に設定される。
In this state, a Z-axis piezoelectric element (not shown) of the
一方、光源1から発せられた光はカンチレバー2の試料側と反対側の面に当たって反射し、その反射光が光検出器4によって検出される。 On the other hand, light emitted from the light source 1 strikes and reflects the surface of the cantilever 2 opposite to the sample side, and the reflected light is detected by the photodetector 4.
この状態において、前記スキャンジェネレータ(図示せず)からの制御信号により、前記スキャナ7のX軸,Y軸圧電素子(図示せず)がそれぞれ駆動されて、前記試料5がX軸方向(図1の左右方向)及びY軸方向(図1の紙面に直行する方向)にそれぞれ移動される。
In this state, the X-axis and Y-axis piezoelectric elements (not shown) of the
前記試料5の観察すべき表面には凹凸があり、該凹凸に従って前記探針3と前記試料5の観察表面との間の距離が前記初期設定距離からずれるので前記探針3と前記試料5間の原子間力が変位する。
The surface to be observed of the
この場合、前記探針3は前記初期設定距離を保持しようとして前記試料5の観察表面の凸凹に応じて上下動する。その為、この上下動に応じて前記カンチレバー2の傾きも変化するので、前記光検出器4に入る反射光の位置も変化する。
In this case, the
この検出した反射光の位置変化をZ軸方向の位置変化に換算し、該換算した信号(画像信号)に基づいて液中にある試料表面の凸凹像が観察される。 The detected position change of the reflected light is converted into a position change in the Z-axis direction, and an uneven image of the sample surface in the liquid is observed based on the converted signal (image signal).
そして、この凹凸象の観察に基づいて、液中の試料が受ける腐食の過程やエッチングの過程等の観察が行われるのである。 Based on the observation of the irregularities, the corrosion process and the etching process that the sample in the liquid receives are observed.
さて、前述した様な原子間力顕微鏡において、試料5が試料載置台6から容易に取れない様に、例えば、接着テープの如き粘着材によって前記試料5を試料載置台6に取り付けている。
Now, in the atomic force microscope as described above, the
しかし、液中での観察中に、前記接着テープが前記試料5や試料載置台6から剥がれたり、又、使用する液体によっては液中での観察中に溶解してしまい、前記試料5の観察に支障を来してしまう。
However, during the observation in the liquid, the adhesive tape is peeled off from the
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、新規な走査プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a novel scanning probe microscope.
本発明の走査プローブ顕微鏡は試料室内の液中で探針と試料を接近させて対向配置し、該探針と試料との相対位置を変化させ、該探針と試料間の相互作用に基づいて該試料表面の像情報を得る様に成した走査プローブ顕微鏡において、前記試料室内を上下に二分する様に、少なくとも1個の孔が穿たれたプレートを該試料室内に設け、該プレート上面に前記孔を塞ぐ様に試料が置かれた該プレートの上面及び下面各々に沿って液が流れる様に成し、該下面に沿って流れる液の流速が上面に沿って流れる液の流速より速くなる様に成したことを特徴とする。 In the scanning probe microscope of the present invention, the probe and the sample are placed close to each other in the liquid in the sample chamber, the relative position between the probe and the sample is changed, and the interaction between the probe and the sample is based on the interaction between the probe and the sample. In the scanning probe microscope configured to obtain image information of the sample surface, a plate having at least one hole is provided in the sample chamber so as to bisect the sample chamber vertically, and the plate is provided on the upper surface of the plate. The liquid flows along each of the upper and lower surfaces of the plate on which the sample is placed so as to close the hole, and the flow velocity of the liquid flowing along the lower surface is higher than the flow velocity of the liquid flowing along the upper surface. It is characterized by that.
本発明によれば、液中観察用の走査プローブ顕微鏡で通常使用される液中における試料観察中に、試料が試料保持手段から取れてしまうことがないので、試料の液中観察を支障なく行うことが出来る。 According to the present invention, since the sample is not removed from the sample holding means during the sample observation in the liquid normally used in the scanning probe microscope for in-liquid observation, the sample is observed in the liquid without any trouble. I can do it.
図2は、本発明の走査プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡の一概略例を示している。 FIG. 2 shows a schematic example of an atomic force microscope which is one of the scanning probe microscopes of the present invention.
図2において、図1で使用した記号と同一記号の付したものは同一構成要素を示す。 In FIG. 2, the same reference numerals as those used in FIG. 1 denote the same components.
