JP5185723B2 - Atomic force microscope - Google Patents

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Description

本発明は、原子間力顕微鏡に関する。   The present invention relates to an atomic force microscope.

水溶液中での分子レベルの観察を行なう液中観察用の原子間力顕微鏡が知られている。なかでも、高速走査の原子間力顕微鏡は、試料が固定された試料台を移動させることにより、試料とカンチレバーの間のＸＹＺ走査を行なう。この種の原子間力顕微鏡では、試料台とＺ走査用のＺスキャナを軽量に保つため、試料台は、Ｚスキャナを構成するＺ圧電素子に直接固定される。試料台のＺ圧電素子への固定には、軽量化のためネジやばねなどの機構は使用されず、積層型Ｚ圧電素子の下面と試料台の間に数μｍ以下の厚さのワックスまたは樹脂系の接着剤または吸着剤が使用される。   2. Description of the Related Art Atomic force microscopes for observation in liquid that perform molecular level observation in an aqueous solution are known. In particular, a high-speed scanning atomic force microscope performs XYZ scanning between a sample and a cantilever by moving a sample stage on which the sample is fixed. In this type of atomic force microscope, in order to keep the sample stage and the Z scanner for Z scanning lightweight, the sample stage is directly fixed to the Z piezoelectric element constituting the Z scanner. For fixing the sample stage to the Z piezoelectric element, a mechanism such as a screw or a spring is not used for weight reduction, and a wax or resin having a thickness of several μm or less between the lower surface of the stacked Z piezoelectric element and the sample stage. System adhesives or adsorbents are used.

測定の際、試料台は水溶液に浸される。このためＺ圧電素子の周囲には防水用の被覆が液密に設けられている。また、測定環境である水溶液に接触する試料台は測定毎に清浄になっている必要がある。このため、試料台の交換に際しては、試料台そのものを清浄とするとともに、積層型Ｚ圧電素子の試料台固定面に付着したワックスまたは接着剤または吸着剤は、水溶液の清浄を維持するため、測定ごとにきれいに取り除かれなければならない。ワックスまたは接着剤または吸着剤の除去は、溶剤を使用して溶かしたり、溶剤を含んだ紙などでふき取ったり、金属ヘラなどで物理的に剥がしたりして行なう。   During the measurement, the sample stage is immersed in the aqueous solution. For this reason, a waterproof coating is liquid-tightly provided around the Z piezoelectric element. Moreover, the sample stage which contacts the aqueous solution which is a measurement environment needs to be cleaned for every measurement. Therefore, when exchanging the sample stage, the sample stage itself is cleaned, and the wax, adhesive or adsorbent adhering to the sample stage fixing surface of the stacked Z piezoelectric element is measured to maintain the cleanness of the aqueous solution. Every must be removed cleanly. The wax, adhesive, or adsorbent is removed by dissolving with a solvent, wiping with a paper containing the solvent, or physically removing with a metal spatula.

その際、Ｚ圧電素子の周囲の防水用の被覆に溶剤がかかったり、Ｚ圧電素子に物理的なゆがみが生じたりすることがある。これにより、被覆がはがれ、Ｚ圧電素子と水溶液が接触することがある。Ｚ圧電素子と水溶液の接触は、Ｚ圧電素子の電極部分を損傷させ、最悪の場合にはＺ圧電素子を破壊する可能性もある。   At this time, a solvent may be applied to the waterproof coating around the Z piezoelectric element, or physical distortion may occur in the Z piezoelectric element. As a result, the coating may be peeled off, and the Z piezoelectric element and the aqueous solution may come into contact with each other. The contact between the Z piezoelectric element and the aqueous solution may damage the electrode portion of the Z piezoelectric element, and in the worst case, may destroy the Z piezoelectric element.

