JPH0792464B2 - 原子間力顕微鏡における超音波振動検出方法及び原子間力顕微鏡における試料観察方法 - Google Patents
原子間力顕微鏡における超音波振動検出方法及び原子間力顕微鏡における試料観察方法Info
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Description
いて、試料にカンチレバーの共振周波数より十分高い周
波数の振動を加え、探針と試料間に働く力が距離に対し
て非線形な依存性を示すことを利用して超音波振動自身
でなく、その時間的な包絡線を検出する技術、およびそ
の信号を用いた計測および映像化技術に関するものであ
る。このような技術は材料組織観察、清浄度管理、マイ
クロ素子評価、精密機器故障解析、医療検査診断、生化
学検査に利用し得る。
ope;AFM )は試料表面と探針の間に作用する力により探
針を保持するカンチレバーに誘起される変位を用いて、
微小領域の凹凸の映像化を行う新しい顕微鏡である(Bi
nnig, Quate and Gerber, Phys. Rev. Lett. 12, 930,
1986. 参照)。Martinらはカンチレバーに縦振動を加え
て、共振周波数の変化から試料による引力を検出する方
法を開発した(Y.Martin, C. C. Williams, H. K. Wick
ramasinghe: J. Appl. Phys., 61 (1987)4723 参照)。
一方、Maivald ら、およびRadmacher らは振動型AFM を
開発し、試料を縦振動させた時のカンチレバー振動応答
から、粘弾性を計測した(P. Maivald, H.J. Butt, S.
A. C. Gould, C. B. Prater, B. Drake, J. A. Gurley,
V. B. Elings, and P. K. Hansma: Nanotechnology 2
(1991)103. 及びM.Radmacher, R.W. Tillmann, M. Fri
tz, and H. E. Gaub: Science, 257(1992)1900参照)。
高田らは、逆の過程すなわち探針に振動を与えて、試料
の振動を検出するトンネル音響顕微鏡を提案した(K. T
akata, T. Hasegawa, Sumio Hosaka, Shigeyuki Hosok
u, Tsutomu Komoda: Appl. Phys. Lett. 55(1989)17参
照)。これは、Cretinらによって内部欠陥の映像化に利
用された(B.Cretin and F. Stahl Proc IEEE Ultrason
ic Symposium, B5, 1992. 参照)。これらの振動型AFM
における振動発生検出の方法においては、振動発生と検
出の方法は多様だが、発生した振動の周波数と同じ周波
数の信号として検出する点は共通である。
は、使用する振動の周波数の上限は、カンチレバーの共
振周波数であった。通常のカンチレバーでは共振周波数
は最大100KHz程度であるので、振動周波数の上限も100K
Hz程度であった。しかし合成および生体高分子の中に
は、1MHz 以上の周波数の振動を与えた場合に興味深い
応答を行うものがある。しかし、このような対象を計測
するのは、従来の振動型AFM では困難であった。
料に与えるためには装置が大がかりとなり、従来の振動
型AFM をそのまま使用することができないことと、また
試料にそのような高周波が作用していることを検出する
ことが従来のAFM では不可能であったからである。
1MHz以上の周波数の超音波振動をAFM の試料に発生さ
せ、通常のカンチレバーを用いて検出することによっ
て、AFMにおける粘弾性的性質等を1MHz以上の周波数で
測定することを可能にするAFM の技術を提供することを
目的とするものである。
の発明の原子間力顕微鏡における超音波振動検出方法
は、試料表面と探針の間に作用する力により、微小領域
の凹凸の映像化を行う原子間力顕微鏡(Atomic Force M
icroscope;AFM )において、試料にカンチレバーの共振
周波数より十分高い周波数の超音波振動を発生し、試料
の超音波振動の振幅に依存する変位をカンチレバーに誘
起して、この変位を検出することを特徴としている。ま
た、この発明の原子間力顕微鏡における試料観察方法
は、試料表面と探針の間に作用する力により微小領域の
凹凸の計測を行う原子間力顕微鏡(Atomic Force Micro
scope;AFM )を使用した試料表面の計測方法であって、
試料に試料表面と探針の間に作用する力により、微小領
域の凹凸の映像化を行う原子間力顕微鏡(Atomic Force
Microscope;AFM )において、試料にカンチレバーの共
振周波数より十分高い周波数の超音波振動を発生し、試
料の超音波振動の振幅に依存する変位をカンチレバーに