図中9´は、下蓋体10´、ゲルOリング体から形成される側壁体11´及び上蓋体12から成る試料室である。
Reference numeral 9 'in the figure denotes a sample chamber comprising a lower lid body 10', a side wall body 11 'formed from a gel O-ring body, and an
20は、中央部分に複数の孔21A,21B,21C,………が穿たれ、その上面中央部に試料5が載置されるプレートで、前記下蓋体10´との間に空間Saが出来る様に前記側壁体11´に取り付けられている。
22,23は、前記プレート20上面若しくは試料5上面に沿って水平に液体の流れを作る為の液導入管,液排出管である。
24,25は、該前記プレート20下面に沿って水平に液体の流れを作る為の液導入管,液排出管である。
24 and 25 are a liquid introduction pipe and a liquid discharge pipe for creating a liquid flow horizontally along the lower surface of the
26は前記試料室9´内に供給する液体を一時的に蓄えることが出来る恒温槽、27は前記試料室9´に供給する液体の温度を調整することが出来る温度調整器、28は前記恒温槽26の流出部と前記温度調整器27の流入部の間に設けられた循環ポンプである。
26 is a thermostat capable of temporarily storing the liquid supplied into the
該温度調整器27の流出部は前記液導入管22と24とに繋がっており、後者の液導入管24の途中には流量調整器29と開閉弁30が設けられている。
The outflow part of the
前記恒温槽26の流入部には前記液排出管23,25とが繋がっており、前者の液排出管23の途中には開閉弁31が設けられている。
The
この様な構成の原子間力顕微鏡において、試料室9´の上蓋体12を開け、プレート20上面の中央部に(穴21A,21B,21C,………を塞ぐ様に)試料5をセットし、前記上蓋体12を閉める。
In the atomic force microscope having such a configuration, the
この状態において、制御装置(図示せず)からの指令を受けた循環ポンプ28が稼動し始めると、恒温槽26内に蓄えられていた液体は次の様にして温度調整器27,試料室9´,恒温槽26間を循環し始める。
In this state, when the circulation pump 28 in response to a command from a control device (not shown) starts to operate, the liquid stored in the
先ず、前記温度調整器27では前記恒温槽26からの液体が予め設定された温度に調整され、前記液導入管22と前記液導入管24へ流れる。
First, in the
この際、前記液導入管24に設けられた開閉弁30及び液排出管23に設けられた開閉弁31は閉じているので、前記液導入管22に流れた液体だけが前記試料室9´内に入り、該液体が該試料室内に溜まって行く。
At this time, since the on-off valve 30 provided on the
所定の時間経過(前記試料5の表面を液体が満たす程度になるまでの時間)すると、前記制御装置(図示せず)から指令を受けて、前記開閉弁30が開き、前記液流入管24からの液体が前記プレート20と下蓋体10´との間の空間Saを介して前記液排出管25に流れ始め、前記恒温槽26,前記温度調整器27,試料室9´の空間Saの順に循環し出す。
When a predetermined time elapses (time until the surface of the
さて、前記プレート20の上側を流れる液体の流速をV1,圧力をP1、前記プレート20の下側を流れる液体の流速をV2,圧力をV2とすると、ベルヌーイの定理よりV12/2+P1/ρ=V22/2+P2/ρ(ρ:液体の密度)と表すことが出来る。
Now, the flow rate of the liquid flowing through the upper of the
従って、この時点においては、前記した様に、前記プレート20下の空間Saを流れる液体の流速V2は前記プレート20の表面(前記試料5の表面)に沿って流れる液体の流速V1より速いので、前記圧力P2が前記圧力P1より低くなり、該圧力差(P1−P2)により前記プレート20上側の液体が該プレートに穿たれた孔21A,21B,21C,………を介して前記プレート20下側に移動する。この結果、前記孔21A,21B,21C,………が穿たれたプレート20の中央部において、前記試料6を固定させる力が発生する。
Therefore, at this time, as described above, the flow velocity V2 of the liquid flowing through the space Sa under the
この状態において、所定の時間経過(少なくとも、前記カンチレバー2が最大変位した時に該カンチレバーの反射面を液体が満たす程度になるまでの時間)すると、前記制御装置(図示せず)から指令を受けて、前記開閉弁31が開き、前記試料室9´内に溜まった液体は前記液排出管23にも流れ始め、ここからの液体も前記恒温槽26,前記温度調整器27,試料室9´の順に循環し出す。
In this state, when a predetermined time elapses (at least the time until the liquid fills the reflecting surface of the cantilever when the cantilever 2 is displaced to the maximum), a command is received from the control device (not shown). Then, the on-off