特開平７−１２５５３号公報は、液中観察用の試料走査の原子間力顕微鏡を開示している。この原子間力顕微鏡では、Ｚ圧電素子と試料の間に防水性の封止シートが設けられている。さらに、カンチレバーを支持する支持部材と封止シートと間には封止部材が設けられている。封止シートと封止部材と支持部材とで囲まれた空間に水溶液を注入するようにしている。
特開平７−１２５５３号公報 Japanese Patent Laid-Open No. 7-12553 discloses a sample scanning atomic force microscope for observation in liquid. In this atomic force microscope, a waterproof sealing sheet is provided between the Z piezoelectric element and the sample. Furthermore, a sealing member is provided between the support member that supports the cantilever and the sealing sheet. The aqueous solution is injected into a space surrounded by the sealing sheet, the sealing member, and the support member.
JP 7-12553 A

特開平７−１２５５３号公報の原子間力顕微鏡では、Ｚ圧電素子と水溶液の分離を図っているが、Ｚ圧電素子と試料の間に塩化ビニルまたはテフロン（登録商標）の膜で構成された封止シートが存在するため、Ｚ圧電素子の変位に対して封止シートが弾性変形することにより試料の微動動作に遅れが生じる。このような遅れは、高速に走査を行なうためにＺ圧電素子の制御を限界まで早く行なおうとする際には邪魔な要因になる。つまり、高速なＺ走査に対する走査機構の追従性を低下させる。   In the atomic force microscope disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-12553, the Z piezoelectric element and the aqueous solution are separated, but a seal made of a vinyl chloride or Teflon (registered trademark) film is provided between the Z piezoelectric element and the sample. Since the stop sheet exists, the sealing sheet is elastically deformed with respect to the displacement of the Z piezoelectric element, thereby causing a delay in the fine movement operation of the sample. Such a delay becomes a hindrance when trying to control the Z piezoelectric element as quickly as possible in order to perform high-speed scanning. That is, the followability of the scanning mechanism for high-speed Z scanning is reduced.

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、圧電素子と水溶液の接触が防止された、高速なＺ走査に対して良好な追従性を有する原子間力顕微鏡を提供することである。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its object is between atom with good follow-up property with respect to the contact of the piezoelectric element and the aqueous solution is prevented, fast Z scan To provide a force microscope.

本発明による試料台は、前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している。   The sample table according to the present invention is directly fixed to the protective plate, and has a sample table body having a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element, and is fixed to the sample table body in a watertight manner. And a protective sheet projecting around the protective plate.

本発明による原子間力顕微鏡は、カンチレバーと、観察試料が固定された試料台を前記カンチレバーに対向させて保持し、前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的にＺ方向に走査するＺ走査機構と、前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的に前記Ｚ方向に垂直なＸＹ方向に走査するＸＹ走査機構と、前記カンチレバーのＺ方向の変位を検出する変位センサーとを有している。前記Ｚ走査機構は、一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有している。前記試料台は、前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している。 An atomic force microscope according to the present invention includes a cantilever, a Z scanning mechanism that holds a sample stage on which an observation sample is fixed facing the cantilever, and scans the observation sample and the cantilever relative to each other in the Z direction. And an XY scanning mechanism that scans the observation sample and the cantilever in an XY direction perpendicular to the Z direction, and a displacement sensor that detects a displacement of the cantilever in the Z direction. The Z scanning mechanism includes at least the piezoelectric element that is stretched and displaced with one end fixed, and is fixed to the end face of the free end of the piezoelectric element so as to cover the entire end face of the free end of the piezoelectric element. A protective plate having a Young's modulus equal to or higher than the Young's modulus, and a coating that covers the entire side surface of the piezoelectric element in a watertight manner. The sample table is directly fixed to the protective plate, and has a sample table body having a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element, and is watertightly fixed to the sample table body. And a protective sheet projecting around the protective plate.

本発明によれば、圧電素子と水溶液の接触が防止された、高速なＺ走査に対して良好な追従性を有する原子間力顕微鏡が提供される。 According to the present invention, the contact of the piezoelectric element and the aqueous solution is prevented, the nuclear force microscope with good trackability during fast-Z scan is provided.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

＜第一実施形態＞
本実施形態によるＺ走査機構を図１に示す。本実施形態のＺ走査機構は、液中観察用の原子間力顕微鏡での使用を想定している。 <First embodiment>
A Z scanning mechanism according to this embodiment is shown in FIG. The Z scanning mechanism of the present embodiment is assumed to be used with an atomic force microscope for observation in liquid.

