(57)【要約】  【課題】  たとえ基板が絶縁性であっても、基板表面又は該基板表面の面上の原子を操作することができる原子操作方法などを提供する。  【解決手段】  Ｓｎ原子６０ａの上方に探針３２の先端を移動させ（図３（ｄ））。探針３２に所定の原子間力が作用するまで基板５１に近づけ（図３（ｅ））、探針３２に所定の原子間力が作用した状態を維持しながら、Ｇｅ原子７０ａに対応する位置まで、探針３２を主走査方向（横方向）に移動させる（図３（ｆ））。そして、探針３２に作用する原子間力が弱くなるように、探針３２を基板５１から遠ざける（図３（ｇ））。図３（ｄ）〜図３（ｇ）の処理を繰り返し、探針３２に所定の原子間力が作用した状態で、探針３２を横方向に移動するとき（図３（ｅ）→図３（ｆ））に、探針３２の先端とＳｎ原子６０ａ及びＧｅ原子７０ａとの間に作用した原子間力によって、Ｓｎ原子６０ａとＧｅ原子７０ａとの位置が交換される。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子間力が作用する探針を用いて、基板表面の原子又は基板表面の面上の原子を操作する原子操作方法であって、
所定の原子間力が作用した状態で前記探針を走査させて、前記基板表面の原子又は前記基板表面の面上の原子を操作すること
を特徴とする原子操作方法。
【請求項２】
前記探針を、所定の原子間力が作用した状態で前記基板表面の隣り合う２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査させて、前記２つの原子の位置を交換すること
を特徴とする請求項１に記載の原子操作方法。
【請求項３】
前記所定の原子間力が作用した状態で前記２つの原子のうちの一方の原子の対応位置から他方の原子の対応位置への前記探針の走査と、
前記所定の原子間力より弱い原子間力が作用した状態で前記他方の原子の対応位置から前記一方の原子の対応位置への前記探針の走査とを繰り返すこと
を特徴とする請求項２に記載の原子操作方法。
【請求項４】
前記探針を、所定の原子間力が作用した状態で前記基板表面と略平行な方向に走査させて、前記基板表面の原子を前記基板表面から抜き出すこと
を特徴とする請求項１に記載の原子操作方法。
【請求項５】
前記探針を、所定の原子間力が作用した状態で前記基板表面と略平行な方向に走査させて、前記基板表面の面上の原子の位置を移動すること
を特徴とする請求項１に記載の原子操作方法。
【請求項６】
前記探針と操作対象の原子との間に作用する原子間力を測定しながら前記原子を操作すること
を特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の原子操作方法。
【請求項７】
前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整すること
を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の原子操作方法。
【請求項８】
前記探針と前記基板表面との間に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整すること
を特徴とする請求項７に記載の原子操作方法。
【請求項９】
前記探針又は前記基板表面に光を照射して近接場光を生じさせ、前記探針と前記基板表面との近接場相互作用に基づく散乱光を検出し、検出した散乱光に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整すること
を特徴とする請求項７に記載の原子操作方法。
【請求項１０】
前記探針と前記基板表面との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整すること
を特徴とする請求項７に記載の原子操作方法。
【請求項１１】
原子間力が作用する探針を備え、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を交換する原子操作装置であって、
前記探針に作用する原子間力が所定範囲であるか否かを判定する判定部と、
該判定部にて前記原子間力が所定範囲であると判定された場合に、前記探針を、前記原子間力が作用した状態で前記２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査する走査部と
を備えることを特徴とする原子操作装置。
【請求項１２】
原子間力が作用する探針を備え、基板表面又は該基板表面の面上の原子の位置を操作する原子操作装置であって、
前記探針に作用する原子間力が所定範囲であるか否かを判定する判定部と、
該判定部にて前記原子間力が所定範囲であると判定された場合に、前記探針を、前記原子間力が作用した状態で前記基板表面と略平行な方向に走査する走査部と
を備えることを特徴とする原子操作装置。
