JP2020027091A - 測定装置、近接場の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ光が照射されることにより生じる近接場を測定できる。【解決手段】測定装置は、キャリアエンベロプ位相がロックされた第１光を被照射物に照射し近接場を形成する第１光学系と、第１光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、第１光よりもパルス幅が短い第２光を被照射物に照射する第２光学系と、第２光が被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部と、第１光により近接場が存在している期間に、第２光が被照射物に照射されるように、第１光および第２光の少なくとも一方の照射タイミングを調整するタイミング調整部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置、および近接場の測定方法に関する。

試料の情報を原子レベル、分子レベルで時間分解して取得する装置として、光学的ポンプ・プローブ走査トンネル顕微鏡(Optical Pump-Probe Scanning Tunneling Microscopy、OPP-STM)が提案されている。OPP-STMでは、まずポンプ光を探針および測定対象である試料に照射し、ポンプ光により生じた光誘起ダイナミックス、たとえば試料が励起され・緩和していく過程をポンプ光とプローブ光の間の遅延時間を変化させ、対応するトンネル電流の変化を測定することで観察する。ところで、ポンプ光が照射されることにより探針と試料の間に生じる電場波形は、ポンプ光の元の波形とは一致せず、探針の形状や試料など様々な影響を受けることが知られ、様々な仮説が発表されている。しかしポンプ光が照射されることにより生じる電場波形を実際に使用する条件で、その場で直接測定し評価する方法は見出されていない。OPP-STMに関してたとえば特許文献１が挙げられるが、特許文献１にもポンプ光が照射されることにより生じる近接場を直接測定する装置や方法は開示されていない。

特開２０１３−３２９９３号公報

通常、パルス内には数周期の電場が含まれ、その位相（キャリアエンベロプ位相、ＣＥＰ）はパルス間でランダムで、また時間と伴に揺らいでいる。それが、時間分解能がパルス幅で決まる、すなわちそれ以上に良くならない理由であった。この場合、電場波形は問題にならず、これまで注目されてこなかった。しかし、最近、ＣＥＰがロックされ（時間に対して揺らがず安定で）、しかもその制御も可能になったことで、ナノスケール構造のキャリアー（電子やホール）を超高速で制御する素子の開発など、電場波形を知ることが非常に重要になってきた。特に電場一周期のパルス光が作られるようになったことで、電場を印加電圧の代わりに用いるテラヘルツ−ＳＴＭ（ＴＨｚ−ＳＴＭ）が開発された。こうした技術を展開するには、ナノスケールの金属構造やＳＴＭ探針直下の近接場波形をその場で測定し正しく評価する方法が必要不可欠である。従来技術では、ポンプ光が照射されることにより生じる近接場を直接測定できない。

本発明の第１の態様による測定装置は、キャリアエンベロプ位相がロックされた第１光を被照射物に照射し近接場を形成する第１光学系と、前記第１光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第１光よりもパルス幅が短い第２光を前記被照射物に照射する第２光学系と、前記第２光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部と、前記第１光により前記近接場が存在している期間に、前記第２光が前記被照射物に照射されるように、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方の照射タイミングを調整するタイミング調整部とを備える。
本発明の第２の態様による近接場の測定方法は、キャリアエンベロプ位相がロックされた第１光を被照射物に照射し近接場を形成することと、前記第１光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第１光よりもパルス幅が短い第２光を前記被照射物に照射することと、前記第２光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定することと、前記第１光により前記近接場が存在している期間に、前記第２光が前記被照射物に照射されるように、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方の照射タイミングを調整することとを含む。

本発明によれば、ＣＥＰ制御されたポンプ光が照射されることにより生じる近接場の波形を直接測定できる。

第１の実施の形態にかかる電子顕微鏡１の構成概要図 遅延時間ｔｄを説明する図 第１の実施の形態における近接場の測定状態を示す図 光電子領域での近接場の測定メカニズムのモデル図 第１の実験の結果を示す図 第２の実験の結果を示す図 測定値の空間分布を示す図 時間領域での測定結果を示す図 異なる周波数における測定値の空間分布を示す図 周波数領域での測定結果を示す図 第２の実施の形態にかかる電子顕微鏡１Ａの構成概要図 第２の実施の形態における近接場の測定状態を示す図 トンネル電流領域での近接場の測定メカニズムのモデル図、およびトンネル電流領域での測定結果を示す図