図１に示すように、Ｚ走査機構１２０は、一端が固定された伸縮変位する圧電素子１２２と、圧電素子１２２の自由端の端面全体を覆って圧電素子１２２の自由端の端面に水密に固定された、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板１２８と、圧電素子１２２の側面全体を水密に覆っている被覆１２６とを有している。   As shown in FIG. 1, the Z scanning mechanism 120 includes a piezoelectric element 122 that is fixed at one end and that is extended and displaced, and covers the entire end face of the free end of the piezoelectric element 122 and is fixed to the end face of the free end of the piezoelectric element 122 in a watertight manner. The protective plate 128 having a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element 122 and a coating 126 that covers the entire side surface of the piezoelectric element 122 in a watertight manner.

圧電素子１２２は、たとえば積層型圧電素子で構成される。積層型圧電素子は、側面に一対の電極１２４を有しており、電極１２４への電圧印加に応じてＺ方向（紙面内上下方向）に伸縮変位する。圧電素子１２２の一端すなわち上端は、Ｚ走査機構１２０をＸＹ方向に走査するためのＸＹ走査機構であるＸＹステージ１１０に固定されている。圧電素子１２２のＸＹステージ１１０への固定は、たとえば、ＸＹステージ１１０の下面および圧電素子１２２の上端面の面粗さ程度の厚さの接着剤でなされる。   The piezoelectric element 122 is composed of, for example, a multilayer piezoelectric element. The laminated piezoelectric element has a pair of electrodes 124 on the side surface, and is expanded and contracted in the Z direction (up and down direction in the drawing) in response to voltage application to the electrodes 124. One end, that is, the upper end of the piezoelectric element 122 is fixed to an XY stage 110 that is an XY scanning mechanism for scanning the Z scanning mechanism 120 in the XY directions. The piezoelectric element 122 is fixed to the XY stage 110 with, for example, an adhesive having a thickness about the surface roughness of the lower surface of the XY stage 110 and the upper end surface of the piezoelectric element 122.

圧電素子１２２の自由端の端面には、圧電素子１２２の自由端の端面全体を覆うように保護板１２８が固定されている。つまり、保護板１２８は、圧電素子１２２の下端面の各辺から若干はみ出すように圧電素子１２２の下端に貼り付けられている。保護板１２８は、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している。たとえば、保護板１２８は、圧電素子１２２のヤング率以上のヤング率を有している。保護板１２８は好ましくは絶縁材料で構成される。保護板１２８は、たとえばアルミナやジルコニアなどのセラミックスで構成されてよい。しかし保護板１２８は、すくなくとも圧電素子１２２と同程度以上のヤング率を有していればよく、上記のセラミックスに限らず、溶融石英やフリント系のガラスなどで構成されてもよい。   A protection plate 128 is fixed to the end face of the free end of the piezoelectric element 122 so as to cover the entire end face of the free end of the piezoelectric element 122. That is, the protective plate 128 is affixed to the lower end of the piezoelectric element 122 so as to slightly protrude from each side of the lower end surface of the piezoelectric element 122. The protective plate 128 has a Young's modulus at least equal to or higher than that of the piezoelectric element 122. For example, the protective plate 128 has a Young's modulus that is greater than or equal to the Young's modulus of the piezoelectric element 122. The protective plate 128 is preferably made of an insulating material. The protective plate 128 may be made of ceramics such as alumina or zirconia, for example. However, the protective plate 128 only needs to have a Young's modulus at least equal to or higher than that of the piezoelectric element 122, and is not limited to the ceramics described above, and may be formed of fused silica, flint glass, or the like.

