(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の基板に結合させた分子に１分子ずつ接触可能な導電性の探針と、前記探針に電圧を印加する電源と、前記探針と前記基板との間の前記分子を通して流れるトンネル電流を計測する電流測定手段とを備える、表面の測定装置。
【請求項２】
前記探針が前記分子に対して一定の力で間欠的に接触するように制御する制御装置を設けた、請求項１に記載の表面の測定装置。
【請求項３】
前記導電性の探針は、先端が０．１〜１０ｎｍである、請求項１または２に記載の表面の測定装置。
【請求項４】
前記分子は、トンネル係数が９．８ｎｍ−１以下で、ヘテロ原子を含む有機分子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面の測定装置。
【請求項５】
前記ヘテロ原子は、硫黄原子である、請求項４に記載の表面の測定装置。
【請求項６】
前記分子は、チオール基を有する有機分子である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面の測定装置。
【請求項７】
表面における分子分布を観測するための装置であって、導電性の基板に結合させた分子に１分子ずつ接触可能な導電性の探針と、前記探針に電圧を印加する電源と、前記探針と前記基板との間の前記分子を通して流れるトンネル電流を計測する電流測定手段とを備える表面の測定装置と、
前記電流測定手段により計測した前記トンネル電流から前記分子の分布を解析するためのプログラムが記録されたコンピュータ・システムと、
前記コンピュータ・システムにおいて解析した前記分子の分布を拡大して表示させる表示装置とを備えた、顕微鏡装置。
【請求項８】
前記導電性の探針を前記分子に一定の力で間欠的に接触させて計測する、請求項７に記載の顕微鏡装置。
【請求項９】
前記導電性の探針は、先端が０．１〜１０ｎｍである、請求項７または８に記載の顕微鏡装置。
【請求項１０】
前記分子は、トンネル係数が９．８ｎｍ−１以下で、ヘテロ原子を含む有機分子である、請求項７〜９のいずれか１項に記載の顕微鏡装置。
【請求項１１】
前記ヘテロ原子は、硫黄原子である、請求項１０に記載の顕微鏡装置。
【請求項１２】
前記分子は、チオール基を有する有機分子である、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流の計測方法、表面の測定装置および顕微鏡装置に関し、より詳細には、分子に導電性の探針を接触させて、分子に流れる電流を直接計測する電流の計測方法、該計測方法により計測した電流を解析して試料表面の状態を測定する表面の測定装置および顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料の電気抵抗または電導度といった電気特性を知るためには、試料に流れる電流を計測する必要がある。従来、試料に流れる電流を計測する方法として、マクロ電極法あるいはトンネル電流を計測する方法が用いられている。マクロ電極法は、金属電極を用いて直接試料に接触させて、試料に電圧を印加し、電流計により試料に流れる電流を計測する方法である。このマクロ電極法では、センチメートル域からマイクロメートル域といった大きさの試料に流れる電流が直接計測することが可能である。
【０００３】
分子レベルといった微小な試料に対しては、試料に流れるトンネル電流が計測されている。このトンネル電流を計測し、試料の表面状態を画像化する装置として走査型トンネル顕微鏡がある。走査型トンネル顕微鏡は、先端が数十ｎｍの曲率半径を持つ金属探針を試料に数十ｎｍの距離まで近づけ、トンネル電流が一定となるように探針の高さを制御、記録して試料表面の凹凸を画像化する装置である。
【０００４】