―第１の実施の形態―
以下、図１〜図１０を参照して、本発明に係る測定装置である電子顕微鏡の第１の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態の概要）
第１の実施の形態では、光電子を計測することにより、ポンプ光が照射されることで生じる近接場を観察する。

（構成）
図１は、第１の実施の形態にかかる電子顕微鏡１の構成概要図である。電子顕微鏡１は、ポンプ光出力部２と、観察光出力部３と、プローブ光出力部４と、探針５と、計測部６と、印加部７とを備える。電子顕微鏡１は、試料９００をポンプ・プローブ法により観察する。本実施の形態では、試料９００はグラファイト（Highly oriented pyrolytic graphite：ＨＯＰＧ）である。

電子顕微鏡１の概要は以下のとおりである。ポンプ光出力部２はポンプ光２１を出力する。観察光出力部３は観察光３１を出力する。プローブ光出力部４はプローブ光４１を出力する。ポンプ光２１およびプローブ光４１は、いわゆるポンプ・プローブ法により試料９００を観察するためのポンプ光およびプローブ光である。観察光３１は、近接場の観察のために用いられる。次に各構成を説明する。

ポンプ光出力部２は、任意の方法で生成されたＣＥＰが制御されたポンプ光２１を出力する。詳しくは後述するが、ポンプ光２１の波長の長さが観察光３１の波長を制限するものの、ポンプ光２１の周波数などに特に制限はない。ポンプ光出力部２は、たとえば波長１０３４ナノメートル、３００フェムト秒幅のＩＲパルス光をＬｉＮｉＯ_３結晶に照射して得られる、１周期であり幅が約１ピコ秒のＴＨｚパルスを出力する。本実施の形態におけるポンプ光２１のスポット径は約１ミリメートルである。ポンプ光２１はＣＥＰが制御され、一定の位相で出力される。

観察光出力部３は、任意の方法で生成された観察光３１であって、パルス幅はポンプ光２１よりも十分に短く、１周期のパルス光である観察光３１を出力する。観察光出力部３は、たとえば波長１０３５ナノメートル、幅３００フェムト秒のＩＲ光をＢＢＯ（β−Ｂａ_２ＢＯ_４）結晶により波長５１７ナノメートルの第２次高調波に変換したパルス光を観察光３１として出力する。本実施の形態における観察光３１のスポット径は約１０マイクロメートルである。なお観察光３１もＣＥＰが制御されていることが望ましく、ＣＥＰが制御されることで時間分解能を高めることができる。

観察光出力部３は、遅延時間調整部３Ａおよび照射位置調整部３Ｂを備える。遅延時間調整部３Ａは、観察光３１が探針５に照射されるタイミングをポンプ光２１が照射されるタイミングを基準として複数とおりに変化させる。遅延時間調整部３Ａが調整するタイミングを遅延時間ｔｄと呼ぶ。たとえば遅延時間調整部３Ａは、１回目はポンプ光２１よりも０．１ピコ秒遅く観察光３１が探針に照射されるようにタイミングを調整し、２回目はポンプ光２１よりも０．２ピコ秒遅く観察光３１が探針に照射されるようにタイミングを調整し、以下同様にタイミングをずらしてゆく。遅延時間調整部３Ａはたとえば、光路長を変化させる光路長調整装置である。

図２は、遅延時間ｔｄを説明する図であり、上段はポンプ光２１の時間変化を表し、下段は観察光３１の時間変化を表す。図２では図示左から右に向かって時間が経過している。ただし図２は遅延時間ｔｄを変化させる順番を示すものではなく、遅延時間ｔｄをどのような順番で変化させてもよい。図２の上段と下段は左右方向の位置が同一ならば同一時刻を示している。本実施の形態における遅延時間ｔｄの定義は、強度のピークが照射されはじめるタイミングの差であり、観察光３１が先に探針５に到達する場合を負とする。

一番左に示すｔｄ＝−１ｐｓの状態は、観察光３１の強度のピークのほうがポンプ光２１の強度のピークよりも１ピコ秒だけ先に照射される。左から２番目に示すｔｄ＝０の状態は、観察光３１の強度のピークとポンプ光２１の強度のピークの始期が同時である。左から３番目に示すｔｄ＝１ｐｓの状態は、観察光３１の強度のピークのほうがポンプ光２１の強度のピークよりも１ピコ秒だけ遅れて照射される。一番右に示すｔｄ＝２ｐｓの状態は、観察光３１の強度のピークのほうがポンプ光２１の強度のピークよりも２ピコ秒だけ遅れて照射される。図１に戻って説明を続ける。

