(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い高圧容器６と、前記高圧容器６の一端側に取り付けられる測定セル取り付け側高圧プラグ５と、前記高圧容器６の他端側に取り付けられる回転駆動側高圧プラグ８と、高圧容器６内に収納される測定セルＳと、前記高圧容器６の外部に配置し前記測定セル取り付け側高圧プラグ５とシールドパイプ３を介して一体的に結合されている電流−電圧変換器収納箱２とを備え、前記測定セル取り付け側高圧プラグ５には、測定セルＳが着脱自在に取り付けられるとともにオイル導入用の高圧パイプ１、及び測定・制御に必要な全ての電極１１、１２が取り付けられており、前記回転駆動側高圧プラグ８には測定セル内のマイクロメータ３４へ回転力を伝達することができる回転力伝達機構Ｔが取り付けてあることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項２】
前記測定セル取り付け側高圧プラグ５に取り付ける電極のうち、少なくともトンネル電流用電極１２は、絶縁コーンに軟質セラミック及び類似セラミック、石英、ガラス、サファイア、およびパイフェライト、磁器、酸化アルミナ等の絶縁粉末を接着剤で練りかためたものを使用したことを特徴とする請求項１に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項３】
前記測定セルＳは、同セル内に探針に対して試料を粗接近させるためのマイクロメータ３４と、探針を走査するスキャナー１７を備え、前記マイクロメータ３４は、回転力伝達機構Ｔを介して回転させられるべく構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項４】
前記測定セルＳは、測定セル取り付け側高圧プラグ５に取り付けられる円筒状のカップリング１３と、このカップリングに取り付けられる円筒状の測定セル枠３０とを備え、さらに、前記カップリング１３と測定セル枠３０とによってスキャナー１７を保持するスキャナー取り付け円盤１６を保持し、測定セル枠３０と前記円盤１６の回転位置を決定し、スキャナー取り付け円盤１６側の電極位置と測定セル取り付け側高圧プラグ５側の電極位置を合わせるための回転止めピン１８とを有することを特徴とする請求項３に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項５】
前記測定セルＳは、測定セル取り付け側高圧プラグ５に取り付けられる円筒状のカップリング１３と円筒状の測定セル枠３０とが一体で構成され、前記カップリング１３に形成した段部にスキャナー１７を保持するスキャナー取り付け円盤１６が円盤セットネジ６５によって固定されていることを特徴とする請求項３に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項６】
前記測定セルＳ内にはバイアス電極用円筒２３が配置され、試料と電気的に導通させられているスライド電極２５が接触していることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項７】
前記回転力伝達機構Ｔは、マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒３８と、前記回転駆動側高圧プラグ８側に取り付けられ、前記回転伝達棒３８と結合する回転結合器３９とを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項８】
前記マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒３８は１本の回転伝達棒からなることを特徴とする請求項７に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項９】
前記マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒３８は、回転軸対象に配置された少なくとも２本の回転伝達棒からなることを特徴とする請求項７に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記回転伝達棒３８は、長さが異なって形成されていることを特徴とする請求項９に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記回転伝達棒３８は、先端が尖っていることを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１２】
前記回転結合器３９には、前記回転伝達棒３８が挿入される回転伝達棒挿入孔３８Ａが、軸対称に多数形成されていることを特徴とする請求項７に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１３】
前記回転結合器３９に形成する回転伝達棒挿入孔３８Ａの上端高さが、同結合器の同軸半円周上に位置する孔と、残りの孔とで異なることを特徴とする請求項７に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１４】
前記回転結合器３９には、回転駆動側高圧プラグ側に取り付けた回転軸４２が結合され、高圧容器外部から前記回転結合器３９を回転できるように構成されていることを特徴とする請求項７、請求項１２、請求項１３のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１５】
前記シールドパイプ３内にはオイル導入用の高圧パイプ１、及び測定・制御に必要な全ての電極１１、１２が配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１６】