誘起して、この変位を検出することを特徴としている。
の共振周波数より十分高い超音波周波数の振動を加え
る。探針と試料間に働く力が距離に対して非線形な依存
性を示すので、超音波の包絡線が形成される。この超音
波の包絡線を検出して超音波を検出する。
について説明する。図1において1は原子間力顕微鏡で
ある。原子間力顕微鏡1は試料台2と試料台2を駆動す
る試料台駆動装置3と探針4とカンチレバー計測装置5
と制御装置6と及び表示装置7とを備えている。試料台
2はその表面に試料8を取り付けることができ、かつ試
料台2は試料台駆動装置3によって駆動される。探針4
は試料台2上の試料8に接近して位置し、カンチレバー
11の先端に保持されている。カンチレバー計測装置5
はレーザー発生装置12と光検出機13とからなり、レ
ーザー発生装置12はレーザービームをカンチレバー1
1に放射し、また光検出器13はカンチレバー11から
の反射光を検出してカンチレバー11の位置及び姿勢を
計測する。光検出器13としては上下左右4分割の位置
敏感光検出器(PSD)を使用することができる。
波振動子14を取付け、試料8を接着剤またはグリース
15などで張り付ける。このような構成の原子間力顕微
鏡において、試料に作用する超音波の検出を行う場合
は、次の操作を行う。超音波振動子に振幅変調された高
周波信号を加えると、高周波信号がオンの時、試料表面
は高周波信号と同じ周波数ωで振動する。この時、試料
に近接したカンチレバー先端の探針は、図3に示したよ
うに、探針と試料表面の距離zの関数として周波数ωで
変化する力Fを受けるが、カンチレバーの共振周波数が
周波数ωより大幅に低い場合は、カンチレバーは周波数
ωで振動できない。一方、図3に示したように、力Fは
探針と試料表面の距離zに対して非線形的に変化するの
で、1周期平均すると有限の力が残ることになる。この
力によって、カンチレバーは一定量持ち上げられる。つ
いで、高周波信号がOFFになると、この変位も無くな
る。この結果、カンチレバーの変位を検出する差動型フ
ォトダイオード等からなるカンチレバー計測装置5の出
力信号は、高周波信号を変調する変調信号と同じ形を取
ることになる。
した。カンチレバーはPark Scientific 社製のバネ定数
0.024N/m、共振周波数33KHzのものを用い
た。カンチレバーの変位は差動型フォトダイオードで検
出した。試料と探針の間の力が一定値F0 になるよう
に、フォトダイオード信号の直流成分が一定値になるよ
うにz軸ピエゾ制御回路によって、z軸ピエゾに負荷す
る電圧を制御した。この状態で圧電トランスデューサに
断続的高周波信号(トーンバースト)を加えるとカンチ
レバーは時間的に変化する変位を示すが、この変位の時
間平均は、z軸ピエゾ制御回路の作用により、試料と探
針の間の力の平均値がF0 になるように保持された。
た断続的高周波信号(トーンバースト)の包絡線を示
す。この包絡線の内部に図示されていないが高周波信号
がある。ここで包絡線信号の周波数は700Hz 、高周波信
号の周波数は3.17MHz 、振幅は+10dbmであった。図4
(b)は試料としてシリコン単結晶(100)面を用い
た場合のカンチレバーの応答を示す。ここで、上向きが
試料に接近する方向、下向きが遠ざかる方向に対応す
る。高周波振動がオンになるとカンチレバーは図3
(b)に示すように試料から遠ざかる方向に変位した。
号で、振幅が時間に比例して増加する波形が繰り返され
る。包絡線信号の周波数は700Hz 、高周波信号の周波数
は3.17MHz であった。図5(b)はこの信号のような高
周波信号を加えた場合のカンチレバー変位の応答波形で
ある。高周波信号の振幅が小さい間は、カンチレバーは
応答を示さず、一定の振幅の敷居値を越えると急激に下
向きに変位した。これはカンチレバーが試料から遠ざか
る方向になる。試料と探針の間の力の平均値Fが引力
(-1.2N )の場合(点線)より斥力(+1.2N )の場合
(実線)の方が、急激な変位の起きる高周波信号振幅の
敷居値は増加した。この一連の観測結果は、試料と探針
の間の力の相互作用に関する新しい特性化の手段として
利用できる。
の飛躍的向上を実現することができる。原子間力顕微鏡
が出現する以前の超音波振動検出法は、圧電素子を用い
る方法と、光プローブを用いる方法である。しかしこれ
らの方法では空間分解能、すなわち振動を測定する場所
の大きさは、最小でも1μm程度で、これより小さい領
域の振動分布は計測出来なかった。本方法では振動測定
の空間分解能は画像の分解能と同じ、ナノメートルある
いは単原子にまで向上出来る。次に、通常の原子間力顕
微鏡との両立性を計ることができる。原子間力顕微鏡の
通常使用されているカンチレバーの共振周波数は100KHz
以下なので、周波数1MHz以上の超音波振動には応答せ
ず、超音波振動の検出には適用出来ない。超音波振動を
検出する場合は、特別なカンチレバーを設計製作せざる