照射位置調整部３Ｂは、観察光３１が探針５に照射される位置を調整する。観察光３１のスポット径は探針５よりも十分小さいので、探針５の様々な位置に選択的に照射できる。照射位置調整部３Ｂはたとえば、鏡と、鏡を傾けるピエゾ素子と、ピエゾ素子を制御するコントローラとから構成される。

プローブ光出力部４は、任意の方法で生成されたプローブ光４１を出力する。プローブ光４１は、ポンプ光２１とともに試料９００の観察に適したものであればよい。ただしポンプ光２１とプローブ光４１とを用いた測定の詳細は本実施の形態の説明では省略する。なおプローブ光４１を照射するタイミングを、ポンプ光２１の照射タイミングを基準として調整する機構がプローブ光出力部４に備えられてもよい。

探針５は、先細りに加工され、印加部７により任意の電圧が印加される。本実施の形態における探針５の素材はタングステンであり、Ｐｔ／Ｉｒでコーティングされる。探針５はたとえば電解研磨により作成される。探針５の形状は個体ごとに異なっており、厳密に同一の探針５を作成することは容易ではない。本実施の形態では、わずかに形状が異なる第１探針５ａおよび第２探針５ｂを用いる。ただし両者を特に区別しない場合は「探針５」と呼ぶ。

計測部６は、本実施の形態において探針５の対向電極としての役割を担う試料９００に流れ込む電子を電流プリアンプを用いて全電流Ｉ_ＡＬＬとして検出する。ただし信号が微弱なため、ポンプ光２１、すなわちＴＨｚパルスを所定の周波数、たとえば４３０Ｈｚでチョッピングし、遅延時間ｔｄに対する電流の変化を差分電流ΔＩとしてロックイン検出する。

印加部７は、探針５にバイアス電圧Ｖｄｃを印加する。

（測定状態）
図３は、第１の実施の形態における近接場の測定状態を示す図である。ただし図３は位置関係などの概略を示すものであり、寸法や距離は誇張して表現されている。探針５は、印加部７によりバイアス電圧Ｖｄｃが印加される。探針５の先端と試料９００との間にトンネル電流が流れないように、探針５は試料９００から少なくとも１００ナノメートルは離れて設置される。図３に示す環境は真空の常温である。

ポンプ光出力部２が照射するポンプ光２１は、探針５および試料９００に照射される。図３ではポンプ光２１の照射範囲を大きな破線の丸で示している。前述のとおりポンプ光２１のスポット径は比較的大きく、探針５の先端を含む広い範囲にポンプ光２１が照射される。このスポット径は、たとえばＴＨｚパルスであればミリメートルほどである。本実施の形態では、ポンプ光２１の照射位置は固定される。

観察光出力部３が照射する観察光３１は、探針５の一部の領域に照射される。図３では観察光３１の照射範囲を小さな実線の丸で示している。前述のとおり観察光３１のスポット径は比較的小さく、たとえば１０マイクロメートルほどであり、一度には探針５のごく一部にしか照射されない。図３では観察光３１は探針５の先端および中腹に照射されているが、照射位置調整部３Ｂにより探針５の様々な位置に照射される。

（測定原理）
図４は光電子領域での近接場の測定メカニズムのモデル図である。図４に示すように、まずポンプ光２１により近接場が形成されて、印加部７のバイアス電圧Ｖｄｃとあわせた電場の大きさで探針５の表面〜真空間の障壁が変調される。観察光３１が探針５に照射されると、障壁の高さと観察光のエネルギーによって多光子吸収過程により光電子が発生し変調された障壁を通過して計測部６により測定される。

また放出される光電子の量は、観察光３１が照射された瞬間の照射された位置における障壁の高さと幅、すなわち障壁を変調する近接場の強さを表すため、観察光３１の照射タイミングおよび観察光３１の照射位置を変化させることで、近接場の強さの時間変化、および探針５の位置による近接場の違いを測定できる。Ｖｄｃを調整してポンプ光２１がなくても光電子電流が流れるようにしておくことで、後述のように、ポンプ光２１の電場の正負の領域にわたる測定が可能になる。