圧電素子１２２は側面全体が被覆１２６によって水密に覆われている。被覆１２６は、たとえば、絶縁性の樹脂などで構成される。被覆１２６は、ＸＹステージ１１０から保護板１２８に至るまでの圧電素子１２２の周面上に存在しているが、保護板１２８の側面には回り込んでいない。   The entire side surface of the piezoelectric element 122 is covered with a coating 126 in a watertight manner. The covering 126 is made of, for example, an insulating resin. The coating 126 exists on the peripheral surface of the piezoelectric element 122 from the XY stage 110 to the protection plate 128, but does not wrap around the side surface of the protection plate 128.

保護板１２８には、観察試料が固定される試料台１４０が着脱可能に固定されている。試料台１４０の保護板１２８への固定は、たとえば、保護板１２８と試料台１４０の接触面の面粗さと同程度の厚さのたとえばワックス１３０によってなされる。ワックス１３０の代わりに、樹脂系の接着剤または粘着剤を使用してもよい。   A sample stage 140 on which an observation sample is fixed is detachably fixed to the protective plate 128. The sample table 140 is fixed to the protection plate 128 by, for example, wax 130 having a thickness similar to the surface roughness of the contact surface between the protection plate 128 and the sample table 140. Instead of the wax 130, a resin-based adhesive or pressure-sensitive adhesive may be used.

液中観察用の原子間力顕微鏡に使用した場合、Ｚ走査機構１２０は、試料台１４０と共に、部分的に水溶液１６０に浸される。つまり、保護板１２８と被覆１２６の一部とが水溶液と接触する。観察試料の交換は、試料台１４０ごと行なう。つまり、保護板１２８から試料台１４０を取り外し、別の観察試料が固定された別の試料台１４０を保護板１２８に固定する。その際、試料台１４０の固定に使用されるワックス１３０（または接着剤または粘着剤）はきれいに除去する必要がある。ワックス１３０の除去は、通常、溶剤を使用してワックス１３０を溶かしたり、ピンセットや金属ヘラなどで剥がし取ったりして行なう。   When used in an atomic force microscope for observation in liquid, the Z scanning mechanism 120 is partially immersed in the aqueous solution 160 together with the sample stage 140. That is, the protection plate 128 and a part of the coating 126 come into contact with the aqueous solution. The observation sample is exchanged for the entire sample stage 140. That is, the sample stage 140 is removed from the protection plate 128, and another sample stage 140 to which another observation sample is fixed is fixed to the protection plate 128. At that time, it is necessary to cleanly remove the wax 130 (or adhesive or adhesive) used for fixing the sample stage 140. The removal of the wax 130 is usually performed by dissolving the wax 130 using a solvent or peeling it off with tweezers or a metal spatula.

本実施形態では、圧電素子１２２の自由端に保護板１２８が固定されており、この保護板１２８に試料台１４０が固定されているので、ワックス１３０を溶かす溶剤が圧電素子１２２の側面を覆っている被覆１２６に接触したり、ピンセットや金属ヘラなどで加える力がじかに圧電素子１２２に作用したりすることが避けられる。これにより、被覆１２６の破損や劣化が防止され、圧電素子１２２と水溶液１６０の接触が防止される。また、圧電素子１２２への直接の損傷も避けられる。   In this embodiment, the protective plate 128 is fixed to the free end of the piezoelectric element 122, and the sample stage 140 is fixed to the protective plate 128, so that the solvent that dissolves the wax 130 covers the side surface of the piezoelectric element 122. It can be avoided that the force applied by the tweezers, the metal spatula, or the like directly acts on the piezoelectric element 122. Thereby, the breakage and deterioration of the coating 126 are prevented, and the contact between the piezoelectric element 122 and the aqueous solution 160 is prevented. Further, direct damage to the piezoelectric element 122 can be avoided.

また、保護板１２８が、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有しているので、圧電素子１２２のＺ変位が試料台１４０に正しく伝達される。これにより、原子間力顕微鏡の測定精度が向上する。   Further, since the protection plate 128 has a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element 122, the Z displacement of the piezoelectric element 122 is correctly transmitted to the sample stage 140. This improves the measurement accuracy of the atomic force microscope.

＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態の試料台１４０に代えて使用可能な別の試料台１４０Ａに関している。本実施形態による試料台１４０Ａが取り付けられたＺ走査機構を図２に示す。図２において、図１に示した部材と同一の参照符号で示した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。 <Second embodiment>
The present embodiment relates to another sample stage 140A that can be used in place of the sample stage 140 of the first embodiment. A Z scanning mechanism to which the sample stage 140A according to this embodiment is attached is shown in FIG. In FIG. 2, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are similar members, and detailed description thereof is omitted.

図２に示すように、試料台１４０Ａは、保護板１２８に直接的に着脱可能に固定される試料台本体１４２と、試料台本体１４２に水密に固定された防水性の保護シート１４４とを有している。観察試料は試料台本体１４２に固定される。試料台本体１４２は、少なくとも圧電素子１２２のヤング率と同程度以上のヤング率を有している。たとえば、試料台本体１４２は、圧電素子１２２のヤング率以上のヤング率を有している。保護シート１４４は、試料台本体１４２が保護板１２８に固定されたとき、保護板１２８の周囲に張り出す。   As shown in FIG. 2, the sample stage 140 </ b> A has a sample stage main body 142 that is directly and detachably fixed to the protective plate 128, and a waterproof protective sheet 144 that is watertightly fixed to the sample stage main body 142. doing. The observation sample is fixed to the sample table main body 142. The sample stage main body 142 has a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element 122. For example, the sample stage main body 142 has a Young's modulus equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element 122. The protective sheet 144 projects around the protective plate 128 when the sample stage main body 142 is fixed to the protective plate 128.

具体的には、保護シート１４４は貫通穴１４４ａを有し、試料台本体１４２は凸部１４２ａを有している。保護シート１４４は、貫通穴１４４ａに凸部１４２ａが通された状態で試料台本体１４２に接着されている。試料台本体１４２の凸部１４２ａは保護板１２８に着脱可能に固定されている。試料台１４０Ａの保護板１２８への固定は、たとえば、保護板１２８と試料台１４０Ａの凸部１４２ａの接触面の面粗さと同程度の厚さのワックスまたは接着剤または粘着剤によってなされる。   Specifically, the protective sheet 144 has a through hole 144a, and the sample stage main body 142 has a convex portion 142a. The protective sheet 144 is bonded to the sample stage main body 142 in a state where the convex portion 142a is passed through the through hole 144a. The convex portion 142a of the sample stage main body 142 is detachably fixed to the protective plate 128. The sample base 140A is fixed to the protective plate 128 by, for example, wax, an adhesive, or an adhesive having a thickness similar to the surface roughness of the contact surface between the protective plate 128 and the convex portion 142a of the sample base 140A.

本実施形態では、Ｚ走査機構１２０に接着される試料台１４０Ａが保護板１２８の周囲に張り出す保護シート１４４を有しているので、被覆１２６と保護板１２８が水溶液１６０にぬれることが防止され、圧電素子１２２と水溶液１６０の接触が第一実施形態に比べてさらに良好に防止される。   In this embodiment, since the sample stage 140A bonded to the Z scanning mechanism 120 includes the protective sheet 144 that protrudes around the protective plate 128, the coating 126 and the protective plate 128 are prevented from being wetted by the aqueous solution 160. In addition, the contact between the piezoelectric element 122 and the aqueous solution 160 is further prevented as compared with the first embodiment.

＜第三実施形態＞
本実施形態は、第二実施形態の保護板１２８に代えて使用可能な別の保護板１２８Ａに関している。本実施形態による保護板１２８Ａを備えたＺ走査機構を図３に示す。図３において、図２に示した部材と同一の参照符号で示した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。 <Third embodiment>
This embodiment relates to another protective plate 128A that can be used in place of the protective plate 128 of the second embodiment. FIG. 3 shows a Z scanning mechanism provided with the protective plate 128A according to the present embodiment. 3, members indicated by the same reference numerals as those shown in FIG. 2 are the same members, and detailed description thereof is omitted.

