(57)【要約】  液中での表面電位計測が可能な液中電位計測装置を提供するため、本発明に係る液中電位計測装置（２００）は、自由端側に探針を備えるカンチレバー（２０４）と、カンチレバー（２０４）の先端の変位に対応付けられた電圧を出力する変位計測部（２０６）と、探針と試料との間に交流電圧を印加する交流電源（２０１）と、信号検出部（２０７）とを備えており、交流電源が出力する交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、信号検出部は、変位計測部によって出力される電圧のうち、交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさと、交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさと、変位計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分とを出力する。
2012060033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液中の試料の表面電位を計測する液中電位計測装置であって、
電極と、
前記電極と、前記試料との間の静電気力に対応付けられた電圧を出力する静電気力計測部と、
前記電極と、前記試料との間に交流電圧を印加する交流電源と、
前記静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる特定の周波数成分の信号を検出し、検出された信号に対応する値を出力する信号検出部とを備えており、
前記交流電源が出力する交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、
前記信号検出部は、（１）前記静電気力計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさと、（２）前記静電気力計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさと、（３）前記静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、前記交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分とを出力する
液中電位計測装置。
【請求項２】
さらに、前記電極と、前記試料との間にバイアス電圧を印加する閉回路の途中にコンデンサを備える
請求項１に記載の液中電位計測装置。
【請求項３】
さらに、前記信号検出部により出力された値から、前記試料の表面電位を算出する電位算出部を備えており、
前記電位算出部は、前記試料の表面電位であるＶｓを、（１）前記変位計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさであるＡ１と、（２）前記変位計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさであるＡ２と、（３）前記変位計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、前記交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分であるＸ１と、（４）前記交流電源が出力する交流電圧の振幅であるＶａｃとを用いて、
Ｖｓ＝ｓｇｎ（Ｘ１）×（Ａ１／Ａ２）×（Ｖａｃ／４）
の式によって算出する
請求項１又は２に記載の液中電位計測装置。
【請求項４】
液中の試料の表面電位と、表面の高さ情報とを計測する原子間力顕微鏡であって、
片持ち梁構造を有し、自由端側に鋭く尖った探針を備えるカンチレバーと、
前記探針と、前記試料との間にバイアス電圧を印加する交流電源と、
前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、
前記カンチレバーの先端の変位に対応付けられた電圧を出力する変位計測部と、
前記変位計測部によって出力される電圧に含まれる特定の周波数成分の信号を検出し、検出された信号に対応する値を出力する信号検出部と、
前記探針と、前記試料との間の距離を調整するスキャナ部と、
前記変位計測部によって出力される電圧から、前記アクチュエータによって振動している前記カンチレバーの振動周波数を取得し、取得した前記カンチレバーの振動周波数が一定となるように、前記スキャナ部をフィードバック制御する制御部とを備えており、
前記交流電源が出力する交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、
前記信号検出部は、（１）前記変位計測部によって出力された電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさと、（２）前記変位計測部によって出力された電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさと、（３）前記変位計測部によって出力された電圧に含まれる周波数成分であって、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、前記交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分とを出力し、
前記制御部は、前記スキャナ部による、前記探針と、前記試料との間の距離の調整量を、前記試料の表面の高さ情報として出力する
原子間力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子間力顕微鏡を用いた電位計測装置に関し、特に、液中電位計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＡＦＭ）；以後ＡＦＭという）は、鋭く尖った探針を先端に有する片持ち梁（以後、カンチレバーという）を力検出器として用いて、試料表面の微細な凹凸像を得る装置である（例えば、特許文献１）。【０００３】
具体的には、カンチレバーが有する探針を試料に近づけると、探針−試料間に相互作用力が働く。この相互作用力を検出し、それを一定に保つように、探針の試料に対する垂直位置を制御する。この状態で、探針を試料に対して水平方向に走査すると、探針は試料の凹凸をなぞるように上下する。ＡＦＭは、その軌跡を水平位置に対して記録することにより、試料表面の凹凸像を得る。【０００４】
ＡＦＭでは、カンチレバーを用いて探針−試料間相互作用力を検出する方法の違いにより、（Ａ）スタティックモードＡＦＭと、（Ｂ）ダイナミックモードＡＦＭの２つの動作モードが知られている。【０００５】
スタティックモードＡＦＭでは、探針−試料間相互作用力によって生じるカンチレバーの変位から探針−試料間相互作用力を検出する。【０００６】
一方、ダイナミックモードＡＦＭでは、カンチレバーをその共振周波数近傍の周波数で機械的に振動させながら試料に対して水平方向に走査した際の、探針−試料間相互作用力によって生じる振動振幅、周波数または位相の変化から探針−試料間相互作用力を検出する。【０００７】
こうしたＡＦＭを用いて、試料表面の凹凸像と同時に、試料表面の電位分布を計測する方法が知られている（例えば、非特許文献１）。【０００８】