前記高圧容器６内の圧力媒体は液体であることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【請求項１７】
前記測定セルＳには内部を観察できる窓が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか１項に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高圧力（少なくとも１０００気圧以上）のもとで走査しながらトンネル電流を計測し、原子・分子レベルの顕微鏡像を観測することができる超高圧走査型トンネル顕微鏡装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭという）は、探針と試料の間の伝導電子のトンネル現象という量子効果を利用した顕微鏡であり、その装置構成が比較的簡単であるにもかかわらず、原子・分子スケールの分解能で試料の表面の観測ができるため、その利用分野は、真空、気体中、液体中など広範に渡っており、各利用分野において、室温、高温、低温の温度環境下での原子・分子レベルでの物質構造の観測等が可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在利用されている高圧ＳＴＭは、気体圧を利用した１００気圧程度までの装置であり、超高圧下（１０００気圧以上）での原子・分子の様子（たとえば強誘電体や弾性体結晶の原子・分子の構造変化を可視化など）を観察することができない。こうしたことから、近年超高圧ＳＴＭの開発が行われるようになってきたが、以下に述べるような様々な問題点が解決できないために、現在まで液圧下の超高圧ＳＴＭ装置はまだ開発されていない。
【０００４】
即ち、１００気圧程度のＳＴＭ装置に於いては、圧力容器・観測装置の作製に格別に特殊な技術を必要とせず、比較的容易に製作することは可能であるが、１０００気圧以上の超高圧ＳＴＭ装置ともなれば、電極および粗接近装置に対して、圧力漏れ、圧力変性の回避、電気伝導度変化の抑止など、多くの解決すべき問題点が生じ、特別な容器・観測装置の開発が必要不可欠となってくる。
【０００５】
さらに気体圧では１０００気圧以上になると、わずかの傷やひびによって爆発等の大事故の危険性があり、それ故、法的に規制されていて任意に誰もが操作できるものではなく、使い勝手が悪くなる。このため、１０００気圧以上の圧力領域では一般的簡便性から必然的に液体圧の環境下とする必要があり、そのための対策が必要となる。
【０００６】
以下に、超高圧ＳＴＭ装置の製作を実現するうえでの解決すべき課題を列挙する。
▲１▼トンネル電流を高圧力容器外に導き出す高絶縁かつ高耐圧力の電極の作製
▲２▼高圧力下における探針への試料接近を外部から行う粗接近機構の開発
▲３▼限定された空間内に収まるコンパクトな測定セル
▲４▼高圧媒質中にある観測セルに対する外部からの音波や振動の遮断構造
▲５▼超高圧ＳＴＭ高圧であっても取り扱いが簡便で一般性が高いこと
▲６▼通常のＳＴＭ装置とは異なり、超高圧ＳＴＭ高圧媒質中にはトンネル電流測定用の電子回路系を置くことができないため、超高圧ＳＴＭ向けの電子回路の配置構成の開発
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決せんとするために、超高圧（１０００気圧以上）の領域下での原子・分子レベルの観察が可能な超高圧ＳＴＭを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために以下のような特徴を有している。
１）超高圧ＳＴＭ用の測定セル
超高圧ＳＴＭ用の測定セルは、十分狭い空間内に収まる構造が要求される。このため測定セルは、新しく各部品の組み立てに対する構造を設計し直さなければならない。本超高圧ＳＴＭはそれに対処すべく新しい構造の測定セルを提案する。（測定セル用の空間を大きくするには、内径を大きくせねばならず、それは大きな容器となる。例えば典型的には内径を１ｃｍ増せば、外形は５ｃｍ大きくする必要があり、容器の巨大化、重量化に伴い、取り扱いの困難性やコストの増大を伴う。）
【０００９】
２）トンネル電流測定用電子回路（電流−電圧変換器）
トンネル電流測定用電子回路（電流−電圧変換器）は、電気ノイズに対する耐ノイズ性を高めるために、出来る限り測定試料の近傍に設置することが望ましい。通常のＳＴＭ装置では測定セルと一体になっている。しかしながら、超高圧下では、このような電子回路系は破壊され設置することはできない。そこで、外部に設置せざるを得ないが、その結果、機械的振動が生まれやすくなる。これを避けるために高圧容器と外部電子回路系を一体化し、機械的振動からくるノイズを極力抑える必要がある。
【００１０】
本超高圧ＳＴＭは電流−電圧変換器を収納箱内に納め、この電流−電圧変換器収納箱（円筒形）と測定セルを取り付ける測定セル取り付け側高圧プラグをシールドパイプで一体化する構造を採用している。上記電流−電圧変換器収納箱がシールドパイプを介して測定セル取り付け側高圧プラグによって支持されるため、外部からの振動の混入を軽減する事が出来ると共に、完全な電気シールドの効果も果たすことができ、この構造は従来のＳＴＭになかったもので、とりわけユニークな構造である。
【００１１】
３）トンネル電流用電極
１００気圧で利用できるガラス高絶縁電極があるが、それは１０００気圧以上の超高圧では、破壊され使用できない。一般に超高圧用電極として、パイロフェライトを絶縁コーンに用いた電極があるが、絶縁抵抗が小さく極微小電流を測定する本装置では、上記一般用超高圧用電極では適合せず、このため以下の手段を講じている。
【００１２】