図３に示すように、保護板１２８Ａは、試料台本体１４２の凸部１４２ａよりも大きい径の凹部１２８Ａａを有している。試料台本体１４２の凸部１４２ａの段差は、保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａの段差と保護シート１４４の厚さとを足した寸法よりも大きい。試料台本体１４２の凸部１４２ａは保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａに着脱可能に固定されている。試料台１４０Ａの保護板１２８Ａへの固定は、たとえば、保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａと試料台１４０Ａの凸部１４２ａの接触面の面粗さと同程度の厚さのワックスなどの接着剤または粘着剤によってなされる。   As shown in FIG. 3, the protective plate 128 </ b> A has a concave portion 128 </ b> Aa having a diameter larger than that of the convex portion 142 a of the sample stage main body 142. The level difference of the convex part 142a of the sample stage main body 142 is larger than the dimension obtained by adding the level difference of the concave part 128Aa of the protective plate 128A and the thickness of the protective sheet 144. The convex portion 142a of the sample stage main body 142 is detachably fixed to the concave portion 128Aa of the protective plate 128A. The sample base 140A is fixed to the protective plate 128A by, for example, an adhesive or adhesive such as wax having a thickness similar to the surface roughness of the contact surface of the concave portion 128Aa of the protective plate 128A and the convex portion 142a of the sample base 140A. Made.

試料台本体１４２の凸部１４２ａの段差は、保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａの段差と保護シート１４４の厚さとを足した寸法よりも大きいので、試料台本体１４２の凸部１４２ａは保護板１２８Ａの凹部１２８Ａａとじかに接触する。したがって、圧電素子１２２の変位は、保護シート１４４に吸収されることなく、試料台本体１４２に伝達される。   Since the level difference of the convex part 142a of the sample stage main body 142 is larger than the dimension obtained by adding the level difference of the concave part 128Aa of the protective plate 128A and the thickness of the protective sheet 144, the convex part 142a of the sample stage main body 142 is the concave part of the protective plate 128A. Direct contact with 128Aa. Therefore, the displacement of the piezoelectric element 122 is transmitted to the sample stage main body 142 without being absorbed by the protective sheet 144.

本実施形態では、保護板１２８Ａが、試料台本体１４２の凸部１４２ａを受ける凹部１２８Ａａを有しているので、試料台１４０Ａの交換の際、試料台１４０Ａの位置が安定する。   In the present embodiment, since the protection plate 128A has the concave portion 128Aa that receives the convex portion 142a of the sample stage main body 142, the position of the sample stage 140A is stabilized when the sample stage 140A is replaced.

＜第四実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態〜第三実施形態で説明したＺ走査機構１２０を使用した液中観察用の原子間力顕微鏡２００に関している。本実施形態による原子間力顕微鏡２００を図４に示す。 <Fourth embodiment>
The present embodiment relates to an atomic force microscope 200 for observation in liquid using the Z scanning mechanism 120 described in the first to third embodiments. An atomic force microscope 200 according to this embodiment is shown in FIG.

図４に示すように、原子間力顕微鏡２００は、カンチレバー２３０と、観察試料が固定された試料台１４０をカンチレバー２３０に対向させて保持し、観察試料とカンチレバー２３０を互いに相対的にＺ方向に走査するＺ走査機構１２０と、観察試料とカンチレバー２３０を互いに相対的にＺ方向に垂直なＸＹ方向に走査するＸＹ走査機構であるＸＹステージ１１０と、カンチレバー２３０のＺ方向の変位を検出する変位センサー２６０とを有している。   As shown in FIG. 4, the atomic force microscope 200 holds a cantilever 230 and a sample stage 140 to which an observation sample is fixed facing the cantilever 230 so that the observation sample and the cantilever 230 are relatively relative to each other in the Z direction. Z scanning mechanism 120 that scans, XY stage 110 that is an XY scanning mechanism that scans the observation sample and cantilever 230 in an XY direction perpendicular to the Z direction, and a displacement sensor that detects displacement of cantilever 230 in the Z direction 260.

カンチレバー２３０はカンチレバーホルダー２２０に取り付けられており、カンチレバーホルダー２２０はベースプレート２１０の上に設けられている。   The cantilever 230 is attached to the cantilever holder 220, and the cantilever holder 220 is provided on the base plate 210.