図６は、ＡＦＭを用いた電位計測装置として一般に知られている、ケルビンプローブ原子間力顕微鏡（Ｋｅｌｖｉｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＫＰＦＭ）；以後、ＫＰＦＭという）の原理を示す模式図である。【０００９】
図６に示されるように、ＫＰＦＭ８００は、カンチレバー２０４と、探針２２３と、試料２０５と、交流電源２０１と、直流電源９５２とを備える。【００１０】
カンチレバー２０４は、鋭く尖った探針２２３を先端に有し、探針を有する端が自由端となっており、反対側の他端が固定端となっている、いわゆる片持ち梁である。【００１１】
試料２０５は、大気中、又は、真空状態に置かれた、計測対象物である。【００１２】
交流電源２０１は、探針２２３と、試料２０５との間に、ＶａｃＣＯＳ（ωｍｔ）で示される交流バイアス電圧を印加する電源装置である。ここで、Ｖａｃは、交流電圧の振幅であり、ωｍは、交流電圧の周波数に対応する。【００１３】
直流電源９５２は、探針２２３と、試料２０５との間に、Ｖｄｃで示される直流バイアス電圧を印加する電源装置である。【００１４】
試料２０５の表面には、電荷、分極、仕事関数などの分布により、電位分布Ｖｓが存在する。したがって、交流電源２０１及び直流電源９５２によるバイアス電圧印加後の探針−試料間電位差Ｖｔｓは以下の数式１で与えられる。【００１５】
【数１】
2012060033.tif 000003
【００１６】
ここで、試料２０５の両面のうち、探針２２３と向き合う側を試料２０５の表面とし、他方の面を試料２０５の裏面として、数式１は、表面から裏面へ向かう向きを正としている。この向きの座標軸を、以後ｚ軸とする。また、探針−試料間の静電容量をＣｔｓとすると、探針−試料間に働く静電気力Ｆｅｓは、以下の数式２で与えられる。【００１７】
【数２】
2012060033.tif 000004
【００１８】
数式２に示されるように、Ｆｅｓの中には、（１）直流成分（数式２の右辺第１項と第２項）、（２）交流成分のうち、ωｍ成分（数式２の右辺第３項）、（３）交流成分のうち、２ωｍ成分（数式２の右辺第４項）が含まれている。【００１９】
ここで、Ｆｅｓは、カンチレバーの変位、振動振幅、周波数または位相の変化として計測することが可能である。ここで、ＫＰＦＭ８００は、計測されたＦｅｓに含まれるωｍ成分（すなわち、数式２の右辺第３項）のみを、ロックインアンプ（図示なし）により検出する。【００２０】
数式２で示されるように、ωｍ成分は（Ｖｄｃ−Ｖｓ）に比例するため、ωｍ成分を打ち消す（ゼロにする）ようにＶｄｃをフィードバック制御すれば、常にＶｄｃ＝Ｖｓが成り立つ。この状態で、探針２２３を試料２０５に対して水平方向に走査し、その間のＶｄｃの値を探針の水平位置に対して記録すれば、試料２０５の表面の電位分布像が得られる。【００２１】
ＡＦＭを用いた他の電位計測装置としては、走査型マクスウェル応力顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＭＭ）；以後ＳＭＭという）が知られている。【００２２】
ＳＭＭでは、ＫＰＦＭと同様の原理で表面電位を計測するが、探針−試料間距離の制御方法のみが異なる。ＫＰＦＭでは、一般的なダイナミックモードＡＦＭと同様に、探針２２３の垂直位置を、カンチレバーの振動振幅、周波数、または位相の変化が一定となるように制御する。一方、ＳＭＭでは、ＡＣバイアス電圧によって生じる２ωｍ成分（数式２の右辺第４項）が一定となるように探針の垂直位置を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２０００−３４６７８２号公報
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】M. Nonnenmacher, M. P. O’Boyle and H. K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett., 1991, Vol. 58 pp. 2921-2923.
【非特許文献２】Shin'ich Kitamura and Masashi Iwatsuki, High-resolution imaging of contact potential difference with ultrahigh vacuum noncontact atomic force microscope, Applied Physics Letters, 1998, Vol. 72, pp. 3154-3156.
【非特許文献３】Osamu Takeuchi, Yoshihisa Ohrai, Shoji Yoshida, and Hidemi Shigekawa, Kelvin Probe Force Microscopy without Bias-Voltage Feedback, Japanese Journal of Applied Physics, 2007, Vol.46, pp. 5626-5630.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、従来知られた電位計測手法は、試料２０５が真空中や大気中に置かれている場合のみに適用可能であり、試料２０５が液中にある場合に適用することは、以下の理由により困難であった。【００２６】
すなわち、ＫＰＦＭやＳＭＭのようなＡＦＭを用いた電位計測装置では、前述の通り、探針２２３と、試料２０５との間に、直流バイアス電圧、及び、交流バイアス電圧を印加する。【００２７】
その結果、液中において、直流バイアス電圧や、交流バイアス電圧を探針−試料間に印加すると、
（１）液中のイオンが再配置して、試料２０５や探針２２３の表面に電気二重層を形成し、電界を打ち消してしまうため、試料２０５の表面の電位が計測できない。
（２）イオンの再配置に伴って生じる溶媒や溶質の密度勾配によって、浸透圧の分布が生じ、溶媒や溶質の対流が生じるため、緩和時間が非常に長く（例えば、１０秒以上に）なる。その結果、試料２０５全体を実用的な時間で走査することが困難となる。
（３）探針２２３や試料２０５の電気化学ポテンシャルが変化して、不要な電気化学反応が生じ、探針２２３に制御不能な相互作用力が働く。また、計測すべき試料２０５の表面の物性にも大きな影響を与える。さらに、カンチレバー２０４の表面近傍で生じるイオンの再配置や電気化学反応の結果として、表面エネルギーが変化し、そのためにカンチレバー２０４に表面応力が働く。その結果、計測精度が著しく悪化する。
といった各種の問題が生じうることが知られている。【００２８】
そこで、本発明は、液中での表面電位計測が可能な液中電位計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明のある局面に係る液中電位計測装置は、液中の試料の表面電位を計測する液中電位計測装置であって、電極と、前記電極と、前記試料との間の静電気力に対応付けられた電圧を出力する静電気力計測部と、前記電極と、前記試料との間に交流電圧を印加する交流電源と、前記静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる特定の周波数成分の信号を検出し、検出された信号に対応する値を出力する信号検出部とを備えており、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、前記信号検出部は、（１）前記静電気力計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさと、（２）前記静電気力計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさと、（３）前記静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、前記交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分とを出力する。【００３０】