走査型トンネル顕微鏡において分子のトンネル電流を計測する場合、一般に金属といった導電性の基板に分子を物理吸着させたものが試料として用いられている。導電性の基板と探針は、電源と接続されており、基板に物理吸着させた分子に走査型トンネル顕微鏡の探針が近づけられ、その探針に電圧が印加されることにより、トンネル電流が流れるような回路が形成されている。この回路の途中に電流測定手段を設けることにより、流れたトンネル電流を計測することができる。上記回路にトンネル電流を流すためには、分子が導電性を有するものであるか、または分子が絶縁性であってもトンネル電流が流れる程度に薄く導電性基板に付着していることが必要である。
【０００５】
しかしながら、上述したマクロ電極法により計測された電流は、多数の分子を流れる電流の平均値であり、例えば特定の１分子または数分子に流れる電流を計測することができなかった。また、金属電極と、試料との接触面積が大きいため、試料の欠陥による影響を大きく受けるなどの問題があった。
【０００６】
また、上述した走査型トンネル顕微鏡において電流を計測する場合、分子の定性的な電気特性を求めることはできるが、計測したトンネル電流には、分子と、探針との間にギャップが存在するため、分子のみのトンネル電流を定量的に計測をすることができなかった。このため、表面に異なった電気的特性を有する分子が付着している場合、形状の差異は検出できるものの、分子を通して流れる電流を直接用いて表面の情報を得ることができなかった。さらに、絶縁性の分子のトンネル電流を計測する場合、吸着状態によっては導電性基板と、絶縁性の分子との電気的接合がうまくとれないといった問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、上述した問題点に鑑み、導電性の基板に分子を結合させることによって電気的接合をとることができ、また分子に導電性の探針を接触させて、探針に電圧を印加し、分子を通して流れる電流を計測することで１分子または数分子に流れる電流を計測することができる電流の計測方法、該電流の計測方法を用いた表面の測定装置および該電流の計測方法を用いた顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、本発明の電流の計測方法、表面の測定装置および顕微鏡装置を提供することによって解決される。
【０００９】
本発明の請求項１の発明によれば、導電性の基板に結合させた分子に導電性の探針を接触させる段階と、前記探針に電圧を印加して前記探針と前記基板との間に電流を流す段階と、前記電流を計測する段階とを含む電流の計測方法が提供される。
【００１０】
本発明の請求項２の発明によれば、前記導電性の探針を上記分子に一定の力で間欠的に接触させて計測する電流の計測方法が提供される。
【００１１】
本発明の請求項３の発明によれば、前記導電性の探針は、先端が０．１〜１０ｎｍである電流の計測方法が提供される。
【００１２】
本発明の請求項４の発明によれば、前記分子は、トンネル係数が９．８ｎｍ−１以下で、ヘテロ原子を含む有機分子である電流の計測方法が提供される。
【００１３】
本発明の請求項５の発明によれば、前記ヘテロ原子は、硫黄原子である電流の計測方法が提供される。
【００１４】
本発明の請求項６の発明によれば、前記分子は、チオール基を有する有機分子である電流の計測方法が提供される。
【００１５】
本発明の請求項７の発明によれば、導電性の基板に結合させた分子に接触可能な導電性の探針と、前記探針に電圧を印加する電源と、前記探針と前記基板との間に流れる電流を計測する電流測定手段とを備える表面の測定装置が提供される。
【００１６】
本発明の請求項８の発明によれば、前記探針が前記分子に対して一定の力で間欠的に接触するように制御する制御装置を設けた表面の測定装置が提供される。
【００１７】
本発明の請求項９の発明によれば、前記導電性の探針は、先端が０．１〜１０ｎｍである表面の測定装置が提供される。
【００１８】
本発明の請求項１０の発明によれば、前記分子は、トンネル係数が９．８ｎｍ−１以下で、ヘテロ原子を含む有機分子である表面の測定装置が提供される。
【００１９】