【請求項１３】
前記判定部にて前記原子間力が所定範囲でないと判定された場合に、探針と前記基板表面との離隔長を変更する手段をさらに備えること
を特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の原子操作装置。
【請求項１４】
原子間力が作用する探針を備え、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を交換する原子操作装置であって、
前記探針と前記基板表面との距離を制御する制御部と、
前記距離が所定範囲であるか否かを判定する判定部と、
該判定部にて前記距離が所定範囲であると判定された場合に、前記探針を、前記距離に基づく原子間力が作用した状態で前記２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査する走査部と
を備えることを特徴とする原子操作装置。
【請求項１５】
前記探針と前記基板表面との間に流れる電流を検出する検出部を備え、
前記制御部は、前記検出部にて検出された電流に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御するようにしてあること
を特徴とする請求項１４に記載の原子操作装置。
【請求項１６】
前記探針又は前記基板表面に光を照射して近接場光を生じさせる照射部と、
前記探針と前記基板表面との近接場相互作用に基づく散乱光を検出する検出部とを備え、
前記制御部は、前記検出部にて検出された散乱光に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御するようにしてあること
を特徴とする請求項１４に記載の原子操作装置。
【請求項１７】
前記探針と前記基板表面との間の静電容量を検出する検出部を備え、
前記制御部は、前記検出部にて検出された静電容量に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御するようにしてあること
を特徴とする請求項１４に記載の原子操作装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１つに記載の原子操作方法で原子を操作して、原子サイズの識別体を基板表面に形成することを特徴とする識別体形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子操作方法、原子操作装置、及び識別体形成方法に関し、より具体的には、物質に作用する力を検出する力検出部、例えば、原子間力が作用する探針を備える原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）を用い、探針と原子との間に作用する原子間力を利用して、基板表面又は基板表面上の原子を操作することができる原子操作方法及び原子操作装置、並びに、該原子操作方法で原子を操作して、原子サイズの識別体を基板表面に形成することができる識別体形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した単一電子トランジスタ及び単一電子メモリなどのナノスケールの微小デバイス（ナノデバイス）が提案されている。このようなナノデバイスを製造する方法としては、従来、フォトリソグラフィ技術などを用いて、半導体基板（例えば、Ｓｉ，ＧａＡｓなど）から小さな構造のデバイスを製造するというトップダウン的アプローチによって行われてきた。しかし、トップダウン的アプローチは、微細化に限界があると考えられ、原子１つ１つからデバイスを製造するボトムアップ的アプローチの開発が要望されている。
【０００３】
ボトムアップ的アプローチの１つとして、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope）を用い、鋭利に研磨した電極針を非常に微細な隙間を残して被加工物体の表面に接近させ、電極針と被加工物体との間に電圧を印加したときにそれらの間に流れるトンネル電流によって被加工物体の微細加工を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、ＡＦＭを用い、探針を試料に対して垂直方向に移動し、探針先端の原子を試料の原子に「あてる」ことで、試料の原子を引き抜く方法が提案されている（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平６−２１５７２２号公報
【非特許文献１】アイグラー（D.M.Eigler）、他１名著,「走査型トンネル顕微鏡を用いた原子操作（Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope）」,ネイチャー（Nature）,1990年発行,344巻，p524-526）