この構成によると、交流バイアス電圧の周波数として１０ｋＨｚ以上のものを使用することで、液中における電位計測の際に問題となる電気化学反応や溶質・溶媒・イオン・電荷の再配置などの反応を大きく抑制できる。また、信号検出部により、表面電位の絶対値と、その正負とに対応する３種の信号を検出し、出力することで、液中で計測することによる検出信号の信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比が悪化することの影響を抑えることができる。その結果、液中での表面電位計測が可能となる。【００３１】
また、さらに、前記電極と、前記試料との間にバイアス電圧を印加する閉回路の途中にコンデンサを備えてもよい。【００３２】
この構成によると、コンデンサの働きにより、交流バイアス電圧に含まれる直流成分を取り除き、液中における電気化学反応や溶質・溶媒・イオン・電荷の再配置などの反応を確実に抑えることができる。その結果、液中での表面電位計測の精度が向上する。【００３３】
また、さらに、前記信号検出部により出力された値から、前記試料の表面電位を算出する電位算出部を備えており、前記電位算出部は、前記試料の表面電位であるＶｓを、（１）前記変位計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさであるＡ１と、（２）前記変位計測部によって出力される電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさであるＡ２と、（３）前記変位計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、前記交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分であるＸ１と、（４）前記交流電源が出力する交流電圧の振幅であるＶａｃとを用いて、
Ｖｓ＝ｓｇｎ（Ｘ１）×（Ａ１／Ａ２）×（Ｖａｃ／４）
の式によって算出するとしてもよい。【００３４】
この構成によると、信号検出部により検出・出力された３種の信号と、交流バイアス電圧の振幅から、表面電位を算出し、出力することができる。その結果、液中での表面電位計測の効率が向上する。【００３５】
また、液中の試料の表面電位と、表面の高さ情報とを計測する原子間力顕微鏡であって、片持ち梁構造を有し、自由端側に鋭く尖った探針を備えるカンチレバーと、前記探針と、前記試料との間にバイアス電圧を印加する交流電源と、前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、前記カンチレバーの先端の変位に対応付けられた電圧を出力する変位計測部と、前記変位計測部によって出力される電圧に含まれる特定の周波数成分の信号を検出し、検出された信号に対応する値を出力する信号検出部と、前記探針と、前記試料との間の距離を調整するスキャナ部と、前記変位計測部によって出力される電圧から、前記アクチュエータによって振動している前記カンチレバーの振動周波数を取得し、取得した前記カンチレバーの振動周波数が一定となるように、前記スキャナ部をフィードバック制御する制御部とを備えており前記交流電源が出力する交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚ以上であり、前記信号検出部は、（１）前記変位計測部によって出力された電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさと、（２）前記変位計測部によって出力された電圧のうち、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさと、（３）前記変位計測部によって出力された電圧に含まれる周波数成分であって、前記交流電源が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、前記交流電源が出力する交流電圧と同位相の成分とを出力し、前記制御部は、前記スキャナ部による、前記探針と、前記試料との間の距離の調整量を、前記試料の表面の高さ情報として出力するとしてもよい。【００３６】
この構成によると、表面電位の計測と同時に、表面の高さ方向の情報（凹凸情報）を取得できる。その結果、液中電位計測機能を備えた原子間力顕微鏡を実現することができる。【００３７】
なお、本発明は、このような液中電位計測装置として実現できるだけでなく、液中電位計測装置に含まれる特徴的な手段をステップとする液中電位計測方法として実現したり、そのような特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。【００３８】
さらに、本発明は、このような液中電位計測装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現したり、このような液中電位計測装置を備える原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）として実現したりできる。
【発明の効果】
【００３９】
以上より、本発明は、液中での表面電位計測が可能な液中電位計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、関連技術による電位計測装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、関連技術による他の電位計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、液中で計測したＡ１とＶａｃとの関係を示す第１の図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、液中で計測したＡ２とＶａｃとの関係を示す第１の図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、液中で計測したＡ１とＶａｃとの関係を示す第２の図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、液中で計測したＡ２とＶａｃとの関係を示す第２の図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置において、ｚ軸制御部から出力されるｚ軸方向の移動量を色情報に変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料の表面形状像を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置において、信号検出部から出力されるＡ１の値を色情報の変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料のＡ１像を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置において、信号検出部から出力されるＡ２の値を色情報の変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料のＡ２像を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置において、電位算出部により算出された表面電位を色情報の変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料の表面電位像を示す図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、図５Ｄに示される表面電位像におけるＡ−Ｂ間のラインプロファイルを示す図である。