本発明の請求項１１の発明によれば、前記ヘテロ原子は、硫黄原子である表面の測定装置が提供される。
【００２０】
本発明の請求項１２の発明によれば、前記分子は、チオール基を有する有機分子である表面の測定装置が提供される。
【００２１】
本発明の請求項１３の発明によれば、表面における分子分布を観測するための装置であって、導電性の基板に結合させた分子に接触可能な導電性の探針と、前記探針に電圧を印加する電源と、前記探針と前記基板との間に流れる電流を計測する電流測定手段とを備える表面の測定装置と、
前記電流測定手段により計測した電流から前記分子の分布を解析するためのプログラムが記録されたコンピュータ・システムと、
前記コンピュータ・システムにおいて解析した前記分子の分布を拡大して表示させる表示装置とを備えた顕微鏡装置が提供される。
【００２２】
本発明の請求項１４の発明によれば、前記導電性の探針を前記分子に一定の力で間欠的に接触させて計測する顕微鏡装置が提供される。
【００２３】
本発明の請求項１５の発明によれば、前記導電性の探針は、先端が０．１〜１０ｎｍである顕微鏡装置が提供される。
【００２４】
本発明の請求項１６の発明によれば、前記分子は、トンネル係数が９．８ｎｍ−１以下で、ヘテロ原子を含む有機分子である顕微鏡装置が提供される。
【００２５】
本発明の請求項１７の発明によれば、前記ヘテロ原子は、硫黄原子である顕微鏡装置が提供される。
【００２６】
本発明の請求項１８の発明によれば、前記分子は、チオール基を有する有機分子である顕微鏡装置が提供される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明するが、本発明は後述する実施の形態に限定されるわけではない。本発明の電流の計測方法について図１を用いて説明する。図１は、基板１上の分子２に探針３を接触させて、分子２を流れる電流を電流測定手段で計測しているところを示した図である。図１に示す実施の形態では、基板１は、導電性を有し、分子２といった微小試料を流れる電流を計測するために、例えば原子レベルで平坦な表面を有することが好ましい。本発明に用いる基板１は、導電性を有し、原子レベルで平坦な表面を有する金、銀、銅といった金属のほか、分子２を通して流れる電流を計測できる程度に平坦な表面を有するものであればいかなるものでも使用することができる。また、絶縁性の基板に金属といった導電性物質を蒸着といった方法によってメッキして導電性を有するようになされていても良い。
【００２８】
また、図１に示す分子２は、基板１と分子２との電気的接合を良好にするために基板１上に例えば、共有結合、イオン結合または配位結合などの化学結合により結合されているのが好ましい。また、可能である場合には、分子２は基板１に対して物理吸着により結合されていても良い。分子２を結合させる方法としては、例えば分子２を溶解した有機溶媒に基板１を浸漬することにより行うことができる。また、分子２を基板１に結合させるためには、加熱するなど従来知られたいかなる方法でも用いることができる。本発明に用いられる分子２としては、無機分子または有機分子を挙げることができるが、特に窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）といったヘテロ原子を含む有機分子が好ましい。また、金属基板と良好に化学結合するヘテロ原子として硫黄を含む有機分子が挙げられる。さらに、硫黄を含む有機分子の中でも、チオール基を有する有機分子が好ましい。チオール基を含む化合物としては、具体的にヘキサンチオール、ヘプタンチオール、オクタンチオール、ノナンチオール、デカンチオール、ドデカンチオールといったアルカンチオールが挙げられる。
【００２９】