即ち、液体超高圧中に於けるＳＴＭ装置で最も重要で注意の必要な物は、トンネル電流用電極である。この顕微鏡はトンネル電流が１００〔ｐＡ〕程度までの微小電流を取り扱う為、外部からの漏れ電流の混入を少なくとも１０〔ｐＡ〕以下に抑える必要がある。従って、電極には極めて高い絶縁性が要求される。これに対して、従来の超高圧電極には耐圧性、超高絶縁性を共に満たす物はない。通常では絶縁電極の絶縁材として、パイロフェライトが使用されているが、要求される高絶縁性（電極・アース間で１０１０〔Ω〕）を有しない。更に、この物質は吸湿性もあり、耐久性を考慮するとＳＴＭのトンネル電流電極としては使用できない。また、この電極に市販品のシース線を使用することも検討されたが、これは超高絶縁抵抗を有しないため、トンネル電流用電極としての使用は不可能である。
【００１３】
このような諸点を考慮して開発された本超高圧ＳＴＭではトンネル電流用電極は絶縁コーンにマコール（加工可能な軟質セラミック）を使用している。この物質は高絶縁材料として開発され市販されているもので、吸湿性もなく、高圧ＳＴＭの電極絶縁材として最適である。こうして得られた電極は、６５００気圧以上の耐圧力性と各電極・アース間で１０12〜１０13〔Ω〕の高絶縁性を示す。
【００１４】
４）高圧下での探針の粗接近機構
探針粗接近は、一般にマイクロメータにモータを結合した物が使われている。しかし、超高圧中で駆動するモータは現在なく、そのようなモータを開発出来たとしても、気体中と違い、粘性の高い液体中（高圧下では液体の粘性はかなり増大する）でモータを機能させることは難しく、かつ我々のように０．４μｍまでの粗接近を行うとモータの振動が探針に伝わり、測定試料と探針の接触が生まれる可能性があり好ましくない。本超高圧ＳＴＭでは、これに対処するためモータを使わずに外部から操作する手段を講じている。
【００１５】
即ち、本超高圧ＳＴＭ装置は探針の粗接近機構として、マイクロメータを使用した。その回転駆動は、前述したような理由から高圧容器内ではモータを使用せず、新しい発想でもって、回転伝達機構を考案し、高圧容器外から手動で機械的に行う方法を採用した。また、高圧容器外部からの回転駆動に伴うマイクロメータへの振動を軽減するため、回転力伝達側、マイクロメータを備えている測定セルを、各々相対する高圧プラグに取り付ける構造とした。具体的には、高圧容器の一方の高圧プラグに測定セル、電極、高圧パイプを取り付け、相対する他方の高圧プラグに回転力伝達機構を取り付けた。この配置構成では、回転力伝達側の回転によって測定セル側に回転を伝達する回転結合器が必要であり、かつ測定セル取り付け側高圧プラグを高圧容器に挿入するだけで、回転結合器とマイクロメータ側の回転部を自動的に結合させることが必要となる。
【００１６】
そこで本構成では、次のような構成からなる回転力伝達機構を提案し、その目的を達成している。
ａ）回転力伝達機構Ｔの構成
粗接近に対し直進型マイクロメータを使用しており、回転させることによって軸方向に１ｍｍ移動できる。その移動に必要な回転部の移動は軸方向に１ｃｍが必要である。この回転結合器は、このマイクロメータの軸方向の大きな移動に対し、常に密着結合できることが要求される。加えて試料探針間距離が０．４μｍまでの粗接近に際しても、回転駆動側高圧プラグ側からの軸方向の振動が、測定セルに伝達しないソフトな結合が要求される。
【００１７】
このような観点から開発された回転力伝達機構の特徴は、マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒と、前記回転駆動側高圧プラグ側に取り付けられ、前記回転伝達棒と結合する回転結合器とを備えていることを特徴としており、マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒が回転駆動側高圧プラグ側に取り付けた回転結合器の挿入穴に対し、その挿入長が十分に準備されて大きな自由度を有することである。さらに回転に対する遊び（回転駆動部を回転させ始めてからマイクロメータが回転を始めるまでの回転遊び）を小さくし、粗接近操作時間を短縮するために、回転伝達棒を挿入する孔を軸対象の位置に多数設け、回転伝達棒と孔の隙間を小さくしている。また、純粋に回転トルクのみを伝達するために、マイクロメータに２本の回転伝達棒を取り付けている。この際、２つの回転伝達棒を軸対称な位置にある孔にスムーズに挿入（軸対称の位置の孔に入らなければ、棒は折れる）させる工夫として、挿入される棒の先端を尖らせ、かつ互いに異なった長さにして、いずれかの棒が先に入るようにした。この結合方式の特徴は、測定セルを組み付けた測定セル取り付け側高圧プラグを高圧容器に挿入するだけで、回転伝達棒と回転結合器がスムーズに自動的に結合すると共に、回転駆動側からマイクロメータへの振動を軽減できる。
【００１８】
５）本超高圧ＳＴＭはガス圧ではなく、液圧による高圧を実現している。このため、危険性がなく取り扱いが便利であり、だれでも免許なしに扱えるようになっている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
このため本発明が採用した技術解決手段は、
細長い高圧容器６と、前記高圧容器６の一端側に取り付けられる測定セル取り付け側高圧プラグ５と、前記高圧容器６の他端側に取り付けられる回転駆動側高圧プラグ８と、高圧容器６内に収納される測定セルＳと、前記高圧容器６の外部に配置し前記測定セル取り付け側高圧プラグ５とシールドパイプ３を介して一体的に結合されている電流−電圧変換器収納箱２とを備え、前記測定セル取り付け側高圧プラグ５には、測定セルＳが着脱自在に取り付けられるとともにオイル導入用の高圧パイプ１、及び測定・制御に必要な全ての電極１１、１２が取り付けられており、前記回転駆動側高圧プラグ８には測定セル内のマイクロメータ３４へ回転力を伝達することができる回転力伝達機構Ｔが取り付けてあることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記測定セル取り付け側高圧プラグ５に