【図６】図６は、ＫＰＦＭの原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
【００４２】
図１は、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置２００の構成を示すブロック図である。
【００４３】
図１に示されるように、液中電位計測装置２００は、計測治具１５０と、交流電源２０１と、コンデンサ２０２と、カンチレバー２０４と、試料２０５と、変位計測部２０６と、信号検出部２０７と、ｚ軸制御部２０８と、スキャナ部２０９と、振動調整部２１０と、電位算出部２３０とを備える。
【００４４】
計測治具１５０は、電位計測対象である試料を固定する治具である。計測治具１５０上には、液体が満たされ、その中に試料が置かれる。
【００４５】
交流電源２０１は、例えば、ＶａｃＣＯＳ（ωｍｔ）で示されるような、振幅がＶａｃ、周波数がωｍの交流電圧を出力する電源装置である。交流電源２０１は、探針−試料間に交流バイアス電圧を印加することで電界を発生させる。なお、本発明の実施の形態において、ωｍの値は、具体的には１０ｋＨｚ以上とする。その理由は、後述する。
【００４６】
コンデンサ２０２は、交流電源２０１の出力などに含まれる直流成分を取り除き、不要な電気化学反応を生じさせないためのコンデンサである。コンデンサ２０２を回路に挿入することで、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、交流成分のみからなる交流バイアス電圧を、探針と試料との間に印加することができる。
【００４７】
アクチュエータ２０３は、カンチレバー２０４を振動させるための振動装置であり、具体的には、いわゆるピエゾ素子が用いられる。これらは、正電圧が印加された時に伸長し、負電圧が印加されたときに縮小する性質を有する。アクチュエータ２０３に、振動調整部２１０から出力される交流電圧をかけることで、アクチュエータ２０３は振動し、その振動でカンチレバー２０４は振動する。
【００４８】
カンチレバー２０４は、鋭く尖った探針２２３を先端に有し、探針２２３を有する端が自由端となっており、反対側の他端が固定端となっている、いわゆる片持ち梁である。材質としては、例えばシリコン又はシリコンナイトライド等が使用される。電位計測の場合には、さらに金やプラチナなど導電性金属をコートしたものを用いることが多い。
【００４９】
試料２０５は、液中に置かれた、計測対象物である。
【００５０】
変位計測部２０６は、カンチレバー２０４の先端の、ｚ軸方向の変位を計測する処理部である。本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、探針２２３と試料２０５との間に生じる静電気力Ｆｅｓを、カンチレバー２０４の先端の変位に対応付けて計測する。カンチレバー２０４の先端の変位は、また、後述するｚ軸制御部２０８により、探針２２３と試料２０５との距離を一定に保つための位置制御にも用いられる。
【００５１】
変位計測部２０６は、例えば、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）２１１と、位置検出用分割型ＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）２１２と、プリアンプ２１３とを備える。変位計測部２０６は、ＬＤ２１１からカンチレバー２０４の先端に照射した半導体レーザ光の反射光を位置検出用分割型ＰＤ２１２で受光する。カンチレバー２０４先端部のｚ軸方向の変位に応じて、位置検出用分割型ＰＤ２１２による受光位置はズレるため、そのズレを、プリアンプ２１３を介して電圧変化量として取り出すことにより、変位計測部２０６は、カンチレバー２０４先端部の変位を計測する。
【００５２】
信号検出部２０７は、高感度な交流電圧計であり、ノイズが多い測定信号の中から、微少な交流信号を検出する装置である。信号検出部２０７としては、例えば、ロックインアンプ等が使用できる。本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、参照信号として交流電源２０１が出力する交流電圧を用いるロックインアンプである信号検出部２０７に、変位計測部２０６から出力された電圧変化量を入力することで、Ｘ１、Ａ１、Ａ２、という３つの交流信号を検出する。Ｘ１、Ａ１、Ａ２の詳細については、後述する。
【００５３】
ｚ軸制御部２０８は、カンチレバー２０４の振動周波数を一定に保つように、スキャナ部２０９に対しフィードバック制御をする制御部である。試料２０５の表面にある凸凹により、探針２２３と試料２０５の表面との距離が変わると、探針２２３と試料２０５間に働く相互作用力の大きさが変化する。その結果、アクチュエータ２０３で駆動され一定の周波数で振動しているカンチレバー２０４の振動周波数が変化する。よって、カンチレバー２０４の振動周波数を一定に保つように、探針２２３と試料２０５の距離を制御することで、探針２２３と試料２０５の距離を一定間隔に保つことができる。
【００５４】
ｚ軸制御部２０８は、周波数検出部２１４と、第１制御部２１５とを備える。周波数検出部２１４は、カンチレバー２０４の先端部の変位を変位計測部２０６から取得し、取得した変位からカンチレバー２０４の振動周波数を取得する。第１制御部２１５は、周波数検出部２１４から出力される周波数を一定に保つように、スキャナ部に計測治具１５０の高さ（ｚ軸方向）を調整させるための制御信号を出力する。第１制御部２１５は、例えばＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御回路等として構成できる。
【００５５】
なお、このｚ軸方向を調整する制御信号の大きさは、試料２０５の表面の凹凸に対応するため、この値を記録することで、試料２０５の表面の物理的な形状（高さ方向の情報）を知ることができる。
【００５６】
スキャナ部２０９は、計測治具１５０の位置をｘ、ｙ、ｚ軸の３軸方向に、数ｎｍ〜数十μｍ程度移動させる。ｚ軸方向の移動は、前述の通りカンチレバー２０４の振動周波数を一定に保つためである。ｘ軸及びｙ軸方向の移動は、試料２０５上の物理的形状および電位の分布を平面的・連続的に計測するためである。
【００５７】
スキャナ部２０９は、波形生成回路２１６と、高圧アンプ２１７と、ｚ軸スキャナ２１８と、ｘ軸スキャナ２１９と、ｙ軸スキャナ２２０とを備える。
【００５８】
ｚ軸スキャナ２１８、ｘ軸スキャナ２１９、ｙ軸スキャナ２２０は、いずれも、ピエゾ素子である。ｚ軸制御部２０８からフィードバック制御の結果として出力された制御信号（ｚ軸方向）と、波形生成回路２１６で発生させた平面方向の走査用信号（ｘ軸、及び、ｙ軸方向）とを、高圧アンプ２１７で増幅し、目的とする軸に対応するｚ軸スキャナ２１８、ｘ軸スキャナ２１９、ｙ軸スキャナ２２０にそれぞれ入力すると、計測治具１５０をごく微少量移動させることができる。