図１に示す導電性の探針３と、電源４とは、導線５ａにより接続され、基板１は、電流測定手段６を介して導線５ｂで電源４と接続されている。図１に示す実施の形態では、探針３を分子２に接触させることで、閉回路が形成され、電源４から分子２を通して電流が流れ、図１中Ａで示される電流測定手段６により分子２に流れる電流が計測されるようになっている。電源４から供給された電流は、導線５ｂを通して導電性の基板１へ供給される。導電性の基板１からは、分子２に接触した導電性の探針３へ向けてトンネル電流が分子２を通して流される。流れたトンネル電流は、探針３を通して導線５ａにより電流測定手段６により検出される。本発明においては、分子２を通してトンネル電流が流れる程度に薄く分子２を基板１に結合させる必要がある。また、図１に示す基板１を移動させることによって基板１上の個別あるいは数個の特定の分子２に流れる電流を計測することができ、表面における分子分布を直接測定することが可能となる。
【００３０】
また、本発明においては、分子２を通して電流が流れ、また電流測定手段６により流れた電流が計測できるのであれば、図１に示すような閉回路としなくても良い。さらに、分子２を通して流れる電流は、トンネル電流といった微小電流であるため、ピコアンペア域まで計測できる電流測定手段６を用いる必要がある。また、本発明に用いる電源４はバイアス電圧を供給でき、電圧を制御できるものであれば、いかなる電源装置でも用いることができる。
【００３１】
図２には、本発明の表面の測定装置の断面図を示す。図２に示す実施の形態では、容器７は、容器７ａと蓋７ｂの２つに分離できるように構成されており、容器７ａには、基板１を挿入して設置するための試料入口８と、試料入口８を閉めるための蓋９と、図示しない電流測定手段と接続するための導線５ｂを通すノズル１０と、容器７ａ内を窒素雰囲気とするため、矢線Ｂの方向から窒素ガスを供給するノズル１１とが備えられている。また、蓋７ｂには、レーザ照射装置としてレーザ・ダイオード１２と、レーザ光の変位を電圧に変換するための変換装置として変換器１３とが設けられている。レーザ・ダイオード１２で発生させた破線に示すレーザ光は、ビーム・セパレータ１４で分波され、分波した一方のレーザ光は、図示しないＣＣＤへ入射させるため、蓋７ｂの上部に形成された窓１５を通して容器７の外部へと導出されている。
【００３２】
また、本発明に用いる容器７としては、いかなる材質のものでも用いることができる。さらに、容器７ａ内に封入した窒素ガスが漏れないように保てるものであれば、容器７ａにする蓋９は、今まで知られたいかなる構造とすることができる。また、容器７ａ内に封入する窒素ガスは、窒素ボンベなどを配管を使用して容器７ａと連通させて供給することができる。この際、容器７ａ内を排気するために図示しない排気ポンプが用いられ、排気ポンプにより排気した後に窒素ガスを導入することができる。
【００３３】
図２に示す容器７ａ内には、分子２を結合した基板１がピエゾ・アクチュエータ１６を含んで構成された台１７上に配置されている。ピエゾ・アクチュエータ１６には、矢線Ｃの方向より電圧が入力されて圧電効果により台１７を移動可能に保持させて、容器７ａの上部に固定した探針３との接触する力や接触する位置を変えることができるようになっている。本発明においては、ピエゾ・アクチュエータ１６のほか、探針３との接触する力や接触する位置を変えることができれば、今まで知られているいかなる手段を用いても良い。また、本発明においては、台１７を移動させる手段以外に、探針３を先端に有するカンチレバー１８を直接運動させて分子２に接触する力や接触する位置を変えても良い。
【００３４】
また、図２に示す基板１は、電源４と導線５ａにより接続されている。さらに、分子２と接触可能な探針３を先端に有するカンチレバー１８が容器７ａの上部に固定部材１９によって配設され、カンチレバー１８は、導線５ｂにより容器７ａのノズル１０を通して図示しない電流測定手段に接続されている。本発明に用いる台１７および固定部材１９には、電源４から基板１、探針３およびカンチレバー１８を通して矢線Ｄに示す方向の図示しない電流測定手段へ流すために、絶縁性の材質から構成される。また、本発明に用いるカンチレバー１８は、導電性のもの以外に、絶縁性のものに金属といった導電性物質をメッキして導電性を有するようになされていても良い。