【非特許文献２】第５０回物理関係連合講演会、講演予稿集（２００３．０３）
【非特許文献３】第５１回物理関係連合講演会、講演予稿集（２００４．０３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＳＴＭを用いた微細加工方法は、トンネル電流を電極針と被加工物体との間に印加する必要があることから、例えば、導電性基板に吸着しているＸｅ原子及びＣＯ分子など、導電性基板上の原子（分子を含む）を操作することはできるが、原理上、絶縁性基板上での原子の操作は極めて困難である。また、原子を操作するためには、極低温（例えば４Ｋ）の環境が必要であり、工業用途として種々の分野で利用されるまでには至っていない。
【０００６】
例えば、非特許文献１に開示されている技術では、ＣｕやＮｉ基板上のＸｅやＣＯなどの原子を操作することができるが、Ｘｅ原子やＣＯ原子は基板上に存在しているが、基板原子との吸着力は小さく、室温（３００Ｋ）では熱エネルギーによって拡散し、位置が移動してしまうことから、これらの原子を操作するには、極低温の環境下、つまり熱エネルギーが小さい状態にする必要があった。このように、従来の技術では、原子操作を行うための環境が制限され、かつ対象となる原子についても制限があることから、将来実用性があるとは考え難い。
【０００７】
また、非特許文献２及び非特許文献３に開示されている技術では、探針を試料に対して垂直方向に移動することから試料の原子を引き抜くことはできるが、試料上の２つの原子の位置を交換することは不可能である。したがって、物質の原子配置が変化した場合の物性を研究するには、引き抜いた原子を別の位置に配置する必要があるが、引き抜いた原子を所望の位置に配置する技術はまだ実現されていないのが実情である。
【０００８】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、原子間力が作用する探針を用いて、所定の原子間力が作用した状態で探針を走査させることにより、基板表面の原子又は基板表面の面上の原子を操作することができる原子操作方法及び原子操作装置の提供を目的とする。
【０００９】
また本発明は、例えば探針に作用する原子間力を測定（算出）しながら、所定の原子間力が作用した状態で、探針を基板表面の隣り合う２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査させることにより、たとえ基板が絶縁性であっても、２つの原子の位置を交換することができる原子操作方法及び原子操作装置の提供を目的とする。
【００１０】
また本発明は、例えば探針に作用する原子間力を測定（算出）しながら、所定の原子間力が作用した状態で、探針を基板表面と略平行な方向に走査させることにより、たとえ基板が絶縁性であっても、原子を基板表面から抜き出すことができる原子操作方法及び原子操作装置の提供を目的とする。
【００１１】
また本発明は、例えば探針に作用する原子間力を測定（算出）しながら、所定の原子間力が作用した状態で、探針を基板表面と略平行な方向に走査させることにより、たとえ基板が絶縁性であっても、基板表面の面上の原子の位置を移動することができる原子操作方法及び原子操作装置の提供を目的とする。
【００１２】
また本発明は、原子間力が作用する探針を用いて、探針の基板表面からの距離を制御して、その距離に基づいた原子間力が作用した状態で、基板表面と略平行な方向に走査させることにより、原子間力を直接的に検出することなく、極めて簡単かつ高精度で原子の位置を操作することができる原子操作方法及び原子操作装置の提供を目的とする。
【００１３】
さらに本発明は、上述した原子操作方法で原子を操作して、原子サイズの文字及びマークなどの識別体を基板表面に形成することができる識別体形成方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１発明に係る原子操作方法は、原子間力が作用する探針を用いて、基板表面の原子又は基板表面の面上の原子を操作する原子操作方法であって、所定の原子間力が作用した状態で前記探針を走査させて、前記基板表面の原子又は前記基板表面の面上の原子を操作することを特徴とする。
【００１５】
本発明にあっては、所定の原子間力が作用した状態で探針を走査させる。探針の走査によって、探針の先端と基板表面の原子又は基板表面の面上の原子との間に作用した原子間力によって、基板表面の原子又は基板表面の面上の原子の位置を操作することができる。ここで、原子間力とは、探針と基板表面の原子又は基板表面の面上の原子との間に作用するすべての力、具体的には、化学的な結合力、ファン・デル・ワールス力、共有結合力、イオン結合力、金属結合力、静電気力、磁気力、交換力などを示す。探針を原子に接触することなく、探針と原子との間に作用する原子間力によって原子を操作することができる。また、従来の原子操作方法では、電極針と被加工物体との間に流れるトンネル電流を測定する必要があるので絶縁体には適用できないという制限があったが、本発明では、原子間力によって原子を操作することから、絶縁体であっても操作することが可能である。このように、操作対象の制限をなくすことができ、極めて有効な手段となる。