【００５９】
振動調整部２１０は、カンチレバー２０４の振動振幅を一定に保つ処理部である。振動調整部２１０は、移相回路２２１と、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路２２２とを備える。カンチレバー２０４が試料表面近傍で振動することにより、試料との間に様々な散逸的相互作用力がカンチレバー２０４に働く。ここで散逸的相互作用力とは、カンチレバーが溶液中で振動する際に周りの溶媒から受ける抵抗力や、カンチレバーの振動により探針が試料表面に近接または接触した際に働く吸着力や摩擦力などの相互作用力である。このため、カンチレバー２０４の振動エネルギーは絶えず変化する。よって、振動調整部２１０は、カンチレバー２０４の振動振幅を一定に保つため、ＡＧＣ回路２２２を用いて、アクチュエータ２０３を励振するための電圧を調整する。ここで移相回路２２１は、アクチュエータ２０３に印加される交流電圧に対する、変位計測部２０６によって検出された変位信号の位相遅れを調整するために用いられる。
【００６０】
電位算出部２３０は、信号検出部２０７の出力を取得し、後述する算出式から、試料２０５の表面電位を算出する処理部である。走査されたｘ−ｙ平面に対応させて、算出された表面電位を並べることで、試料２０５の表面電位像を得ることができる。
【００６１】
次に、以上述べた、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００を用いて、液中の試料２０５の表面電位を得る方法を説明する。
【００６２】
従来技術で、液中の試料２０５の表面電位を計測する際に生じる様々な問題は、図６を参照し、探針２２３と、試料２０５との間に直流バイアス電圧や低周波数の交流バイアス電圧を印加するために生じる。
【００６３】
すなわち、前述のＫＰＦＭやＳＭＭでは、数式２の第３項をゼロにするように直流電圧Ｖｄｃを制御することで、試料２０５の表面電位Ｖｓを計測する。そのため、探針２２３と試料２０５との間に直流バイアス電圧を印加するための直流電源９５２を備えている。
【００６４】
また、従来技術では、交流電源２０１で印加される交流電圧も、１ｋＨｚ程度の周波数が利用されている。これは、以下に述べる理由による。（１）非特許文献１のような、Fesを変位信号の変化として検出する場合には、十分な検出感度を得るために比較的柔らかいカンチレバーを使う必要があり、その結果としてカンチレバーの共振周波数が低くなる。一方、カンチレバーの変位は、カンチレバーの共振周波数より低い周波数の力成分にしか応答しないため、交流電圧の周波数は共振周波数よりもさらに低い周波数に制限される。（２）非特許文献２のようなFesを周波数信号の変化として検出する場合には、周波数検出器の検出帯域が一般的に数ｋＨｚ程度であるため、交流電圧の周波数はその周波数以下に制限される。
【００６５】
しかし、液中における電位計測の際に問題となる電気化学反応や溶質・溶媒・イオン・電荷の再配置などは比較的遅い過程である。よって、交流バイアス電圧の周波数として１０ｋＨｚ以上のものを使用することで、これらの液中の反応を大きく抑制できる。
【００６６】
本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、１０ｋＨｚ以上の高周波交流バイアス電圧のみを、探針２２３と試料２０５との間に印加する。そのため、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、液中であっても正確に試料２０５の表面電位を計測することができる。以下、より詳細に述べる。
【００６７】
本技術におけるＦｅｓは、数式（２）においてＶｄｃ＝０として、次の数式３で与えられる。
【００６８】
【数３】
2012060033.tif 000005
【００６９】
ここで、Ｆｅｓに含まれるωｍ成分（数式３の第３項）の大きさをＡ１とし、２ωｍ成分（数式３の第４項）の大きさをＡ２とすると、Ａ１及びＡ２は、それぞれ数式４及び数式５で与えられる。
【００７０】
【数４】
2012060033.tif 000006
【００７１】
【数５】
2012060033.tif 000007
【００７２】
ここで、前述のとおり、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、カンチレバー２０４の先端の変位に対応付けてＦｅｓを計測している。したがって、Ａ１は、変位計測部２０６によって出力される電圧のうち、ωｍ成分の大きさに対応付けられる。
【００７３】
また、Ａ２は、変位計測部２０６によって出力される電圧のうち、２ωｍ成分の大きさに対応付けられる。
【００７４】
したがって、これらＡ１及びＡ２の値は、信号検出部２０７により計測できる。よって、これらの値の比として、Ｖｓの絶対値を数式６により求めることができる。
【００７５】
【数６】
2012060033.tif 000008
【００７６】
ここで、Ｖｓの符号は、Ｆｅｓに含まれるωｍ成分の、交流バイアス電圧に対する位相差φが０°（同相）ならば正、１８０°（逆相）ならば負となる。よって、信号検出部２０７によりＸ１＝Ａ１Ｃｏｓφを検出し、このＸ１の符号からＶｓの符号を判断する。すなわち、液中電位計測装置２００が備える電位算出部２３０は、以下の数式７により、試料２０５の表面電位Ｖｓを算出する。
【００７７】
【数７】
2012060033.tif 000009
【００７８】
なお、Ｘ１は、変位計測部２０６によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧と同位相の成分として、信号検出部２０７により計測できる。
【００７９】
この数式７を用いて、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、Ｘ１、Ａ１、Ａ２の３つの交流信号を信号検出部２０７で測定・記録しながら、探針２２３を試料２０５に対して水平方向に走査する。電位算出部２３０は、それらの値から、表面電位像を算出することができる。
【００８０】
なお、Ｘ１はＶｓの符号を知るためにのみ必要なので、必ずしもすべての探針位置で測定する必要はない。たとえば、探針２２３と試料２０５の表面との電位差の極性が、試料２０５の全表面で反転しないならば、信号検出部２０７は任意の１つの探針位置でのみＸ１を測定し、電位算出部２３０でその符号を１度だけ判定すればよい。
【００８１】
次に、関連技術に係る電位計測装置と比較することで、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００の特徴を説明する。
【００８２】
図２は、関連技術による電位計測装置９５０の構成を示すブロック図である。また、図３は、他の関連技術による電位計測装置９６０の構成を示すブロック図である。
【００８３】
なお、図２、図３とも、図１と共通の処理部については同一の符号を付け、詳細な説明は省略する。
【００８４】
図２に示される電位計測装置９５０は、図６の概念図をより詳細に示した物である。電位計測装置９５０が、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００と異なる点は、直流電源９５２と、第２制御部９５１とを備え、信号検出部２０７から直流電源９５２へのフィードバックループが存在する点である。