（全電流Ｉ_ＡＬＬと差分電流ΔＩ）
探針５に照射されたポンプ光２１は近接場を形成し、探針表面−真空間の障壁を変化させる。計測部６において計測される電流Ｉは、ポンプ光２１、観察光３１、および印加部７によるバイアス電圧Ｖｄｃの影響を受けたものである。ここで、観察光３１による電場によって生じる電圧をＶｏｖで表し、探針表面−真空間の障壁における光電子の通過のしやすさを関数Ｂａで表すと、全電流Ｉ_ＡＬＬとの間に次の式１が成り立つ。
Ｉ_ＡＬＬ＝Ｂａ（Ｖｄｃ＋Ｖｏｖ） ・・・（式１）

ただし式１においてＶｏｖは便宜的なものである。探針５に観察光３１を照射することで、多光子吸収過程により光電子を放出するが、放出される光電子の数は、探針表面−真空間の障壁高さに依存する。そのため、バイアス電圧Ｖｄｃと同様に探針表面−真空間の障壁の影響を受けることを明示するために、便宜的にＶｏｖを設定した。また以下では、ロックイン検出によりバイアス電圧Ｖｄｃの影響を排除し、観察光３１による影響のみを評価した電流を「差分電流ΔＩ」と呼ぶ。

この式１に関する２つの実験結果を示す。第１の実験では、バイアス電圧Ｖｄｃを＋１０Ｖとし、ポンプ光２１の強度を６とおりに変化させて計測部６で全電流Ｉ_ＡＬＬを計測する。第２の実験では、強度、すなわち最大振幅が一定のポンプ光２１を照射し、バイアス電圧Ｖｄｃを変化させて計測部６で全電流Ｉ_ＡＬＬを計測する。第１の実験では、全電流Ｉ_ＡＬＬの遅延時間依存性を測定することで、電場波形を知る。第２の実験では、Ｖｏｖはゼロとし、観察光は照射した状態である。実験では、パルス幅１ピコ秒のモノサイクルTHz電場をポンプ光として照射している。スポット径はミリメートル程度であるため、探針全体を一様に照射した状態である。

図５は第１の実験の結果を示す図である。図５（ａ）は全電流Ｉ_ＡＬＬの時間変化を示す図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のピーク値を抽出して整理したものである。図５（ａ）は、ポンプ光２１の最大強度が照射された時刻をゼロとして、複数の測定結果を１図にまとめている。図５（ａ）より、全電流Ｉ_ＡＬＬが時系列で変化しており、その変化の様子が相似であることがわかる。図５（ｂ）は、図５（ａ）における時刻ゼロの全電流Ｉ_ＡＬＬの値と、ポンプ光２１の強度との相関を示す図であり、両者が線形の関係にあることがわかる。

図６は第２の実験の結果を示す図であり、プローブ光のみを照射した場合の電圧変化に対する電流変化を示す図である。図６の横軸はバイアス電圧Ｖｄｃであり、縦軸は全電流Ｉ_ＡＬＬである。図６では、バイアス電圧Ｖｄｃの増加に伴い全電流Ｉ_ＡＬＬが増加しており、特にバイアス電圧Ｖｄｃ＝＋１０Ｖ付近ではバイアス電圧Ｖｄｃの変化に対する全電流Ｉ_ＡＬＬの変化が線形である。

以上２つの実験により、バイアス電圧Ｖｄｃ＝＋１０Ｖに設定すれば、検出される電流Ｉの変化分と近接場の強度が線形の関係にあること、すなわち、電流強度の遅延時間依存性を測定することで電場波形を得られることがわかる。

（時間領域での測定結果）
図７（ａ）および図７（ｄ）は、第１探針５ａおよび第２探針５ｂの光学顕微鏡写真である。第１探針５ａの方が第２探針５ｂよりも、より鋭い形状である。なお後述する図７（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）と空間的な位置を一致させ、図７（ｅ）、（ｆ）は図７（ｄ）と空間的な位置を一致させている。

照射位置調整部３Ｂを用いて、観察光３１の照射位置を縦方向および横方向に４．５マイクロメートルずつ移動させて測定した。図示横方向には３１か所、図示縦方向では７か所で測定した。それぞれの測定点が図中の四角の領域に対応する。図７（ｂ）および図７（ｅ）は、第１探針５ａおよび第２探針５ｂを用いて遅延時間ゼロ秒で測定した差分電流ΔＩの大きさを示す図である。図７（ｂ）および図７（ｅ）では、観察光３１のそれぞれの照射位置において得られた光電子電流の大きさを色の濃淡で表している。また図７（ｂ）および図７（ｅ）のそれぞれは、図７（ａ）および図７（ｄ）と空間的な位置を一致させている。図７（ｂ）および図７（ｅ）では、ほぼ探針の形状を反映しているが、先端部分では探針の径が観察光３１のスポットサイズより小さいため強度が落ちている。