【００１６】
第２発明に係る原子操作方法は、前記探針を、所定の原子間力が作用した状態で前記基板表面の隣り合う２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査させて、前記２つの原子の位置を交換することを特徴とする。
【００１７】
本発明にあっては、探針を、所定の原子間力が作用した状態で、基板表面の隣り合う２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査させる。このような探針の走査によって、探針の先端とそれぞれの原子との間に作用した原子間力によって、２つの原子の位置が交換される。物質の表面状態を原子間力によって、上述した走査の際における原子の配置状態を画像化するようにすれば（例えばＡＦＭを用いれば）、利用者は原子の位置が交換されたことを時系列で視認することができる。このような原子操作を繰り返すことによって、物質の原子配置を自由に制御することができるので、原子配置が変化した物質を容易に創生して、その物性を研究するための有効な手段となる。
【００１８】
第３発明に係る原子操作方法は、前記所定の原子間力が作用した状態で前記２つの原子のうちの一方の原子の対応位置から他方の原子の対応位置への前記探針の走査と、前記所定の原子間力より弱い原子間力が作用した状態で前記他方の原子の対応位置から前記一方の原子の対応位置への前記探針の走査とを繰り返すことを特徴とする。
【００１９】
本発明にあっては、所定の原子間力が作用した状態で２つの原子のうちの一方の原子の対応位置（例えば上方）から他方の原子の対応位置（例えば上方）への探針の走査と、所定の原子間力より弱い原子間力が作用した状態で他方の原子の対応位置（例えば上方）から一方の原子の対応位置（例えば上方）への探針の走査とを繰り返す。このように探針の走査を繰り返すことによって、２つの原子の位置を確実に交換することができる。
【００２０】
第４発明に係る原子操作方法は、前記探針を、所定の原子間力が作用した状態で前記基板表面と略平行な方向に走査させて、前記基板表面の原子を前記基板表面から抜き出すことを特徴とする。
【００２１】
本発明にあっては、探針を、所定の原子間力が作用した状態で、基板表面と略平行な方向に走査させる。このような探針の走査によって、探針の先端と基板表面の原子との間に作用した原子間力によって、対応する位置の原子を基板表面から抜き出すことができる。物質の表面状態を原子間力によって、上述した走査の際における原子の配置状態を画像化するようにすれば（例えばＡＦＭを用いれば）、利用者は原子が基板表面から抜き出されたことを時系列で視認することができる。
【００２２】
第５発明に係る原子操作方法は、前記探針を、所定の原子間力が作用した状態で前記基板表面と略平行な方向に走査させて、前記基板表面の面上の原子の位置を移動することを特徴とする。
【００２３】
本発明にあっては、探針を、所定の原子間力が作用した状態で、基板表面と略平行な方向に走査させる。このような探針の走査によって、探針の先端と基板表面の面上に配置された原子との間に作用した原子間力によって、原子の位置を探針の走査方向に移動することができる。物質の表面状態を原子間力によって、上述した走査の際における原子の配置状態を画像化するようにすれば（例えばＡＦＭを用いれば）、利用者は原子が移動したことを時系列で視認することができる。
【００２４】
第６発明に係る原子操作方法は、前記探針と操作対象の原子との間に作用する原子間力を測定しながら前記原子を操作することを特徴とする。
【００２５】
本発明にあっては、探針と操作対象の原子との間に作用する原子間力を測定しながら原子を操作することから、高精度で原子の位置を操作することができる。また、例えば、ＡＦＭにて原子間力を測定するようにすることにより、その距離依存性からどのような種類の原子間力によって原子が動かされているのか否かを判断することができるという利点を有する。
【００２６】
第７発明に係る原子操作方法は、前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整することを特徴とする。
【００２７】
本発明にあっては、探針の基板表面からの距離を制御して原子間力を調整する。探針と基板表面とに作用する原子間力は、探針と基板表面との距離に基づいて決定されることから、必ずしも原子間力を検出する必要はなく、探針と基板表面との距離を制御することによって、探針と基板表面との間に所定の原子間力が作用した状態とすることができる。
【００２８】