【００８５】
前述の通り、電位計測装置９５０は、変位計測部２０６で計測した探針２２３の変位に含まれる交流成分のうち、数式２の第３項をゼロにするように、直流電源９５２の出力電圧Ｖｄｃをフィードバック制御する。
【００８６】
よって、信号検出部２０７は、数式２の第３項で示されるωｍ成分のみを検出し、第２制御部９５１へ出力する。
【００８７】
第２制御部９５１は、例えばＰＩ制御器等で、信号検出部２０７から取得した数式２の第３項がゼロになるように、直流電源９５２の出力電圧を制御する。
【００８８】
直流電源９５２は、第２制御部９５１から出力される制御信号に従い、直流電圧Ｖｄｃを出力する。
【００８９】
以上述べたように、電位計測装置９５０では、直流電圧Ｖｄｃの大きさを制御するため、第２制御部９５１によるフィードバックループが存在する。このループ自体の周波数は、通常、１００Ｈｚ程度である。よって、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００のように、液中で利用する場合には、このような直流もしくは低周波数の電圧によって、前記のように、不要な電気化学反応や表面応力が生じるため、こうしたフィードバック制御による計測手法は使用できない。
【００９０】
そこで、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、第２制御部９５１を用いたフィードバック制御を使用せず、Ｘ１、Ａ１、Ａ２を信号検出部２０７で計測し、その計測値を用いて電位算出部２３０が試料２０５の表面電位を算出する。
【００９１】
また、図３に示される関連技術である電位計測装置９６０（例えば、非特許文献３を参照）は、直流電圧Ｖｄｃを制御するためのフィードバックループが存在しない点で、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００と同様である。
【００９２】
しかし、電位計測装置９６０は、信号検出部２０７が検出し、出力する信号が、Ｘ１とＡ２のみであること、及び、電位算出部９６１で行う算出処理内容の点で、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００と異なる。
【００９３】
すなわち、電位計測装置９６０が備える電位算出部９６１は、信号検出部２０７から取得したＸ１及びＡ２を用いて、試料２０５の表面電位Ｖｓを、次の数式８から求める。
【００９４】
【数８】
2012060033.tif 000010
【００９５】
この数式８は、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００が備える電位算出部２３０が演算に用いる数式７と、以下の関係にある。
【００９６】
本実施の形態に係る液中電位計測装置２００においても、理想的には、信号検出部２０７によりＸ１＝Ａ１Ｃｏｓφを検出し、数式６のＡ１をＸ１に置き換えた式（すなわち、数式８）を用いることが考えられる。その場合、Ｖｓの符号も同時に算出できるため、数式７のように、Ｖｓの符号だけを別途Ｘ１から求める（すなわち、ｓｇｎ（Ｘ１）を算出する）必要がなく、よってＡ１の計測も不要となる。
【００９７】
しかし、従来は（計算上の理想状態に近い）真空中や、それに準じる大気中に置かれた試料２０５の電位を計測することが課題とされているのに対し、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、液中において試料２０５の電位を測定することを課題としている。
【００９８】
ここで、液中計測の場合は、真空や大気中での計測と比較し、力に対する検出感度が悪化するため、計測信号Ｘ１の信号対雑音比が悪化する。また、実際の回路内で、交流電圧の位相遅れ等が生じ、ｃｏｓφは＋１、−１以外の中間の値を取り得る。よって、従来のように真空や大気中での計測では、大きな問題とならなかった、これら要因により生じる誤差が、液中計測では著しく増大する。
【００９９】
こうした誤差要因による測定誤差を避けるため、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、数式７で示されるように、（１）表面電位Ｖｓの絶対値を、Ａ１及びＡ２の計測値から、数式４及び数式５により求める一方で、（２）別途、Ｖｓの符号をＸ１の符号から求める。
【０１００】
以上述べたように、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、探針２２３と、探針２２３−試料２０５との間の静電気力に対応付けられた電圧を出力する静電気力計測部（すなわち、変位計測部２０６及びカンチレバー２０４）と、探針２２３及び試料２０５との間に交流電圧を印加する交流電源２０１と、静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる特定の周波数成分の信号を検出し、検出された信号に対応する値を出力する信号検出部２０７とを備えている。
【０１０１】
ここで、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚ以上である。また、信号検出部２０７は、（１）静電気力計測部によって出力される電圧のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさと、（２）静電気力計測部によって出力される電圧のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさと、（３）静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧と同位相の成分とを出力する。
【０１０２】
その結果、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、液中での表面電位計測が可能となる。
【０１０３】
さらに、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、信号検出部２０７により出力された値から、試料２０５の表面電位を算出する電位算出部２３０を備えてもよい。ここで、電位算出部２３０は、試料２０５の表面電位であるＶｓを、（１）静電気力計測部によって出力される電圧のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分の大きさであるＡ１と、（２）静電気力計測部によって出力される電圧のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数の２倍の周波数の周波数成分の大きさであるＡ２と、（３）静電気力計測部によって出力される電圧に含まれる周波数成分であって、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数と同じ周波数の周波数成分のうち、交流電源２０１が出力する交流電圧と同位相の成分であるＸ１と、（４）交流電源２０１が出力する交流電圧の振幅であるＶａｃとを用いて、Ｖｓ＝ｓｇｎ（Ｘ１）×（Ａ１／Ａ２）×（Ｖａｃ／４）の式によって算出する。
【０１０４】
次に、液中電位計測装置２００を用いて液中で試料２０５の電位計測を行った実験結果について説明する。
【０１０５】