次にバイアス電圧Ｖｄｃ＝＋１０Ｖとして測定した結果を図７（ｃ）、（ｆ）、および図８（ａ）〜（ｅ）に示す。図８（ａ）はポンプ光２１の時間変化を示す図であり、図８（ａ）〜（ｅ）の時系列はすべて一致している。ただし図８（ａ）〜（ｅ）ではポンプ光２１の強度が最も強いタイミングを遅延時間ゼロとしている。この値をマップしたのが図７（ｃ）、（ｆ）である。なお図８（ａ）に示すポンプ光２１の波形はＥＯサンプリングにより求めたものである。

図７（ｃ）、（ｆ）は、第１探針５ａおよび第２探針５ｂを用いた場合の、観察光３１を照射した位置ごとの遅延時間ゼロにおける差分電流ΔＩを示す図である。図７（ｃ）、（ｆ）においても差分電流ΔＩの大きさを色の濃淡で表している。図７（ｃ）、（ｆ）により、探針５の先端の狭い領域において近接場の強度が強いことがわかる。また図７（ｃ）、（ｆ）に示す位置Ａ，Ｂ，Ｃは図８（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する位置である。特に図７（ｃ）、（ｆ）に示す位置Ｃは、第１探針５ａおよび第２探針５ｂの先端を示している。

図６に示したとおり、バイアス電圧Ｖｄｃ＝＋１０Ｖでは全電流Ｉ_ＡＬＬは電圧の変化に対してほぼ線形であるため、差分電流ΔＩは光電子放出が生じる瞬間の近接場の大きさに比例し、遅延時間に依存した差分電流ΔＩは近接場の波形を直接反映したものになる。図７（ｃ）、（ｆ）に示す位置Ａ，Ｂ，Ｃにおける差分電流ΔＩを遅延時間を変化させて測定し、後述する方法で電圧に換算した結果を図８（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示す。電圧への換算は、図６に示すＶ＝＋１０Ｖにおける傾き、すなわちｄＩ／ｄＶの値を用いて電流値をそれぞれの波形を実効的な電圧に変換した。図８（ｂ）〜（ｄ）では、第１探針５ａを用いた結果と、第２探針５ｂを用いた結果とを併記している。第１探針５ａの位置Ｃにおける電圧Ｖ_ＴＨｚは０．５８Ｖであり、先端の増強効果によって位置Ａに比べて約６倍大きい値が得られている。

なお図８（ｂ）〜（ｄ）において負の値が測定可能であるのは、バイアス電圧Ｖｄｃを印加してポンプ光２１による近接場が形成されなくても一定の光電子電流が流れるようにしているからである。仮にバイアス電圧Ｖｄｃを印加していないと、図８（ｂ）〜（ｄ）における負の値は単にゼロとしか測定されない。しかし本実施の形態では一定の光電子電流が流れるようにしているので、その光電子電流が減少した場合に負の値として評価可能となっている。

図８（ｅ）は、図８（ａ）を積分して得られた図である。アンテナ理論の簡単なモデルでは、探針増強による電場は元の電場を積分した形とされているが、図８（ｅ）に示す波形の形状は図８（ｂ）〜（ｄ）のいずれとも一致しない。そのため、本実施の形態で説明するように近接場を直接測定することが重要である。

（周波数領域での測定結果）
図９および図１０はポンプ光２１により形成された近接場の周波数依存性を示す図である。図９（ａ）〜（ｃ）、および図１０（ａ）は第１探針５ａに関する記載、図９（ｄ）〜（ｆ）、および図１０（ｂ）は第２探針５ｂに関する記載である。図９（ａ）、（ｄ）は、先に示した図７（ａ）、（ｄ）と同一である。図１０（ａ）、（ｂ）は、第１探針５ａと第２探針５ｂのそれぞれにおける電場強度スペクトルを示しており、Ａ，Ｂ，Ｃの位置は図７と同様である。図１０（ａ）、（ｄ）における実線はポンプ光２１の周波数依存性を示しており、１ＴＨｚに中心成分を有する。これに対して近接場は０．５ＴＨｚあたりを中心として低周波側へシフトしていることがわかる。この帯域の減少は、積分値が対応するというダイポールアンテナモデルである程度は説明できるが、実際にはより詳細な検討が必要である。