第８発明に係る原子操作方法は、前記探針と前記基板表面との間に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整することを特徴とする。
【００２９】
本発明にあっては、探針と基板表面との間に流れる電流（トンネル電流）を検出し、検出した電流に基づいて探針の基板表面からの距離を制御する。探針に作用する原子間力は、主に、探針と基板表面との距離に基づいて決定されることから、探針と基板表面との距離を制御して原子間力を調整する。トンネル電流を検出できる材料系、つまり導電性基板で本発明を適用する場合、探針に作用する力を検出する部分が必要でなくなる。そのため、装置を小さくすることができ、装置剛性が高まる。一般的に、トンネル電流を測定する走査型トンネル顕微鏡は力を検出する原子間力顕微鏡に比べて、装置構成が単純で安定に測定できると考えられている。以上のことから、トンネル電流によって距離を制御することは比較的簡単であることから、基板が導電性である場合には、導電性の探針を用いてトンネル電流を検出するようにすれば、極めて高精度で、探針に作用する原子間力を調整することができる。
【００３０】
第９発明に係る原子操作方法は、前記探針又は前記基板表面に光を照射して近接場光を生じさせ、前記探針と前記基板表面との近接場相互作用に基づく散乱光を検出し、検出した散乱光に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整することを特徴とする。
【００３１】
本発明にあっては、探針又は基板表面に光を照射して近接場光を生じさせ、探針と基板表面との近接場相互作用に基づく散乱光を検出し、検出した散乱光に基づいて探針の基板表面からの距離を制御する。探針と基板表面との距離に応じて、その近接場相互作用の大きさが決定されることから、検出された散乱光のスペクトル分布及び強度によって探針と基板表面との距離を推定することができる。したがって、検出された散乱光に基づいて探針と基板表面との距離を制御することによって、探針に作用する原子間力を調整することができる。
【００３２】
第１０発明に係る原子操作方法は、前記探針と前記基板表面との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御して原子間力を調整することを特徴とする。
【００３３】
本発明にあっては、探針と基板表面との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に基づいて探針の基板表面からの距離を制御する。探針と基板表面との距離に応じて、その静電容量の大きさが決定されることから、静電容量によって探針と基板表面との距離を推定することができる。したがって、検出された静電容量に基づいて探針と基板表面との距離を制御することによって、探針に作用する原子間力を調整することができる。
【００３４】
第１１発明に係る原子操作装置は、原子間力が作用する探針を備え、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を交換する原子操作装置であって、前記探針に作用する原子間力が所定範囲であるか否かを判定する判定部と、該判定部にて前記原子間力が所定範囲であると判定された場合に、前記探針を、前記原子間力が作用した状態で前記２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査する走査部とを備えることを特徴とする。
【００３５】
本発明にあっては、判定部によって、探針に作用する原子間力が所定範囲であるか否かを判定し、判定部にて原子間力が所定範囲であると判定された場合に、原子間力が作用した状態で探針を２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査する。したがって、探針に作用する原子間力が原子操作に有効である場合にのみ、探針の走査を行うことになるので、無駄な走査を行う虞はない。
【００３６】
第１２発明に係る原子操作装置は、原子間力が作用する探針を備え、基板表面又は該基板表面の面上の原子の位置を操作する原子操作装置であって、前記探針に作用する原子間力が所定範囲であるか否かを判定する判定部と、該判定部にて前記原子間力が所定範囲であると判定された場合に、前記探針を、前記原子間力が作用した状態で前記基板表面と略平行な方向に走査する走査部とを備えることを特徴とする。
【００３７】
本発明にあっては、判定部によって、探針に作用する原子間力が所定範囲であるか否かを判定し、判定部にて原子間力が所定範囲であると判定された場合に、原子間力が作用した状態で探針を基板表面と略平行な方向に走査する。したがって、探針に作用する原子間力が原子操作に有効である場合にのみ、探針の走査を行うことになるので、無駄な走査を行う虞はない。
【００３８】