取り付ける電極のうち、少なくともトンネル電流用電極１２は、絶縁コーンに軟質セラミック及び類似セラミック、石英、ガラス、サファイア、およびパイフェライト、磁器、酸化アルミナ等の絶縁粉末を接着剤で練りかためたものを使用したことを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記測定セルＳは、同セル内に探針に対して試料を粗接近させるためのマイクロメータ３４と、探針を走査するスキャナー１７を備え、前記マイクロメータ３４は、回転力伝達機構Ｔを介して回転させられるべく構成されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記測定セルＳは、測定セル取り付け側高圧プラグ５に取り付けられる円筒状のカップリング１３と、このカップリングに取り付けられる円筒状の測定セル枠３０とを備え、さらに、前記カップリング１３と測定セル枠３０とによってスキャナー１７を保持するスキャナー取り付け円盤１６を保持し、測定セル枠３０と前記円盤１６の回転位置を決定し、スキャナー取り付け円盤１６側の電極位置と測定セル取り付け側高圧プラグ５側の電極位置を合わせるための回転止めピン１８とを有することを特徴とする請求項３に記載の超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記測定セルＳは、測定セル取り付け側高圧プラグ５に取り付けられる円筒状のカップリング１３と円筒状の測定セル枠３０とが一体で構成され、前記カップリング１３に形成した段部にスキャナー１７を保持するスキャナー取り付け円盤１６が円盤セットネジ６５によって固定されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記測定セルＳ内にはバイアス電極用円筒２３が配置され、試料と電気的に導通させられているスライド電極２５が接触していることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記回転力伝達機構Ｔは、マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒３８と、前記回転駆動側高圧プラグ８側に取り付けられ、前記回転伝達棒３８と結合する回転結合器３９とを備えていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒３８は１本の回転伝達棒からなることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記マイクロメータ側に取り付けた回転伝達棒３８は、回転軸対象に配置された少なくとも２本の回転伝達棒からなることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記回転伝達棒３８は、長さが異なって形成されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記回転伝達棒３８は、先端が尖っていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記回転結合器３９には、前記回転伝達棒３８が挿入される回転伝達棒挿入孔３８Ａが、軸対称に多数形成されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記回転結合器３９に形成する回転伝達棒挿入孔３８Ａの上端高さが、同結合器の同軸半円周上に位置する孔と、残りの孔とで異なることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記回転結合器３９には、回転駆動側高圧プラグ側に取り付けた回転軸４２が結合され、高圧容器外部から前記回転結合器３９を回転できるように構成されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記シールドパイプ３内にはオイル導入用の高圧パイプ１、及び測定・制御に必要な全ての電極１１、１２が配置されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記高圧容器６内の圧力媒体は液体であることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
また、前記測定セルＳには内部を観察できる窓が形成されていることを特徴とする超高圧走査型トンネル顕微鏡装置である。
【００２０】
【実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明すると、図１は測定セルが未装着状態の超高圧ＳＴＭの概略構成図、図２は図１の高圧容器内に収納する測定セル取り付け側高圧プラグを含む測定セルの一部断面図、図３（ａ）は測定セルの一部断面拡大図、図３（ｂ）は他の形態からなる測定セルの一部断面拡大図である。
【００２１】
以下超高圧ＳＴＭの概略全体構成を説明した後で、各詳細構造について説明する。
〔超高圧ＳＴＭの全体構成〕
図１において、１は高圧パイプ、２は電流−電圧変換器収納箱、３はシールドパイプ、４はプラグ保持ナット、５は測定セル取り付け側高圧プラグ、６は高圧容器、７は測定セル収納空間、８は回転駆動側高圧プラグ、９はプラグ保持ナット、１０はベアリング保持ナットであり、今回試作した高圧容器はシリンダー状をしており、測定セル収納空間が内径２８ｍｍ、軸長２１ｃｍ、重量約４０ｋｇである。
【００２２】
高圧容器６の図中上方側には、測定セル取り付け側高圧プラグ５がプラグ保持ナット４により高圧容器６に対して密封状態で固定され、また下方側には、回転駆動側高圧プラグ８が、プラグ保持ナット９により高圧容器６に対して密封状態で固定されている。