を得ないが、この製作技術は困難であると同時に、探針
交換および機器調整に特別な知識、技能が必要である。
持する試料台に超音波振動素子を組み込むと同時に、信
号処理回路を増設するだけで、カンチレバーはまったく
変更を必要としないので、通常の原子間力顕微鏡の機能
を完全に保持したままで容易に増設出来る。このため、
既存の原子間力顕微鏡の映像や計測データを超音波振動
を加えた場合の映像の比較が可能になる。
ートルの空間分解能で検出するという新しい技術は、超
音波周波数領域の粘弾性の空間分布の調査、ナノメート
ルオーダーの内部構造の可視化の可能性など従来にない
新しい知見をもたらす顕微鏡が生まれ、一般性と波及効
果は極めて大きい。
のカンチレバーの応答波形。
合のカンチレバーの応答波形。
Claims (4)
- 【請求項1】 試料表面と探針の間に作用する力によ
り、微小領域の凹凸の映像化を行う原子間力顕微鏡(At
omic Force Microscope;AFM )において、試料にカンチ
レバーの共振周波数より十分高い周波数の超音波振動を
発生し、試料の超音波振動の振幅に依存する変位をカン
チレバーに誘起して、この変位を検出することを特徴と
する原子間力顕微鏡における超音波振動の検出方法。 - 【請求項2】 前記超音波振動を、カンチレバー共振周
波数以下の低周波交流信号により時間的に振幅変調し、
前記試料表面と探針の間に作用する力によりカンチレバ
ーに低周波変調信号と同じ周波数の振動を励起し、これ
を検出することを特徴とする請求項1記載の原子間力顕
微鏡における超音波振動の検出方法。 - 【請求項3】 試料表面と探針の間に作用する力により
微小領域の凹凸の計測を行う原子間力顕微鏡(Atomic F
orce Microscope;AFM )を使用した試料表面の計測方法
であって、試料に試料表面と探針の間に作用する力によ
り、微小領域の凹凸の映像化を行う原子間力顕微鏡(At
omic Force Microscope;AFM )において、試料にカンチ
レバーの共振周波数より十分高い周波数の超音波振動を
発生し、試料の超音波振動の振幅に依存する変位をカン
チレバーに誘起して、この変位を検出することを特徴と
する原子間力顕微鏡における試料観察方法。 - 【請求項4】 前記超音波振動を、カンチレバー共振周
波数以下の低周波交流信号により時間的に振幅変調し、
前記試料表面と探針の間に作用する力によりカンチレバ
ーに低周波変調信号と同じ周波数の振動を励起し、これ
を検出することを特徴とする請求項3記載の原子間力顕
微鏡における試料観察方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5133878A JPH0792464B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 原子間力顕微鏡における超音波振動検出方法及び原子間力顕微鏡における試料観察方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5133878A JPH0792464B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 原子間力顕微鏡における超音波振動検出方法及び原子間力顕微鏡における試料観察方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06323843A JPH06323843A (ja) | 1994-11-25 |
| JPH0792464B2 true JPH0792464B2 (ja) | 1995-10-09 |
Family
ID=15115195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5133878A Expired - Lifetime JPH0792464B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 原子間力顕微鏡における超音波振動検出方法及び原子間力顕微鏡における試料観察方法 |
Country Status (1)
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| KR102093989B1 (ko) * | 2018-10-05 | 2020-03-26 | 동의대학교 산학협력단 | 고주파 박막 물성 측정장치 |
-
1993
- 1993-05-12 JP JP5133878A patent/JPH0792464B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06323843A (ja) | 1994-11-25 |
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