図９（ｂ）は、第１探針５ａを用いた場合の、ポンプ光２１により形成された近接場の０．３ＴＨｚの周波数成分を空間的にマッピングした図であり、図９（ｃ）は同じく０．７ＴＨｚの周波数成分を空間的にマッピングした図である。また図９（ｅ）、（ｆ）は同様に第２探針５ｂを用いた場合の０．３ＴＨｚおよび０．７ＴＨｚの周波数成分を空間的にマッピングした図である。これらの図により、帯域の減少効果は探針の先端よりも根元のほうがより顕著であることが明らかになった。

近接場波形の情報は、ＴＨｚ−ＳＮＯＭやナノギャップ構造のＴＨｚ近接場、ＴＨｚ−ＳＴＭの計測などを行う上で、精密で信頼できる結果を得るためには欠かすことができない重要な情報である。近接場波形は、アンテナの幾何形状に依存することが知られているが、若干異なる形状である第１探針５ａと第２探針５ｂを用いた測定結果から、同じポンプ光２１を用いる場合でも探針の先端に生じる近接場波形は大きく異なることが示された。近接場波形を実験条件ごとに予測することは非常に難しいため、本実施の形態で説明するように近接場を直接測定することが重要である。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電子顕微鏡１は、ポンプ光２１を探針５に照射し近接場を形成するポンプ光出力部２と、ポンプ光２１の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、ポンプ光２１もパルス幅が短い観察光３１を探針５に照射する観察光出力部３と、観察光３１が探針５に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部６と、ポンプ光２１により探針５に近接場が形成されている間に、換言するとポンプ光２１により試料９００が励起されている間に、観察光３１が探針５に照射されるように、ポンプ光２１および観察光３１の少なくとも一方の照射タイミングを調整する遅延時間調整部３Ａとを備える。そのため近接場を直接測定することができる。

（２）電子顕微鏡１は、ポンプ光２１の照射開始から観察光３１の照射開始までの時間である遅延時間を複数通りに変化させる遅延時間調整部を備える。そのため近接場の時間変化、すなわち近接場の波形を測定できる。

（３）ポンプ光２１はポンププローブ法におけるポンプ光である。被照射物はポンププローブ法における探針である。電子顕微鏡１は、ポンププローブ法におけるプローブ光であるプローブ光４１を試料９００に照射するプローブ光出力部４を備える。そのため近接場の測定とポンププローブ法による試料９００の解析とを一体の装置で実現できる。

（４）試料９００を、探針５から光電子を受け取る対向電極として機能させる。計測部６は試料９００を介して光電子を測定する。観察光３１は探針５に照射されることで多光子吸収過程により光電子を放出させる。そのため測定対象である試料９００を用いて実験環境において近接場を測定できる。

（５）電子顕微鏡１は、観察光３１の照射領域を移動させる照射位置調整部３Ｂを備える。そのため図７および図８に示すように探針５の様々な位置における特性を測定することができる。

（６）電子顕微鏡１は、探針５にバイアス電圧Ｖｄｃを印加する印加部７を備える。印加部７によってバイアス電圧Ｖｄｃを印加してポンプ光２１による近接場が形成されなくても一定の光電子電流が流れるようにすることで、図８（ｂ）〜（ｄ）に示したように負の値が測定可能となる。

―第２の実施の形態―
図１１〜図１３を参照して、本発明に係る測定装置である第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。

（第２の実施の形態の概要）
第２の実施の形態では、トンネル電流を計測することにより、ポンプ光が照射されることで生じる近接場を観察する。

（構成）
図１１は、第２の実施の形態にかかる電子顕微鏡１Ａの構成概要図である。電子顕微鏡１Ａの構成は以下の点を除いて第１の実施の形態における電子顕微鏡１と同一である。電子顕微鏡１Ａは、観察光出力部３の代わりに観察光出力部３Ｋを備える。観察光出力部３Ｋが出力する観察光３１Ａは、第１の実施の形態における観察光３１と波長が異なる。また観察光出力部３Ｋは遅延時間調整部３Ａは備えるが照射位置調整部３Ｂは備えなくてもよい。また第２の実施の形態では、探針５の先端５１ａと試料９００との距離がトンネル電流が流れる距離、すなわち１ナノメートル以下に設定される。