測定セル取り付け側高圧プラグ５は、後述する構成からなる測定セルＳを組付けるためのものであり、この測定セル取り付け側高圧プラグ５には、オイル導入用の高圧パイプ１の他、測定・制御に必要な全ての電極を収納しているシールドパイプ３が取り付けられている。また、シールドパイプ３は、測定セル取り付け側高圧プラグ５の常圧側と電流−電圧変換器収納箱２を結合させると共に、電気的シールドの役割も果たしている。
【００２３】
回転駆動側高圧プラグ８は、回転力伝達機構Ｔを構成する粗接近用のマイクロメータ（後述する）の回転部（後述する）に回転駆動を与える回転軸４２を保持しており、また、プラグ保持ナット９にはベアリング保持ナット１０が取り付けられている。ベアリング保持ナット１０には回転駆動部４５がスラストベアリング４７によって軸支持されている。なお、回転駆動部４５の詳細構成は後述する。
この回転力伝達機構をマイクロメータへ結合する構造は、後述する回転伝達棒と回転結合器の使用によって初めて可能となり、この回転力伝達機構によって高圧下に於ける粗接近の困難性を克服している。
【００２４】
〔測定セルＳ〕
測定セル収納空間７には図２、図３（ａ）に示す測定セルＳが収納される。
図２において、測定セル取り付け側高圧プラグ５は図中上部周囲にプラグ取り出し用のネジ５Ａが形成され（高圧容器からの測定セル高圧プラグの取り出しは、内側にネジを切った円筒、その一部がシールドパイプ径より少し広い幅に軸方向に切り取った専用工具でなされる）、またその中心には大径部５Ｂ、それよりやや小径のネジ５Ｃが形成されている。ネジ５Ｃの周囲には、大径部５Ｂと測定セル取り付け側高圧プラグ５の下端とを連通するスキャナー、バイアス等用の電極を導入する７本の貫通孔５Ｄが形成されているとともに、１本のトンネル電流用電極を導入する貫通孔５Ｅが形成されている。これらの貫通孔５Ｄ、５Ｅには電極が取り付け固定されるが、その詳細構造は後述する。
【００２５】
高圧パイプは、測定セル取り付け側高圧プラグ５に形成した大径部５Ｂを通して、ネジ５Ｃにネジ込まれ、高圧パイプが測定セル側高圧プラグ５の下端より少し突出した位置で（銀蝋が高圧パイプのオイル導入孔に入ることを防止する）、雄ネジと雌ネジの隙間は銀蝋付けで固定される。この銀蝋付けにより高圧プラグと高圧パイプの間の完全なオイルシールがなされる。測定セル側高圧プラグ５と高圧容器６との間のオイルシールは、Ｏリングとアーマリングによるオイルシール４９でなされる。
【００２６】
高圧パイプ１の周囲にはシールドパイプ３が配置され、シールドパイプ３の下端３Ａは測定セル取り付け側高圧プラグ５のシールドパイプ取り付けネジ５Ｆにネジ止めされている。また高圧パイプ１とシールドパイプ３の間には、スキャナー、バイアス等用の７本の電極１１とトンネル電流用電極１２（各電極構造については後述する）が配置され、スキャナー、バイアス等用の７本の電極１１は前述した７本の貫通孔５Ｄを貫通し、またトンネル電流用電極１２が残りの１本の貫通孔５Ｅを貫通して配置され、測定セル取り付け側高圧プラグ５の下方に延長している。
【００２７】
図２、図３（ａ）において測定セル取り付け側高圧プラグ５の下端外周には、リード線接続窓を有する円筒状のカップリング１３がネジ１３Ａによって固定され、さらにこのカップリング１３には図３中に示す探針交換窓Ｗを有する円筒状をした測定セル枠３０がネジ１３Ｂによって結合されており、カップリング１３と測定セル枠３０とによってマコール製のスキャナー取り付け円盤１６が挟持されている。スキャナー取り付け円盤１６はピン孔を有し、回転止めピン１８を利用してスキャナー側の各電極と高圧プラグ５側電極の回転位置が合わせられる。スキャナー取り付け円盤１６には圧電素子スキャナー１７が取り付けられ、さらに圧電素子スキャナー１７の下端には、圧電素子・探針ソケット結合ディスク２０を介して探針ソケット２１が取り付けられ、探針ソケット２１には探針２２がセットされている。そして、前述の７本の電極１１は対応するリード線１４Ａによって圧電素子スキャナー１７等に接続され、残りの１本の電極１２はリード線１５により、円筒状の圧電素子内を通って探針ソケット２１に接続される。
【００２８】
測定セル枠３０内には、前述した探針２２に対向して真鍮製の試料台２６に導電塗料で接着されたグラファイト等の試料基板２４が配置され、試料台２６はスライド電極を兼ねた試料押さえバネ２５によってマコール製の試料支持絶縁台２８にセットされ、この絶縁台２８の下端は直進可動部を構成するマイクロメータ先端３１に連結されている。マイクロメータ３４はマイクロメータ取り付けネジ３２およびマイクロメータ固定ネジ３３によって測定セル枠３０の下端に固定されており、詳細構成について後述する回転力伝達機構Ｔによってマイクロメータ３４を操作することで、探針２２に対して試料基板２４を粗接近できるようになっている。
【００２９】
測定セル枠３０内には試料支持絶縁台２８の周囲にスーパーインバール製のバイアス電極用円筒２３が配置されている。このバイアス電極用円筒２３の周囲にはバイアス電極絶縁円筒２９が設けられており、絶縁円筒固定ネジ２７により測定セル枠３０に固定され、また、またバイアス電極用円筒２３の上端はマコール製の電極絶縁物１９を介して測定セル枠３０内に取り付けてある。バイアス電極用円筒２３はバイアス電極接続ネジ２３Ａを介して、バイアスリード線１４に接続され、また、バイアス電極用円筒２３の円筒内面には、真鍮の試料台２６のセットバネを兼ねたスライド電極（燐青銅板）２５が接触している。
【００３０】
なお、上記測定セルＳは、円筒状のカップリング１３と、測定セル枠３０とが別部品として形成されこれらをネジ１３Ａによって連結固定したものであるが、図３（ｂ）に示すように、円筒状のカップリング１３と測定セル枠３０とを一体の円筒状部品で構成することも可能である。
この場合には、スキャナー取り付け円盤１６は円筒状に形成した段部に載置された状態でスキャナー取り付け円盤セットネジ６５によってカップリング部１３に固定される。他の構成は図３（ａ）と同様である。