この循環において、前記液導入管24の途中に設けられている前記流量調整器29は、前記プレート20下の空間Saを流れる液体の流速が前記プレート20の表面(前記試料5の表面)に沿って流れる液体の流速より速くなる様にコントロールされている。
In this circulation, the
従って、前記ベルヌーイの定理に基づき、前記プレート20上の前記試料5は前記プレート20上にしっかり固定され続ける。
Therefore, based on the Bernoulli theorem, the
この様にして前記試料5を前記プレート20にしっかり固定した状態において、スキャンジェネレータ(図示せず)からZ軸方向の高さ調整信号によりスキャナ7のZ軸圧電素子(図示せず)が駆動されて、探針3と前記試料5の間の距離が初期設定距離に設定され、光源1から発せられた光はカンチレバー2の試料側と反対側の面に当たって反射し、その反射光が光検出器4によって検出される。
In a state where the
この状態において、前記スキャンジェネレータ(図示せず)からの制御信号により、前記スキャナ7のX軸,Y軸圧電素子(図示せず)がそれぞれ駆動されて、前記試料5がX軸方向及びY軸方向にそれぞれ移動される。
In this state, the X-axis and Y-axis piezoelectric elements (not shown) of the
該移動中、前記試料5の観察すべき表面の凹凸に従って前記探針3と前記試料5の観察表面との間の距離が前記初期設定距離からずれるので前記探針3と前記試料5間の原子間力が変位する。
During the movement, the distance between the
前記探針3は前記初期設定距離を保持しようとして前記試料5の観察表面の凸凹に応じて上下動し、該上下動に応じて前記カンチレバー2の傾きも変化するので、前記光検出器4に入る反射光の位置も変化する。
The
この検出した反射光の位置変化はZ軸方向の位置変化に換算され、該換算した信号(画像信号)に基づいて液中にある試料表面の凸凹像が観察される。 The detected position change of the reflected light is converted into a position change in the Z-axis direction, and an uneven image of the sample surface in the liquid is observed based on the converted signal (image signal).
尚、前記試料5を前記プレート20から外す場合には、前記循環ポンプ28と流量調整器29の稼動を停止し、更に、前記恒温槽26と開閉弁31間及び該恒温槽と液排出管25と間にそれぞれ設けられている液排出弁(図示せず)を開けて前記試料室9´内の液体を排出して行う。
When removing the
尚、前記例においては、前記液導入管24に設けられた前記流量調整器29により、前記プレート20の上側に流れる液体の流速が該プレートの下側に流れる液体の流速より速くなる様にしたが、前記流量調整器を前記液導入管24に設けずに前記液導入管22に設けるか、或いは、前記両方の液導入管に設けて、同じ様に、前記プレート20の上側に流れる液体の流速が該プレートの下側に流れる液体の流速より速くなる様にしても良い。但し、前記流量調整器29を前記液導入管22に設ける場合、前記プレート20の上側に流れる液体の流速はカンチレバー3が液体の対流の影響を受けないように調整する。
In the above example, the
尚、前記例で使用される液体としては純水、生理食塩水、電解質溶液等があるが、試料に応じて選択される。 The liquid used in the above example includes pure water, physiological saline, electrolyte solution, etc., and is selected according to the sample.
又、前記プレート20の表面に、テフロン(登録商標)等の柔らかい素材で被覆しても良い。
The surface of the
又、実施例に挙げた前記恒温槽26に、液体中に含まれているごみを除去するフィルタを設けても良い。
Moreover, you may provide the filter which removes the dust contained in the liquid in the said
又、前記恒温槽26に液体のPHを調整するPH調整液を搭載したPH調整器を設けても良い。
Further, a PH adjuster equipped with a PH adjusting liquid for adjusting the pH of the liquid may be provided in the
1…光源
2…カンチレバー
3…探針
4…光検出器
5…試料
6…試料載置台
7…スキャナ
8…ベース
9,9´…試料室
10,10´…下蓋体
11,11´…側壁体
12…上蓋体
13…透明板
14,22,24…液導入管
15,23,25…液排出管
16…ホルダー
20…プレート
21A,21B,21C…孔
26…恒温槽
27…温度調整器
28…循環ポンプ
29…流量調整器
30,31…開閉弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source 2 ...
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2007
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