第２の実施の形態では、探針５に観察光３１Ａが照射されても多光子吸収過程による光電子の放出が起こらないように観察光３１Ａの波長が決定される。たとえば第１の実施の形態と同様に探針５がＰｔ／Ｉｒでコーティングされたタングステンの場合に、観察光３１は１０３０ナノメートルのＩＲ光とする。また本実施の形態では、試料９００として第１の実施の形態において用いたグラファイト（ＨＯＰＧ）のほかに、セレン化ビスマス（Ｂｉ_２Ｓｅ_３）も用いる。なおセレン化ビスマスの表面は、真空劈開することによって準備した。

（測定状態）
図１２は、第２の実施の形態における近接場の測定状態を示す図である。ただし図１２は位置関係などの概略を示すものであり、寸法や距離は誇張して表現されている。図２に示した第１の実施の形態との相違点は、探針５と試料９００との距離が近い点、および観察光３１Ａが探針５の１か所のみに照射される点である。なお本実施の形態では探針５と試料９００との距離を近づける必要があるので、電流増加時にサンプルが破壊されることを防止するために印加部７による印加電圧は低く設定している。

（測定原理）
図１３（ａ）はトンネル電流領域での近接場の測定メカニズムのモデル図である。図１３（ａ）に示すように、トンネル接合ではポンププローブ光の電場に加え鏡像ポテンシャルの影響によってトンネル障壁が実質的に低下しホットエレクトロンがトンネルしやすくなる。ポンプ光２１が探針５に照射されることで生じる近接場の影響により障壁が低くなっているところに観察光３１Ａが照射されると、ホットエレクトロンが効率的にトンネルする。トンネル電流Ｉｔは観察光３１Ａの探針５への照射により変化する障壁に依存し、光電子放出の場合と同様にホットエレクトロンの緩和がフェムト秒オーダーと早いため、観察光を照射した瞬間の電流を測定できることで高い分解能で近接場波形に近いスペクトルが得られる。

（測定結果）
図１３（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、試料９００にグラファイトとセレン化ビスマスを用いた場合のトンネル電流Ｉｔの時系列変化を示す図である。なおこの場合のポンプ光２１の時系列変化は図８（ａ）に示したとおりである。図１３（ｂ）に示すグラファイトの測定結果では、信号が小さく遅延時間ゼロのピーク以外はノイズレベルになっている。一方で図１３（ｃ）に示すセレン化ビスマスの測定結果では、よりはっきりとポンプ光２１を反映した信号が得られている。これは、印加部７が印加電圧を下げることで探針５と試料９００との間の距離を近づけることを可能にするが、グラファイトよりも試料抵抗の高いセレン化ビスマスは、グラファイトよりも探針５との距離が近いので信号が強く観察されたと考えられる。

ところで図１３（ｃ）に示すトンネル電流の波形は、図８（ａ）に示したポンプ光２１の波形や、第１の実施の形態において光電子放出で求めた電圧変化に比べると、正負の非対称性、換言すると第１ピークと第２ピークの比が大きい。この理由を説明する。

図１３（ｄ）はトンネル電流のＩＶ曲線を示す図である。また図１３（ｄ）の下部には図８（ａ）に示したポンプ光２１の波形を示し、図１３（ｄ）の右側には図１３（ｃ）の波形を示している。実際は、図１３（ｄ）の下部の電場は、ポンプ光２１によって誘起された電場になる。図１３（ｄ）に示すＩＶ曲線は、Ｖの絶対値がある閾値を超えるとＩが急激に変化する、高次関数のような非線形性を有する。図１３（ｃ）に示すトンネル電流の波形は、ポンプ光２１が図１３（ｄ）に示すＩＶカーブの非線形性により整流されたものなので、正負の非対称性が大きい。

上述した第２の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（７）計測部６はトンネル電流を測定する。そのため探針５により探針増強され、さらに試料９００の影響を受けた近接場を直接測定できる。非対称性は、ＩＶカーブを用いて補正することで、正確な電場波形を得ることができる。

（種々の変形例）
上述したそれぞれの実施の形態は次のＡ〜Ｅのように変形してもよい。
（Ａ）遅延時間調整部３Ａは、観察光出力部３ではなくポンプ光出力部２に備えられてもよい。（Ｂ）電子顕微鏡１はプローブ光出力部４を備えなくてもよい。（Ｃ）電子顕微鏡１は印加部７を備えなくてもよい。（Ｄ）電子顕微鏡１は遅延時間調整部３Ａおよび照射位置調整部３Ｂを備えなくてもよい。（Ｅ）観察光３１による信号が微弱な場合には、ポンプ光２１や観察光３１の位相を変調させ、ロックイン検出を行ってもよい。