【００３１】
続いて、測定セル取り付け側高圧プラグに装着する電極構造の詳細を説明すると、図４はトンネル電流用電極の構造図、図５はスキャナー、バイアス等用の電極の構造図である。
液体超高圧中に於けるＳＴＭ装置で最も重要で注意の必要な物は、トンネル電流用電極である。この顕微鏡はトンネル電流が１００〔ｐＡ〕程度までの微小電流を取り扱う為、外部からの漏れ電流の混入が少なくとも１０〔ｐＡ〕以下に抑える必要がある。従って、電極には極めて高い絶縁性が要求される。これに対して、従来の超高圧電極は耐圧性、超高絶縁性を共に満たす物はない。通常では絶縁電極の絶縁材として、パイロフェライトが使用されているが、要求される高絶縁性（電極・アース間で１０１０〔Ω〕以上）を有せず、更に、この物質は吸湿性もあり、耐久性を考慮するとＳＴＭのトンネル電流電極としては使用できない。
【００３２】
市販品のシース線は、超高絶縁抵抗を有しないため、トンネル電流用としての使用は不可能である。１００気圧以下で利用できるガラス高絶縁電極（本来は真空容器貫通用電極）があるが、それは１０００気圧以上の超高圧では、破壊され使用できない。一般に超高圧用電極として、パイロフェライトを絶縁コーンに用いた電極があるが、一般の超高圧実験用であり絶縁抵抗が小さく、極微小電流を測定する本装置では、これに対処するために以下の構成を採用している。
【００３３】
トンネル電流用電極は図４に示す構成からなる。即ち、測定セル取り付け側高圧プラグに形成した貫通孔５Ｅを通るスティール線５１は絶縁チューブ（テフロン製）５２によって測定セル取り付け側高圧プラグ５に対して電気絶縁される。さらに測定セル取り付け側高圧プラグ５の下端側において、図示のようにスティール線５１は円錐状の圧力保持ピン５３に銀蝋付け５４され、オイルシールされるとともに圧力に対して保持されている。また、圧力保持ピン５３と絶縁コーン（マコール）５６、及び絶縁コーン５６と測定セル取り付け側高圧プラグ５の間は、それぞれエポキシ樹脂接着剤５７、エポキシ樹脂接着剤５５で接着し、オイルシールするとともに固定されている。なお、絶縁コーン５６の具体的な材料としては、マコール（石原薬品株式会社製の機械加工性を有する軟質セラミックの商品名）及び類似セラミック（電子部品や食器等に用いられる硬質磁器や陶器、焼結パイロフェライトに磁器用上薬をかけて焼いたもの等）、石英、ガラス、サファイア、およびパイフェライト、磁器、酸化アルミナ等の絶縁粉末を接着剤で練りかためたもの等を使用することができる。
【００３４】
また、スキャナー、バイアス等用の電極は図５に示す構造からなる。即ち、測定セル取り付け側高圧プラグ５に形成した貫通孔５Ｄを通して使用されるスキャナー、バイアス等用の電極線は、市販品のシース線５８である。シース線の構成はジルコニウム銅芯線５９をステンレスシース６１に同軸状に酸化アルミナ６０の粉末の絶縁物で圧縮固定したものである。このステレンレスシース線５８は圧力保持ピン６２に銀蝋付けされ、圧力ピンの周囲はエポキシ樹脂接着剤により測定セル取り付け側高圧プラグ５に対して固定される。
【００３５】
次に、マイクロメータへ回転力を伝達する回転力伝達機構Ｔの構成を説明すると、図６はマイクロメータと回転結合器の結合図、図７は図６中のＡ部拡大図、図８は図７中のＢ−Ｂ矢視図およびその断面図、図９は高圧下の探針の粗接近機構を構成する回転操作部の詳細図である。
【００３６】
〔回転力伝達機構Ｔ〕
図６、７、８はマイクロメータと回転力伝達機構Ｔの結合状態を示す図である。マイクロメータ回転部３５にはマイクロメータに回転力を付与する回転力伝達機構Ｔが結合されている。この回転力伝達機構Ｔは、図７に示すように、回転伝達棒取り付け円筒３７、回転伝達棒３８、回転結合器３９を備えており、回転伝達棒取り付け円筒３７はマイクロメータ回転部３５にエポキシ樹脂接着剤３６によって固着され、そして回転伝達棒取り付け円筒３７には軸対称に少なくとも２本のスティール製の回転伝達棒３８がエポキシ樹脂接着剤３６によって固定されている。回転伝達棒３８は後述する孔３８Ａに挿入可能な充分な長さを有している。なお、回転伝達棒３８の代わりに、回転結合器３９と結合可能な突起物等、同様な機能を達成できる構成を採用することもできる。
【００３７】
また回転結合器３９は図８に示すように、前記回転伝達棒３８を挿入可能な軸対称の多数の回転伝達棒挿入孔３８Ａを有しており、また下端には回転軸４２の先端４２Ａを結合する回転軸結合ネジ４３が形成されている。回転結合器３９の回転軸結合ネジ４３には回転軸４２の先端４２Ａがネジ込まれ、回転結合器３９は回転軸４２はスプリングワッシャー４０を介して固定ネジ４１によって固定される。
【００３８】
回転軸４２は、図９に示すように回転駆動側高圧プラグ８に回転自在に軸支持されており、さらにプラグ保持ナット９を貫通してキー溝と結合キー４４を介して回転駆動部４５に結合されている。回転駆動部４５はスラストベアリング４７を介してベアリング保持ナット１０によって回転自在に保持され、また下端は回転駆動としてスパナを使用するため、正方形の断面に加工されている。最下端には回転角表示盤５０を取り付けるネジ４６が形成されている。
【００３９】
図で分かるように、上記結合の特徴は、回転伝達棒３８が回転結合器３９の多数の回転伝達棒挿入孔３８Ａに対し、その挿入長が十分に準備されて大きな自由度を有することであり、さらに回転に対する遊びを小さくするために（回転駆動部４５を回し始めてからマイクロメータ回転部３５が回りだすまでの回転遊び）、回転伝達棒３８を挿入する回転伝達棒挿入孔３８Ａを軸対象の位置に多数設け、回転伝達棒３８と回転伝達棒挿入孔３８Ａとの隙間を小さくしたことであり、更に、純粋に回転トルクのみをマイクロメータ回転部３５に伝達するために、マイクロメータに２本の回転伝達棒３８を取り付けたことである。この際、２つの回転伝達棒３８を軸対称な位置にある回転伝達棒挿入孔３８Ａにスムーズに挿入させる工夫として、挿入される棒の先端を尖らせ、かつ互いに異なった長さにして、一方の棒が先に入るようにしてある。この結合方式の特徴は、測定セルを取り付けた測定セル取り付け側高圧プラグ５を高圧容器６に挿入するだけで、回転伝達棒３８と回転結合器３９がスムーズに自動的に結合すると共に、回転駆動側からマイクロメータへの振動の伝達を軽減できる。