【００３５】
また、図２に示す実施の形態では、図２に示す容器７の蓋７ｂ内には、レーザ・ダイオード１２で発生させたレーザ光を集中させるためのレンズ２０と、レーザ光をカンチレバー１８の先端部およびＣＣＤ２１へと分波させるビーム・セパレータ１４と、カンチレバー１８の先端部において反射したレーザ光を変位検知装置として用いる変位検波器２２へ向けて反射させる反射板２３と、反射板２３で反射したレーザ光の搬送波の変位を検出する変位検波器２２とが設けられている。変位検波器２２で検出したレーザ光は、変位検波器２２で検出した変位を変換器１３により電圧に変換する。変換された電圧は、矢線Ｅに示す方向の図示しない増幅装置へと出力される。また、ＣＣＤ２１は、カンチレバー１８の先端のＸ軸あるいはＹ軸方向の位置を目視できるように設けられている。
【００３６】
図２に示す実施の形態においては、フィードバック制御は、カンチレバー１８に反射したレーザ光の変位を変位検波器２２で検知し、変位に応じて変換器１３により電圧に変換される。基板１の位置移動したことによってレーザ光の光路長が変化し、光路長の変化に応じた変位を変換器１３により電圧へと変換し、ピエゾ・アクチュエータ１６の駆動制御を行うことで、分子２と探針３とが接触する力が一定となるようにフィードバック制御が行われている。
【００３７】
図２に示すフィードバック制御に用いるレーザ・ダイオード１２、レンズ２０、ビーム・セパレータ１４、ＣＣＤ２１、反射板２３および変位検波器２２には、本発明の表面の測定装置で計測に必要とされるカンチレバー１８にレーザ光を適切に照射することができ、反射したレーザ光の変位を適切に検知できるものであればいかなるものでも用いることができる。
【００３８】
図３は、本発明の表面の測定装置に用いられるカンチレバー１８の先端に設けられた探針３を拡大した図である。図３（ａ）は、本発明の表面の測定装置に用いるカンチレバー１８を分子２に接触させている図を示す。図３（ａ）に示す実施の形態においては、カンチレバー１８は、シリコンといった絶縁性のカンチレバーの基体に金といった導電性の金属を表面全体にメッキすることによって電流が流れるようにされている。図３（ｂ）は、本発明の表面の測定装置に用いるカンチレバー１８の先端に設けられた探針３を拡大して示した図である。図３（ｂ）に示す実施の形態においては、探針３は、カンチレバー１８と同様、絶縁性の基体に金属がメッキされているものが用いられている。また、探針３の先端は、先が鋭く尖った形をしており、分子２を１分子ずつ接触可能なように０．１〜１０ｎｍであることが好ましい。本発明の表面の測定装置に用いる探針３は、分子２を１分子ずつ接触できる構造であれば、いかなる形状をしていても良い。
【００３９】
図４は、本発明の顕微鏡装置で分子２の分布を測定するために用いる装置のブロックダイヤグラムである。本発明においては、測定を行うためにまず、分子２を結合させた基板１をピエゾ・アクチュエータ１６を有する台１７の上に配置する。この基板１をバイアス電圧が流れる電源４と導線５ａを介して接続する。また、探針３を先端に有するカンチレバー１８は、電流増幅器２４を介して電流測定手段６と接続され、さらにコンピュータ・システム２５へと電流を入力させている。
【００４０】
次に、コンピュータ・システム２５は、分子２に探針３を接触する力または接触させて基板１を移動する方向を制御するとともに、分子２に探針３を接触させてバイアス電圧を印加する。電流は、電源４から、基板１および分子２を通して流れ、カンチレバー１８を通して電流増幅器２４へ入力される。電流増幅器２４では、分子２を通して流れる電流がナノ域といったように微量であるため、基板１の移動に伴う電流をオペアンプといった増幅手段を用いて増幅している。電流増幅器２４を通して流れる電流は、電流測定手段６において分子２を通して流れたトンネル電流に対応している。また、計測した電流は、コンピュータ・システム２５へと出力され、トンネル電流に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置をマッピングすることにより、電流像を画像化し、さらに表示装置により電流像を拡大して表示させることができる。表示された電流像は、表面の分子の分布を詳細に示すものとして用いることができる。