Ｚ走査機構１２０は、第一実施形態〜第三実施形態の説明に関連して図１〜図３に示したもののいずれかで構成されている。Ｚ走査機構１２０はＸＹステージ１１０に固定され、ＸＹステージ１１０はスキャナ枠２５０に支持され、スキャナ枠２５０はベースプレート２１０に設けられた粗動ステージ２４０に支持されている。   The Z scanning mechanism 120 is configured by any one of those shown in FIGS. 1 to 3 in association with the description of the first to third embodiments. The Z scanning mechanism 120 is fixed to the XY stage 110, the XY stage 110 is supported by the scanner frame 250, and the scanner frame 250 is supported by the coarse movement stage 240 provided on the base plate 210.

カンチレバー２３０と観察試料のＺ方向の間隔は、粗動ステージ２４０によってＸＹステージ１１０とＺ走査機構１２０がＺ方向に移動されることによって粗動され、またＺ走査機構１２０によって試料台１４０がＺ方向に移動されることによって微動されることにより制御される。   The distance between the cantilever 230 and the observation sample in the Z direction is coarsely moved by the coarse movement stage 240 moving the XY stage 110 and the Z scanning mechanism 120 in the Z direction, and the Z scanning mechanism 120 causes the sample stage 140 to move in the Z direction. It is controlled by being finely moved by being moved.

また、カンチレバー２３０と観察試料のＸＹ方向の相対位置は、ＸＹステージ１１０によってＺ走査機構１２０と共に試料台１４０がＸＹ方向に移動されることによって制御される。   Further, the relative positions of the cantilever 230 and the observation sample in the XY direction are controlled by the sample stage 140 being moved in the XY direction together with the Z scanning mechanism 120 by the XY stage 110.

測定は、たとえば、次のように行なわれる。   For example, the measurement is performed as follows.

カンチレバー２３０と試料台１４０の周辺空間に水溶液１６０が供給され、カンチレバー２３０と試料台１４０が水溶液１６０に浸される。カンチレバー２３０と観察試料がＸＹステージ１１０によってＸＹ走査される。ＸＹ走査のあいだ、変位センサー２６０がカンチレバー２３０のＺ変位を検出し、検出されるカンチレバー２３０のＺ変位を一定に維持するようにＺ走査機構１２０が制御される。ＸＹ走査による位置情報とＺ走査機構１２０の制御情報とに基づいて観察試料の表面の三次元画像が構築される。   The aqueous solution 160 is supplied to the space around the cantilever 230 and the sample stage 140, and the cantilever 230 and the sample stage 140 are immersed in the aqueous solution 160. The cantilever 230 and the observation sample are XY scanned by the XY stage 110. During the XY scanning, the displacement sensor 260 detects the Z displacement of the cantilever 230, and the Z scanning mechanism 120 is controlled so as to keep the detected Z displacement of the cantilever 230 constant. A three-dimensional image of the surface of the observation sample is constructed based on the position information by XY scanning and the control information of the Z scanning mechanism 120.

本実施形態の原子間力顕微鏡２００では、Ｚ走査機構１２０が第一実施形態〜第三実施形態で説明したもののいずれかで構成されているので、Ｚ走査機構１２０の圧電素子１２２と水溶液１６０の接触が防止されるとともに、カンチレバー２３０のＺ変位が正しく検出される。   In the atomic force microscope 200 of the present embodiment, since the Z scanning mechanism 120 is configured by any one of those described in the first to third embodiments, the piezoelectric element 122 and the aqueous solution 160 of the Z scanning mechanism 120 The contact is prevented and the Z displacement of the cantilever 230 is correctly detected.

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good.