なお、回転伝達棒３８は２本に限らず、１本とすることもでき、また、回転伝達棒３８を回転伝達棒挿入孔３８Ａにスムーズに挿入させる工夫として、上記の他に回転結合器３９の同軸半円周上に位置する挿入孔の上端側を一方の同軸半円周上に位置する挿入孔の上端よりも低くして構成するなど、同様の機能を達成できる種々の構造を採用することもできる。
【００４０】
回転軸４２と回転駆動側高圧プラグ８のオイルシールは、Ｏリングとアーマリングのオイルシール４８でなされ、回転軸４２は挫屈を避けるため、テーパーを付けている。回転軸４２が受ける高圧オイルによる軸方向の力は、ベアリング保持ナット１０で支えられる。スラストベアリング４７は回転駆動力を小さくすると共に、回転駆動部４５の軸受けを兼ねている。それらは、回転軸４２との僅かな軸のズレによる力が生じないように、多少隙間があるキーとキー溝からなるカップリング４４を通して結合されている。この回転駆動伝達器とマイクロメータへの回転結合器３９の使用によって、高圧下に於ける粗接近の困難性を克服した。
【００４１】
以下に、上記回転力伝達機構Ｔの特徴を記す。
▲１▼ソフトな結合で、回転駆動側から測定セル側への振動伝達を軽減している。
▲２▼マイクロメータの回転部分の軸方向の大きな移動を可能にしている。
▲３▼測定セル側高圧プラグを高圧容器６内に挿入することで、回転の結合部は自動的に結合する。
▲４▼結合器に多くの穴を設けた為、回転遊びが少なく、粗接近操作時間が大きく短縮される。
【００４２】
〔測定セル側高圧プラグと電流−電圧変換器収納箱との一体化構造〕
電流−電圧変換器収納箱２（円筒形）と測定セル取り付け側高圧プラグ５をシールドパイプ３で一体化する構造を採用している。測定セル取り付け側高圧プラグ３にはオイル導入用の高圧パイプ１の他、測定・制御に必要な全ての電極を収納しているシールドパイプ３が取り付けられている。このシールドパイプ３のネジ部３Ａは図２に示すように測定セル取り付け側高圧プラグ５のシールドパイプ取り付けネジ５Ｆにネジ止め固定されており、シールドパイプ３は、測定セル取り付け側高圧プラグ５の常圧側と電流−電圧変換器収納箱２を結合させると共に、電気的シールドの役割も果たしている。上記電流−電圧変換回路収納箱２はシールドパイプ３によって測定セル取り付け側高圧プラグ５と一体的い結合されるため、外部からの振動の混入を軽減する事が出来ると共に、完全な電気シールドの効果も果たす。
【００４３】
上記構成からなる超高圧ＳＴＭの作動の説明をする。
観測の為のセット手順
マイクロメータ３４を測定セル枠３０から取り外し（図２、７参照）、測定セル枠３０に形成した探針交換窓Ｗ（図３参照）から探針２２を取り換える。次に試料基板２４を導電塗料で接着した試料台２６を試料支持絶縁台２８に押さえバネでセットした後、肉眼で探針交換窓Ｗから試料を見ながら、探針、試料間距離が約０．５ｍｍ位になるようにマイクロメータ３４を測定セル枠３０にネジ込み、マイクロメータ固定ネジ３３で固定する。セットの際、スライド電極は螺旋状にバイアス電極円筒２３内をスライドする。次に拡大鏡で探針と試料を見ながら、マイクロメータ回転部３５を手動で回し、試料、探針間距離が０．０２ｍｍ程度まで接近させる。この状態で高圧容器６に測定セル取り付け側高圧プラグ５をセットする。高圧容器６は防振台上にセットされ、電流−電圧変換器収納箱２のコネクター（全ての電極線を含む）の結合がなされ、高圧パイプ１が接続される。図示せぬ高圧ポンプで目的の観測圧力まで高圧容器内を昇圧し、断熱圧縮による高圧容器６内の昇温した液体が時間の経過で室温まで下がり、圧力も安定した後、スパナで回転駆動部４５を僅かずつ回転させる。この粗接近と圧電素子スキャナー１７による精密接近とを交互に行ってトンネル電流が流れる間隔に到達させた後、トンネル電流の観測を行う。観測終了後、液圧は常圧に下げられ、プラグ保持ナット４をはずし、プラグ取り出し専用工具で、高圧容器６から測定セル取り付け側高圧プラグを外し測定セルＳを取り出す。
【００４４】
〔実施例〕
上記構成からなる超高圧走査型トンネル顕微鏡の性能テストの結果について述べる。
性能テストとして超高圧走査型トンネル顕微鏡の性能テストとして一般に使用される高配向焼結グラファイトの観測を行った。使用した圧力媒体は粘度１０センチストークスのシリコンオイルＴＳＦ４５１−１０（東芝シリコンの商品名）である。図１０（ａ）（ｂ）はそれぞれ１０００気圧と５０００気圧の代表的な観測像である。この観測像に見られるように、グラファイトの炭素原子が、大気圧に於いて観測される走査型トンネル顕微鏡と、同等の明瞭な分解能を有することが確認された。
【００４５】
以上、本発明に係る実施形態について詳細に説明してきたが、高圧容器内のシール機構は超高圧シールが可能なシール機構であれば種々の形態のものを使用でき、また回転力伝達機構も、マイクロメータ回転部を高圧容器の外から回転できる機構のものであれば、他の形態のものを使用することが可能である。また、絶縁物質にはマコール以外に、同様の絶縁性を確保できるものであれば、他の絶縁物質を使用することも可能である。
また本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明は
１．絶縁コーンにマコール及び類似セラミック等を使用した電極を採用し、