【００４１】
また、図４のブロックダイヤグラムに示す実施の形態においては、探針３を分子２に一定の力で制御させるために、フィードバック制御が用いられていて、このフィードバック制御は、レーザ・ダイオード１２で発生させたレーザー光をカンチレバー１８の先端部に搬送させ、反射したレーザー光の変位を変位検波器２２で検出し、変換器１３で検出した変位を電圧に変換することにより行われる。変換された電圧は、差動増幅器２６で増幅された後、電圧信号として図４中の枠で囲まれた増幅装置へと送られる。
【００４２】
図４には、増幅装置を枠で囲って示している。図４に示した増幅装置は、前置増幅器２７、絶対値増幅器２８、対数増幅器２９、参照信号発生器３０および積分増幅器３１から構成されている。差動増幅器２６で増幅された電圧信号は、ノイズを低下させ、さらに増幅を行う前置増幅器２７へ出力される。また、絶対値増幅器２８および対数増幅器２９で増幅を重ねることによって変形した電圧信号は、積分増幅器３１へと入力され、参照信号発生器３０からの信号を用いて整形されるとともに増幅が行われる。積分増幅器３１で積分された電圧信号は、高速電圧増幅器３２へ出力され、探針３の分子２にかかる力が一定となるように、台１７をＺ軸方向へ移動させる電圧信号をピエゾ・アクチュエータ１６に与える。さらに、高速電圧増幅器３２の信号は、コンピュータ・システム２５に入力されて、分子２に加えられている探針３の力と、表面状態とを解析することができるようになっている。また、コンピュータ・システム２５に、Ｘ軸またはＹ軸方向へ移動させるように入力することによって、コンピュータ・システム２５からの信号が高速電圧増幅器３２に入力され、高速電圧増幅器３２から電圧が出力されてピエゾ・アクチュエータ１６により台１７をＸ軸またはＹ軸方向へと移動させることができる。
【００４３】
本発明の顕微鏡装置に用いられる上述した各増幅器には、微小電圧を検出して増幅できるものであれば、従来知られているいかなる増幅器でも用いることができる。また、これらの増幅器およびレーザ・ダイオード１２を用いる方法以外に、フィードバック制御できるのであればいかなる手段でも用いることができる。
【００４４】
また、図４に示すブロック図内のコンピュータ・システム２５には、得られた電流の大小で凹凸を解析して電流像を表示させ、またフィードバック制御系から得た電圧信号により分子２の分布を解析して分子の分布、ピンホールなどといった分子表面像を表示させることができる解析プログラムが記録されている。この解析プログラムには、計測した電流から電流分布を画像化した電流像に変換させるための電流解析機能、電圧信号から分子分布を測定するための表面形状測定機能のほか、カラー等高線機能、三次元表示機能、拡大機能、フィルタリング機能および任意回転機能を有するものであればいかなるプログラムであっても用いることができる。
【００４５】
また、本発明に用いるコンピュータ・システム２５においては、電流測定手段６からの電流値あるいは電圧信号を記録し、上記プログラムを記録および再生して使用することができるものであれば、いかなるものでも用いることができる。また、表示装置としては、モニターやスクリーンといった画像を拡大して表示できるものを用いることができる。コンピュータ・システム２５にパーソナル・コンピュータを用いれば、１台で分子２の分布を解析し、解析した分子分布をモニターにおいて拡大して表示させることができる。
【００４６】