（変形例１）
上述したそれぞれの実施の形態は、さらに次のように変形してもよい。すなわち、波形が測定される対象となる光は、ポンププローブ法におけるポンプ光に限定されず、どのような実験に用いられる光であってもよいし、実験以外に用いられる光であってもよい。たとえばＩＲ光をポンプ光として試料を励起し、ＴＨｚ光をプローブ光として用いれば、相転移等が測定できる。この際のＴＨｚ光の波形を測定してもよい。また、１ピコ秒のＴＨｚ光をポンプ光、３０フェムト秒のＴＨｚ光をプローブ光として用いれば、サブサイクル分光が可能となる。この場合にいずれのＴＨｚ光を測定対象としてもよい。

（変形例２）
第１の実施の形態では光電子領域、第２の実施の形態ではトンネル領域に本発明を適用する例を説明した。しかし本発明をさらに電界放出領域に適用してもよい。すなわち本発明は、観察対象光により障壁が変化するので、その障壁の変化に対応した電子の量を測定することで観察対象光の変化を間接的に測定するものであり、様々な領域に適用可能である。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…電子顕微鏡
２…ポンプ光出力部
３…観察光出力部
３Ａ…遅延時間調整部
３Ｂ…照射位置調整部
４…プローブ光出力部
５…探針
６…計測部
７…印加部
２１…ポンプ光
３１…観察光
４１…プローブ光
９００…試料

Claims (11)

1. キャリアエンベロプ位相がロックされた第１光を被照射物に照射し近接場を形成する第１光学系と、
   前記第１光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第１光よりもパルス幅が短い第２光を前記被照射物に照射する第２光学系と、
   前記第２光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部と、
   前記第１光により前記被照射物が励起されている間に、前記第２光が前記被照射物に照射されるように、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方の照射タイミングを調整するタイミング調整部とを備える測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置において、
   前記第１光の照射開始から前記第２光の照射開始までの時間である遅延時間を複数通りに変化させる遅延時間調整部をさらに備える測定装置。
3. 請求項１に記載の測定装置において、
   前記第１光はポンププローブ法におけるポンプ光であり、
   前記被照射物はポンププローブ法における探針であり、
   ポンププローブ法におけるプローブ光を試料に照射する第３光学系をさらに備える測定装置。
4. 請求項３に記載の測定装置において、
   前記試料を、前記探針から前記光電子を受け取る対向電極として機能させ、
   前記計測部は前記試料を介して前記光電子を測定し、
   前記第２光は前記探針に照射されることで多光子吸収過程により前記光電子を放出させる測定装置。
5. 請求項４に記載の測定装置において、
   前記第２光の照射領域を移動させる照射位置調整部をさらに備える測定装置。
6. 請求項３に記載の測定装置において、
   前記探針にバイアス電圧を印加する印加部をさらに備える測定装置。
7. 請求項３に記載の測定装置において、
   前記計測部はトンネル電流を測定する測定装置。
8. キャリアエンベロプ位相がロックされた第１光を被照射物に照射し近接場を形成することと、
   前記第１光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第１光よりもパルス幅が短い第２光を前記被照射物に照射することと、
   前記第２光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定することと、
   前記第１光により前記被照射物が励起されている間に、前記第２光が前記被照射物に照射されるように、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方の照射タイミングを調整することとを含む近接場の測定方法。
9. 請求項８に記載の近接場の測定方法において、
   前記第１光の照射開始から前記第２光の照射開始までの時間である遅延時間を複数通りに変化させることをさらに含む近接場の測定方法。
10. 請求項８に記載の近接場の測定方法において、
    前記第１光はポンププローブ法におけるポンプ光であり、
    前記被照射物はポンププローブ法における探針であり、
    ポンププローブ法におけるプローブ光を試料に照射することをさらに含む近接場の測定方法。
11. 請求項１０に記載の近接場の測定方法において、
    前記試料を、前記探針から前記光電子を受け取る対向電極として機能させ、
    前記試料を介して前記光電子を測定し、
    前記試料と前記探針の距離をトンネル電流が流れない距離とする近接場の測定方法。

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