第１３発明に係る原子操作装置は、前記判定部にて前記原子間力が所定範囲でないと判定された場合に、探針と前記基板表面との離隔長を変更する手段をさらに備えることを特徴とする。
【００３９】
本発明にあっては、判定部にて原子間力が所定範囲でないと判定された場合に、探針と基板表面との離隔長を変更することによって、探針に作用する原子間力が所定範囲となるように制御することができる。
【００４０】
第１４発明に係る原子操作装置は、原子間力が作用する探針を備え、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を交換する原子操作装置であって、前記探針と前記基板表面との距離を制御する制御部と、前記距離が所定範囲であるか否かを判定する判定部と、該判定部にて前記距離が所定範囲であると判定された場合に、前記探針を、前記距離に基づく原子間力が作用した状態で前記２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査する走査部とを備えることを特徴とする。
【００４１】
本発明にあっては、判定部によって、探針と基板表面との距離が所定範囲であるか否かを判定し、判定部にて所定範囲であると判定された場合に、探針と基板表面との距離に基づく原子間力が作用した状態で探針を２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査する。このような探針の走査によって、探針の先端とそれぞれの原子との間に作用した原子間力によって、２つの原子の位置が交換される。探針と基板表面とに作用する原子間力は、探針と基板表面との距離に基づいて決定されることから、必ずしも原子間力を検出する必要はなく、探針と基板表面との距離を制御することによって、探針と基板表面との間に所定の原子間力が作用した状態とすることができる。
【００４２】
第１５発明に係る原子操作装置は、前記探針と前記基板表面との間に流れる電流を検出する検出部を備え、前記制御部は、前記検出部にて検出された電流に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御するようにしてあることを特徴とする。
【００４３】
本発明にあっては、探針と基板表面との間に流れる電流（トンネル電流）を検出し、検出した電流に基づいて探針の基板表面からの距離を制御する。探針に作用する原子間力は、探針と基板表面との距離に基づいて決定されることから、探針と基板表面との距離を制御（フィードバック）して原子間力を調整する。
【００４４】
第１６発明に係る原子操作装置は、前記探針又は前記基板表面に光を照射して近接場光を生じさせる照射部と、前記探針と前記基板表面との近接場相互作用に基づく散乱光を検出する検出部とを備え、前記制御部は、前記検出部にて検出された散乱光に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御するようにしてあることを特徴とする。
【００４５】
本発明にあっては、探針又は基板表面に光を照射して近接場光を生じさせ、探針と基板表面との近接場相互作用に基づく散乱光を検出し、検出した散乱光に基づいて探針の基板表面からの距離を制御する。探針と基板表面との距離に応じて、その近接場相互作用の大きさが決定されることから、検出された散乱光のスペクトル分布及び強度によって探針と基板表面との距離を推定し、推定した距離に応じて、探針の基板表面からの距離を制御（フィードバック）することによって、探針に作用する原子間力を調整することができる。
【００４６】
第１７発明に係る原子操作装置は、前記探針と前記基板表面との間の静電容量を検出する検出部を備え、前記制御部は、前記検出部にて検出された静電容量に基づいて前記探針の前記基板表面からの距離を制御するようにしてあることを特徴とする。
【００４７】
本発明にあっては、探針と基板表面との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に基づいて探針の基板表面からの距離を制御する。探針と基板表面との距離に応じて、その静電容量の大きさが決定されることから、静電容量によって探針と基板表面との距離を推定し、推定した距離に応じて、探針の基板表面からの距離を制御（フィードバック）することによって、探針に作用する原子間力を調整することができる。
【００４８】
第１８発明に係る識別体形成方法は、上述した第１発明乃至第１０発明のいずれか１つの原子操作方法で原子を操作して、原子サイズの識別体を基板表面に形成することを特徴とする。
【００４９】
本発明にあっては、無秩序に分布している原子を操作することによって、所定の位置に配置したり、抜き出したりすることができるので、原子の操作を繰り返すことで、原子サイズの文字及びマークなどの識別体を基板表面に形成することができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、原子間力が作用する探針を用いて、所定の原子間力が作用した状態で前記探針を走査させることにより、基板表面の原子又は前記基板表面の面上の原子を操作することができる。