以下に本発明の顕微鏡装置についてより詳細に説明する。本発明の顕微鏡装置は、図２に示す表面状態の測定装置と、図４に示す各増幅器およびコンピュータ・システム２５と、表示装置とから構成されている。図５は、本発明の顕微鏡装置の探針３部分を拡大して示した図である。図５に示す実施の形態においては、基板１は、平坦なマイカに金を真空蒸着させて原子レベルで平坦としたものを用いている。また、分子２としては、ヘキサンチオール、オクタンチオール、デカンチール、ドデカンチオールの４種類をそれぞれ基板１に化学結合させた４種類の基板１を用いた。ここで分子２を基板１に化学結合させる方法としては、クロロホルムに分子２を溶解させておき、金を蒸着させた基板１をクロロホルムに１〜２時間浸漬させ、クロロホルムを蒸発させることにより行った。分子２を溶解させる有機溶媒としては、クロロホルムのほか、炭化水素系溶剤、アルコール類、エステル系溶剤、エーテル・アセタール系溶剤、ケトン・アルデヒド溶剤、多価アルコール類、その他含窒素化合物溶剤、含硫黄化合物溶剤などを挙げることができる。
【００４７】
また、ヘキサンチオール、オクタンチオール、デカンチール、ドデカンチオール分子をそれぞれ化学結合させた基板１は、導線５ｂを通して電源４から電圧が印加されている。また、本発明の図５に示した実施の形態においては、電源４としては、乾電池を用いた。印加電圧は、１００ｍＶとされていて、探針３に印加され、矢線ｉの方向へ向けて分子を通して電流を流す構成とされている。さらに、図５に示した実施の形態では、カンチレバー１８としては、Ｓｉ３Ｎ４に金３３を真空蒸着させたものを用いた。基板１に化学結合させた分子長ｒは、分子２にオクタンチオールを用いた場合では、約１０ｎｍである。また、オクタンチオール分子に接触させて分子分布を詳細に探査するため、先端を１〜５ｎｍまで尖鋭化させた探針３を用いた。
【００４８】
また、図５に示すように顕微鏡装置として試料表面を測定するためには、その他増幅装置３４、コンピュータ・システム２５および表示装置３５を用いて分子分布を拡大して表示させることにより試料表面を測定できるようになっている。図５に示す他増幅装置３４、コンピュータ・システム２５および表示装置３５、さらには図示しないレーザ照射装置、変位検波装置、ピエゾ・アクチュエータ、電流測定手段といった装置なども用いられるが、上述した実施の形態で使用可能なものであればいかなるものでも用いることができる。
【００４９】
図６は、上述した条件で、本発明の顕微鏡装置を用いて観測したオクタンチオール分子の表面像と、計測した電流分布を表示した電流像とを示した図である。ここで、図２に示す基板１が配置されている容器７ａは、窒素ガスで置換されており、窒素雰囲気中で分子２に電流を流すことができるようになっている。図６（ａ）は、オクタンチオール分子に本発明の顕微鏡の探針３を接触させて１００ｍＶを印加し、オクタンチオール分子にレーザ光を照射させて変位をコンピュータ・システム２５に入力して、基板１の表面像を表示させた図である。また、図６（ｂ）は、オクタンチオール分子に本発明の顕微鏡装置の探針３を接触させて１００ｍＶを印加し、計測した電流をコンピュータ・システム２５に入力して、電流分布を表示させた電流像を示した図である。図６（ｂ）に示すように、電流像においては、数ｎｍといった微小な穴まで鮮明に確認することができることが示される。
【００５０】
図７は、上述した４種類の基板１を作成するために用いたアルカンチオールのＣＨ２鎖数とこのアルカンチオール分子を通して流れる電流の対数値との関係を示した図である。本発明の顕微鏡装置を用いて上記したヘキサンチオール（ＣＨ２の鎖数６）、オクタンチオール（ＣＨ２の鎖数８）、デカンチール（ＣＨ２の鎖数１０）、ドデカンチオール（ＣＨ２の鎖数１２）の各分子をそれぞれ図５に示す基板１に化学結合させて各分子に電源４から−１００〜１００ｍＶの印加電圧を加えた場合に、各分子に流れる電流を示した図である。−１００ｍＶの印加電圧とは、１００ｍＶの印加電圧を図５に示す矢線ｉの方向に加えていることを示し、１００ｍＶの印加電圧とは、矢線ｉとは逆の方向に１００ｍＶの印加電圧を加えていることを示す。図７の縦軸には、分子を通して流れる電流（Ａ）の対数値を示し、横軸には、アルカンチオールのＣＨ２の鎖数を示している。