図４Ａ〜図４Ｄは、液中で計測したＡ１及びＡ２と、Ｖａｃとの関係を示す図である。具体的には、１ｍＭのＮａＣｌ（塩化ナトリウム）水溶液中のＨＯＰＧ（Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ）基板上でＡ１及びＡ２のいずれかを測定し、その測定結果を縦軸に、また、測定時の交流バイアス電圧の大きさＶａｃ[Ｖ]を横軸にとり、プロットした。
【０１０６】
より詳細には、図４Ａは、液中で計測したＡ１とＶａｃとの関係を示す第1の図である。また、図４Ｂは、液中で計測したＡ２とＶａｃとの関係を示す第1の図である。また、図４Ｃは、液中で計測したＡ１とＶａｃとの関係を示す第２の図である。また、図４Ｄは、液中で計測したＡ２とＶａｃとの関係を示す第２の図である。
【０１０７】
すなわち、図４Ａ及び図４Ｃは、Ａ１の測定結果を示す。また、図４Ｂ及び図４Ｄは、Ａ２の測定結果を示す。また、図４Ａ及び図４Ｂは、交流電源２０１が出力する交流バイアス電圧の周波数を１ｋＨｚとした場合の計測結果を示す。一方、図４Ｃ及び図４Ｄは、交流電源２０１が出力する交流バイアス電圧の周波数を３０ｋＨｚとした場合の計測結果を示す。
【０１０８】
仮に、交流バイアス電圧によって生じるカンチレバー２０４に働く相互作用力において（真空中での電位計測時と同様に）静電気力Ｆｅｓが支配的であるならば、数式４及び数式５より、Ａ１はＶａｃに比例し、Ａ２はＶａｃの二乗に比例するはずである。一方、そうならない場合には、電気化学反応及びイオンの再配置の影響により、静電気量とは異なる起源の相互作用力を受けていることになる。
【０１０９】
ここで、図４Ａに示されるように、交流バイアス電圧の周波数が１ｋＨｚである場合、Ａ１はＶＡＣにまったく比例しておらず、電気化学反応及びイオンの再配置の影響により異なる起源の相互作用力を受けていることがわかる。
【０１１０】
一方、図４Ｃに示されるように、交流バイアス電圧の周波数が３０ｋＨｚである場合には、Ａ１はＶＡＣに、ほぼ比例しており（Ａ１はＶａｃの１．２乗に比例）、Ｆｅｓの影響が支配的であることがわかる。
【０１１１】
図４Ｂと図４Ｄとを参照しても、交流バイアス電圧の周波数が１ｋＨｚである場合よりも、３０ｋＨｚである場合の方が、より精度良く、Ａ２はＶａｃの２乗に比例しているといえる。
【０１１２】
この結果から、交流バイアス電圧の周波数を１０ｋＨｚ以上にすることは、従来技術で問題となる電気化学反応及び溶質・溶媒の再配置の問題を抑制することに効果的であるといえる。
【０１１３】
図５Ａ〜図５Ｅは、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置２００で、液中の分子膜を測定した結果を示す図である。具体的には、基板上にドデシルアミン分子膜が作製されたＨＯＰＧ基板を試料２０５として計測治具１５０に置き、１ｍＭのＮａＣｌ水溶液中で試料２０５の観察を行った。
【０１１４】
より詳細には、図５Ａは、ｚ軸制御部２０８から出力されるｚ軸方向の移動量を色情報に変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料２０５の表面形状像を示す。また、図５Ｂは、信号検出部２０７から出力されるＡ１の値を色情報の変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料２０５のＡ１像を示す。また、図５Ｃは、信号検出部２０７から出力されるＡ２の値を色情報の変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料２０５のＡ２像を示す。また、図５Ｄは、電位算出部２３０により算出された表面電位を色情報の変換し、ｘ−ｙ軸の走査面上にプロットすることで得られる、試料２０５の表面電位像を示す。また、図５Ｅは、図５Ｄに示される表面電位像におけるＡ−Ｂ間のラインプロファイルを示す。図５Ｅにおいて、縦軸は液中電位計測装置２００により検出した電位[ｍＶ]を示し、横軸はＡ地点からＢ地点までの直線距離[μｍ]を示す。
【０１１５】
ここで、ドデシルアミン分子は、ＨＯＰＧ表面と高い親和性を有するため、ＨＯＰＧ上に安定な単分子層を形成することが知られている。また、２層以上の分子層は安定に形成されにくいことも知られている。これらのことから、図５Ａの表面形状像において低く観察されている部分はドデシルアミン単分子層表面に相当し、高く観察されている部分は単分子層の上に吸着したドデシルアミン分子の物理吸着層表面であると考えられる。
【０１１６】
実際、高く見えている部分の構造は凹凸も大きく不安定であり、この構造モデルの妥当性を示唆している。
【０１１７】
図５Ａに示される表面形状像と、図５Ｄに示される表面電位像を比較してみると、おおむね表面形状像で高い部分が電位の高い部分に相当している。ドデシルアミン分子は、中性の水溶液中では末端のアミノ基が電離して正に帯電にしていると考えられている。したがって、表面形状像において高い部分は、単位面積あたりの吸着分子数が多いために高い電位を示すものと予想される。
【０１１８】
また、表面形状像で凹凸が見られない部分でも表面電位に変化があるところや、その逆の場合もところどころに見受けられる。しかし、以下の理由により、表面形状像と表面電位像が完全に一致することは考え難く、得られた結果は、むしろ妥当といえる。
【０１１９】
すなわち、試料２０５の表面に吸着したドデシルアミン分子の正電荷を打ち消す量の負イオンが、試料２０５の表面近傍に分布した結果、電気二重層を形成していると予想される。したがって、ドデシルアミン分子の一部が局所的に電離しておらず、表面の凹凸と表面電位の分布が完全に一致しないということは十分に考えられる。
【０１２０】
また、図５Ｅに示されるように、電位の最も高いところと最も低いところの測定値の差は約１２０ｍＶであった。ここで、表面電位差は、ｍＶオーダーの値をとると予想されることから、ＶオーダーやμＶオーダーの値ではなく、ｍＶオーダーの値を示したという点で、妥当な結果といえる。
【０１２１】
さらに、図５Ｄに示される電位像はナノスケールのコントラストを示している。これは、液中電位計測装置２００は、ナノスケールで試料２０５と探針２２３との距離を制御できたことを示す。この点からも、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００によって、液中の試料２０５の電位分布が計測可能であるといえる。
【０１２２】
以上、本発明の実施の形態に係る液中電位計測装置２００について説明したが、本発明は、本実施の形態に限定されるものではない。
【０１２３】
本実施形態に係る液中電位計測装置２００では、探針２２３―試料２０５間の距離をカンチレバーの共振周波数変化を一定に保つように、ｚ軸制御部２０８でフィードバック制御を行う。しかし、スタティックモードＡＦＭにおいては、カンチレバー２０４の変位を一定に保つように、ｚ軸制御部２０８がフィードバック制御をしてもよい。また、ダイナミックモードＡＦＭにおいては、カンチレバー２０４の振動の振幅又は位相を一定に保つように、ｚ軸制御部２０８がフィードバック制御をしてもよい。すなわち、液中電位計測装置２００は、スタティックモードＡＦＭ及びダイナミックモードＡＦＭで使用される、任意の探針２２３―試料２０５間の距離制御方式を使用することが可能である。
【０１２４】