本発明の第一実施形態によるＺ走査機構を示している。1 shows a Z scanning mechanism according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二実施形態による試料台が取り付けられたＺ走査機構を示している。The Z scanning mechanism with which the sample stand by 2nd embodiment of this invention was attached is shown. 本発明の第三実施形態による保護板を備えたＺ走査機構を示している。9 shows a Z scanning mechanism including a protection plate according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第四実施形態による原子間力顕微鏡を示している。7 shows an atomic force microscope according to a fourth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１１０…ＸＹステージ、１２０…Ｚ走査機構、１２２…圧電素子、１２４…電極、１２６…被覆、１２８…保護板、１２８Ａ…保護板、１２８Ａａ…凹部、１３０…ワックス、１４０…試料台、１４０Ａ…試料台、１４２…試料台本体、１４２ａ…凸部、１４４…保護シート、１４４ａ…貫通穴、１６０…水溶液、２００…原子間力顕微鏡、２１０…ベースプレート、２２０…カンチレバーホルダー、２３０…カンチレバー、２４０…粗動ステージ、２５０…スキャナ枠、２６０…変位センサー。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... XY stage, 120 ... Z scanning mechanism, 122 ... Piezoelectric element, 124 ... Electrode, 126 ... Coating, 128 ... Protection plate, 128A ... Protection plate, 128Aa ... Recess, 130 ... Wax, 140 ... Sample stand, 140A ... Sample Table, 142 ... Sample base body, 142a ... Convex, 144 ... Protective sheet, 144a ... Through hole, 160 ... Aqueous solution, 200 ... Atomic force microscope, 210 ... Base plate, 220 ... Cantilever holder, 230 ... Cantilever, 240 ... Coarse Moving stage, 250 ... scanner frame, 260 ... displacement sensor.

Claims (2)

一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有している走査機構に取り付けられる試料台であり、
前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、
前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している、試料台。 A piezoelectric element that is stretched and displaced with one end fixed, and is fixed to the end face of the free end of the piezoelectric element so as to cover the entire end face of the free end of the piezoelectric element, and at least comparable to the Young's modulus of the piezoelectric element It is a sample stage attached to a scanning mechanism having a protective plate having the above Young's modulus and a coating that covers the entire side surface of the piezoelectric element in a watertight manner ,
A sample base body that is directly fixed to the protective plate and has a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element;
A sample stage, comprising: a protective sheet that is watertightly fixed to the sample stage main body and that projects around the protective plate. カンチレバーと、
観察試料が固定された試料台を前記カンチレバーに対向させて保持し、前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的にＺ方向に走査するＺ走査機構と、
前記観察試料と前記カンチレバーを互いに相対的に前記Ｚ方向に垂直なＸＹ方向に走査するＸＹ走査機構と、
前記カンチレバーのＺ方向の変位を検出する変位センサーとを有しており、
前記Ｚ走査機構が、
一端が固定された伸縮変位する圧電素子と、
前記圧電素子の自由端の端面全体を覆って前記圧電素子の前記自由端の端面に水密に固定された、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している保護板と、
前記圧電素子の側面全体を水密に覆っている被覆とを有しており、
前記試料台が、
前記保護板に直接的に固定される、少なくとも前記圧電素子のヤング率と同程度以上のヤング率を有している試料台本体と、
前記試料台本体に水密に固定された、前記保護板の周囲に張り出す保護シートとを有している、原子間力顕微鏡。 Cantilevers,
A Z scanning mechanism that holds a sample stage on which the observation sample is fixed facing the cantilever, and scans the observation sample and the cantilever relative to each other in the Z direction;
An XY scanning mechanism for scanning the observation sample and the cantilever in an XY direction perpendicular to the Z direction;
A displacement sensor for detecting the displacement of the cantilever in the Z direction,
The Z scanning mechanism is
A piezoelectric element which is elastically displaced with one end fixed;
A protective plate that covers the entire end face of the free end of the piezoelectric element and is watertightly fixed to the end face of the free end of the piezoelectric element and has a Young's modulus at least equal to or greater than the Young's modulus of the piezoelectric element; ,
And having a coating that covers the entire side surface of the piezoelectric element in a watertight manner,
The sample stage is
A sample base body that is directly fixed to the protective plate and has a Young's modulus at least equal to or higher than the Young's modulus of the piezoelectric element;
An atomic force microscope comprising: a protective sheet that is watertightly fixed to the sample stage main body and that projects around the protective plate.
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