【００５１】
図７によれば、ＣＨ２の鎖数が長くなる程、図５に示す基板１と探針３との距離が長くなるために分子２を通して流れるトンネル電流が減少しているのが示されている。また、分子を通して流れる電流（Ａ）の対数値とＣＨ２の鎖数との間には、トンネル電流について下記式（１）
【００５２】
【数１】
0003551308.tif 000002
【００５３】
で示されることが見出された。式（１）中βは、トンネル係数であり、トンネリングにより電子が通過するポテンシャル障壁に依存する。また、ｒは、トンネリングにより電子が移動する実効長（ｎｍ）を示す。また、図７に示すプロットから、チオール基を有する化合物に対するトンネル係数βは、９．８ｎｍ−１となった。従って、本発明の顕微鏡装置は、分子２を通して流れる電流がＣＨ２の鎖数に依存するとともに、図６（ｂ）に示す電流像では、数ｎｍといった微小な穴を鮮明に確認できることなどからも、本発明の顕微鏡装置においては、分子２を通して流れるトンネル電流を直接計測しているものと推測される。
【００５４】
【発明の効果】
従って、本発明の電流の計測方法、表面の測定装置および顕微鏡装置を提供することにより、導電性の基板に分子を結合させることによって電気的接合をとることができ、また分子に導電性の探針を接触させて、探針に電圧を印加し、分子を通して流れる電流を計測することで１分子または数分子に流れる電流を直接計測することができる。
【００５５】
また、電流を直接計測することが可能なため、分子の種類に応じて電気抵抗といった電導効率を比較することが可能となった。さらに、本発明の顕微鏡装置を用いて導電性の探針を２次元表面で操作することにより、分子を通して流れるトンネル電流と、分子分布との両方を観測することを可能にした。
【００５６】
本発明の電流の計測方法および表面の測定装置は、電気計測器や化学計測器といった計測装置に応用が可能である。すなわち、本発明は、本発明の電流の計測方法、表面の測定装置および顕微鏡装置を提供することにより、表面の分子の分布に関する状態を明確に与えることを可能にし、電子、電気、半導体、分析触媒、分離、化学、記憶、記録の各分野に対して多大な応用性を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】分子を通して流れる電流を本発明の電流の計測方法で計測しているところを示した図。
【図２】本発明の表面の測定装置の断面図。
【図３】本発明の表面の測定装置の探針を拡大した図。
【図４】本発明の顕微鏡装置のブロックダイヤグラムを示した図。
【図５】本発明の顕微鏡装置の探針部分を拡大して示した図。
【図６】オクタンチオール分子を用いて本発明の顕微鏡装置で観測した表面像と、電流像とを示した図。
【図７】アルカンチオールのＣＨ２鎖数と、アルカンチオール分子を通して流れる電流の対数値との関係を示した図。
【符号の説明】
１…基板
２…分子
３…探針
４…電源
５ａ、５ｂ…導線
６…電流測定手段
７、７ａ…容器
７ｂ…蓋
８…試料入口
９…蓋
１０…ノズル
１１…ノズル
１２…レーザ・ダイオード
１３…変換器
１４…ビーム・セパレータ
１５…窓
１６…ピエゾ・アクチュエータ
１７…台
１８…カンチレバー
１９…固定部材
２０…レンズ
２１…ＣＣＤ
２２…変位検波器
２３…反射板
２４…電流増幅器
２５…コンピュータ・システム
２６…差動増幅器
２７…前置増幅器
２８…絶対値増幅器
２９…対数増幅器
３０…参照信号発生器
３１…積分増幅器
３２…高速電圧増幅器
３３…金
３４…増幅装置
３５…表示装置
Ａ…電流計
ｒ…分子長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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