また、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、交流バイアス電圧によって誘起された静電気力を、カンチレバーの変位として変位計測部２０６が検出する。しかし、カンチレバーの共振周波数、振動振幅又は位相から、交流バイアス電圧によって誘起された静電気力を検出してもよい。その場合、交流バイアス電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上を使用する必要があるので、変位計測部２０６に代わる、周波数、振幅又は位相の検出部は、２次高調波の周波数である２０ｋＨｚ以上の検出帯域を有している必要がある。
【０１２５】
さらにまた、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、試料２０５の表面電位に加えて、その立体的な形状に関する高さ情報を同時に計測するために、探針２２３を備えたカンチレバー２０４を用いた。しかし、試料２０５の表面電位のみを計測するのであれば、必ずしも、探針２２３を備えたカンチレバー２０４を用いる必要はなく、代わりに、例えば計測治具１５０の内径と同程度か、それよりも小さい電極を使用してもよい。
【０１２６】
すなわち、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、探針２２３を備えたカンチレバー２０４に代えて電極を備え、変位計測部２０６に代えて、電極と試料２０５との間の静電気力を上記いずれかの方法で計測する静電気力計測部を備えてもよい。
【０１２７】
なお、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、厳密には、試料２０５の表面近傍の空間における電位分布を計測しており、前述の「表面電位」は、正確には「表面近傍の電位」である。しかし、実質的には、試料２０５の表面電位と見なせるため、「表面電位」と記述する。
【０１２８】
また、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００では、交流バイアス電圧は、コンデンサ２０２を通して制御する。しかし、参照電極や対向電極を追加して、カンチレバー２０４や試料２０５の電気化学ポテンシャルをバイポテンショスタットにより制御する電気化学セットアップと組み合わせてもよい。この場合、交流バイアス電圧は、バイアス・ティーか、もしくはトランスを用いて印加することが可能である。これにより、探針２２３と試料２０５の電気化学ポテンシャルを安定に制御しながら、電位分布Ｖｓを計測でき、さらに、試料２０５の電気化学ポテンシャルに依存して電位分布Ｖｓがどのように変化するかといった依存性を調べることができる。
【０１２９】
また、本実施の形態に係る液中電位計測装置２００は、電位算出部２３０を備えており、信号検出部２０７から取得した、Ｘ１、Ａ１及びＡ２の計測値から電位像を算出するが、液中電位計測装置２００は必ずしも電位算出部２３０を備えていなくても良い。例えば、液中電位計測装置２００の外部にある、電位算出部２３０相当の装置に対して、信号検出部２０７で計測したＸ１、Ａ１及びＡ２の計測値を入力し、計測時のｘ−ｙ座標に対応付けて電位Ｖｓを出力すればよい。これにより、電位像を算出することができる。たとえば、図５Ａ〜図５Ｄに示された実験結果のように、Ｘ１、Ａ１及びＡ２の計測値から、それぞれに対応する二次元画像を取得し、その後、各画像を構成する各点の値を電位算出部２３０相当の装置に入力することで電位像を得ることができる。
【０１３０】
また、液中電位計測装置２００は、必ずしも、コンデンサ２０２、ｚ軸制御部２０８、スキャナ部２０９、及び、振動調整部２１０を備えていなくても良い。
【０１３１】
コンデンサ２０２を備えていない場合であっても、交流電源２０１が出力する交流電圧の周波数を１０ｋＨｚ以上とすることでも、電位計測の際に問題となる電気化学反応や溶質・溶媒・イオン・電荷の再配置などの反応は抑制できる。よって、コンデンサ２０２を備えなくとも、同様の発明の効果は奏する。ただし、コンデンサ２０２を備えた方が、より確実に直流電圧が印加されることを防止できるため、液中の反応を確実に抑えることができ、測定精度が向上する。
【０１３２】
また、スキャナ部２０９を備えていない場合であっても、試料２０５上の１点の電位を計測することは可能であり、液中電位計測装置としての発明の効果を奏する。なお、スキャナ部２０９を備えることで、ｘ−ｙ平面内を走査して電位を計測することができる。さらに、ｚ軸制御部２０８を備えることで、試料２０５の高さ方向の情報を取得することができるため、液中電位計測機能を備えた原子間力顕微鏡を提供できる。
【０１３３】
また、ＡＧＣ回路２２２を備えていない場合であっても、散逸的相互作用力が小さい場合は、カンチレバー２０４の振動振幅をある程度一定に保つことができる。よって、ＡＧＣ回路２２２を備えた場合と同様の発明の効果を奏する。なお、ＡＧＣ回路２２２を備えることで、より正確に振幅を一定に保つことが可能となり、電位の測定精度が向上する。
【０１３４】
なお、上記実施の形態に係る液中電位計測装置２００に含まれる各処理部は、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又はすべてを含むように１チップ化されてもよい。
【０１３５】
ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
【０１３６】
また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
【０１３７】
さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて各処理部の集積化を行ってもよい。
【０１３８】
また、上記実施の形態に係る液中電位計測装置２００の機能の一部又は全てを、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。
【０１３９】
さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
【０１４０】
また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。
【０１４１】
更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本発明は、原子間力顕微鏡を用いた電位計測装置に適用でき、特に、液中電位計測装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１４３】
１５０  計測治具
２００  液中電位計測装置
２０１  交流電源
２０２  コンデンサ
２０３  アクチュエータ
２０４  カンチレバー
２０５  試料
２０６  変位計測部
２０７  信号検出部
２０８  ｚ軸制御部
２０９  スキャナ部
２１０  振動調整部
２１１  ＬＤ
２１２  ＰＤ
２１３  プリアンプ
２１４  周波数検出部
２１５  第１制御部
２１６  波形生成回路
２１７  高圧アンプ
２１８  ｚ軸スキャナ
２１９  ｘ軸スキャナ
２２０  ｙ軸スキャナ
２２１  移相回路
２２２  ＡＧＣ回路
２２３  探針
２３０、９６１  電位算出部
８００  ＫＰＦＭ
９５０、９６０  電位計測装置
９５１  第２制御部
９５２  直流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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