２．高圧容器６の一方に取り付ける測定セル取り付け側高圧プラグに、マイクロメータを含む測定セルを取り付け、もう一方の回転駆動側高圧プラグに回転力伝達機構を取り付け、回転結合器を通して、マイクロメータを回転させる構造とし、
３．粗接近用のマイクロメータ回転部を回転させる回転結合器として、回転伝達棒、あるいは、それに類似した物を使用した機構を採用し、
４．測定セル取り付け側高圧プラグと電流−電圧変換器収納箱２とをシールドパイプで結合して一体化し、
５．オイルおよび液体を圧力媒体として採用して、超高圧走査型トンネル顕微鏡を構成したため、
超高圧（少なくとも１０００気圧以上１００００気圧まで）下での原子、分子レベルの観測が可能となった。そして、本超高圧ＳＴＭは、
１．圧力効果に基づく物質の構造変化の原子・分子レベルでの直接観測
２．物質の圧力応答、物質変化の原子・分子レベルでの直接観測
３．超高圧領域に於ける相転移の研究
４．材料の圧力破壊現象の原子・分子レベルでの直接観測
５．超高圧下を利用した新しい分子操作による新人工機能材料の構築
６．超高圧分子間力顕微鏡開発への応用（さらに応用範囲がひろがる）
等の多大な効果が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る測定セルが未装着状態の超高圧ＳＴＭの概略構成図である。
【図２】図１の高圧容器内に収納する測定セル取り付け側高圧プラグを含む測定セルの一部断面図である。
【図３】（ａ）測定セルの拡大図であり、（ｂ）  測定セルとカップリングを一体化した構造図である。
【図４】トンネル電流用電極の構造図である。
【図５】スキャナー、バイアス等用の電極の構造図である。
【図６】マイクロメータと回転結合器の結合図である。
【図７】図６中のＡ部拡大図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ矢視図およびその断面図である。
【図９】高圧下の探針の粗接近機構を構成する回転操作部の詳細図である。
【図１０】本発明による超高圧走査型トンネル顕微鏡で観測した高配向焼結グラファイトの像であり、（ａ）は１０００気圧、（ｂ）は５０００気圧のものである。
【符号の説明】
１      高圧パイプ
２      電流−電圧変換器収納箱
３      シールドパイプ
３Ａ    シールドパイプネジ部
４      測定セル側プラグ保持ナット
５      測定セル取り付け側高圧プラグ
５Ａ    ネジ
５Ｂ    大径部
５Ｃ    ネジ（銀蝋付け）
５Ｄ    スキャナー、バイアス用の貫通孔
５Ｅ    トンネル電流用電極の貫通孔
５Ｆ    シールドパイプ取り付けネジ
６      高圧容器
７      測定セル収納空間
８      回転駆動側高圧プラグ
９      回転駆動側プラグ保持ナット
１０      ベアリング保持ナット
１１      スキャナー、バイアス用の電極
１２      トンネル電流用電極
１３      カップリング
１３Ａ    ネジ
１３Ｂ    ネジ
１４      バイアスリード線
１４Ａ    スキャナー、バイアス等用のリード線
１５      トンネル電流用リード線
１６      スキャナー取り付け円盤
１７      圧電素子スキャナー
１８      回転止めピン
１９      電極絶縁物
２０      圧電素子・探針ソケット結合ディスク
２１      探針ソケット
２２      探針
２３      バイアス電極用円筒
２３Ａ    バイアス電極接続ネジ
２４      試料基板
２５      スライド電極（試料セット押さえバネを兼ねる）
２６      試料台
２７      絶縁円筒固定ネジ
２８      試料支持絶縁台
２９      バイアス電極絶縁円筒
３０      測定セル枠
３１      マイクロメータ先端
３２      マイクロメータ取り付けネジ
３３      マイクロメータ固定ネジ
３４      マイクロメータ
３５      マイクロメータ回転部
３６      エポキシ樹脂接着剤
３７      回転伝達棒取り付け円筒
３８      回転伝達棒
３８Ａ    回転伝達棒挿入孔
３９      回転結合器
４０      スプリングワッシャー
４１      固定ネジ
４２      回転軸
４２Ａ    回転軸の先端
４３      回転軸結合ネジ
４４      キー溝と結合キー
４５      回転駆動部
４６      回転角表示円盤取り付けネジ
４７      スラストベアリング
４８      Ｏリングとアーマリングによるオイルシール
４９      Ｏリングとアーマリングによるオイルシール
５０      回転角表示円盤
５１      スティール線
５２      絶縁チューブ
５３      圧力保持ピン
５４      銀蝋付け
５５      エポキシ樹脂接着剤
５６      絶縁コーン
５７      エポキシ樹脂接着剤
５８      シース線（市販品）
５９      ジルコニウム銅芯線
６０      酸化アルミナ
６１      ステンレスシース
６２      圧力保持ピン
６３      銀蝋付け
６４      エポキシ樹脂接着剤
６５      スキャナー取り付け円盤セットネジ
【図１】
0003595209.tif 000002
【図２】
0003595209.tif 000003
【図３】
0003595209.tif 000004
【図４】
0003595209.tif 000005
【図５】
0003595209.tif 000006
【図６】
0003595209.tif 000007
【図７】
0003595209.tif 000008
【図８】
0003595209.tif 000009
【図９】
0003595209.tif 000010
【図１０】
0003595209.tif 000011