【００５１】
本発明によれば、探針を、所定の原子間力が作用した状態で、基板表面の隣り合う２つの原子を結ぶ直線と略平行な方向に走査させることにより、たとえ基板が絶縁性であっても、２つの原子の位置を交換することができる。
【００５２】
本発明によれば、探針を、所定の原子間力が作用した状態で、基板表面と略平行な方向に走査させることにより、たとえ基板が絶縁性であっても、原子を基板表面から抜き出すことができる。
【００５３】
本発明によれば、探針を、所定の原子間力が作用した状態で、基板表面と略平行な方向に走査させることにより、たとえ基板が絶縁性であっても、基板表面の面上の原子の位置を移動することができる。
【００５４】
本発明によれば、原子間力が作用する探針を用いて、探針の基板表面からの距離を制御して、その距離に基づいた原子間力が作用した状態で、基板表面と略平行な方向に走査させることにより、原子間力を検出することなく、極めて簡単かつ高精度で原子の位置を操作することができる。
【００５５】
したがって、原子を操作して、原子サイズの文字及びマークなどの識別体を基板表面に形成することができる。また、様々な原子に対して、その位置を交換することが可能となり、本発明に係る原子操作方法によって、２種類以上の原子を複数個組み合わせて、特定の機能を有するデバイスや機能材料の探索に極めて有効である。さらに、薬学及び生命科学分野においては、機能性物質及び生体の原子種を交換して、その機能の変化を実際に確認することが可能となる。さらにまた、自己組織化の手法では作成できないような材料探索や、カンチレバー及び探針をアレイ状又はマトリクス状に並べて本発明を実施することで、一度に大量の原子操作による材料作成及び評価が可能となり、効率よく新しい機能を有する材料を原子レベルで探索する、いわゆるコンビナトリアルの手法にも適用することが可能となる等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００５７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る原子操作装置１は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、表示部１４及びＡＦＭ２０と接続され、これら各部を制御し、ＲＯＭ１１に予め格納されているコンピュータプログラムに従って種々の機能を実行し、各部と連携して又は単独で本発明における各種の手段として機能する。ＲＡＭ１２は、制御部１０によるコンピュータプログラムの実行時に発生する一時的なデータを記憶するもので、例えばＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭなどにより構成される。
【００５８】
ＡＦＭ２０は、カンチレバー３１、カンチレバー３１の一端に取り付けられた探針３２、及びカンチレバー３１の他端に取り付けられた加振用圧電素子３３から構成される走査ユニット２１と、被操作対象である試料Ｓを載置するための試料台２２と、試料台２２を３次元方向に駆動制御する走査用圧電素子２３とを備えている。なお、走査ユニット２１は、真空チャンバー内に設けられており、探針３２の走査を超高真空中（１０-9Ｐａ）で行えるようになっている。カンチレバー３１は、交換を容易にするため、カンチレバーホルダに取り付けられる場合があり、その場合、加振用圧電素子３３をカンチレバーホルダ又はカンチレバーホルダをうける装置本体部分に取り付けるようにしてもよく、カンチレバー３１を加振できる構成であれば、加振用圧電素子３３の配置に関して限定されるものではない。
【００５９】
加振用圧電素子３３は、カンチレバー３１の機械的共振周波数又はその近傍の周波数、かつ所定の振幅でカンチレバーを振動させる。カンチレバー３１は、その長さが例えば１００〜２００μｍの微小な板ばねであり、加振用圧電素子３３によって生じた振動がカンチレバー３１を通じて探針３２に伝達される。一方、走査用圧電素子２３は、試料Ｓと探針３２との３次元の相対位置及び相対距離を変化させる。なお、探針先端に作用する力学的相互作用を検出できるものであれば、カンチレバー及び変位検出部は必ずしも必要ではない。例えば、水晶振動子に探針を取り付ける方法（例えば、森田清三(S.Morita，R.Wiesendanger，E.Meyer)著，「非接触型原子間力顕微鏡（NoncontactAtomic Force Microscopy）」，スプリンガー（Springer），2002年7月24日発行参照）を用いても適応可能である。
【００６０】
探針３２には、長さが１０μｍ、先端が数ｎｍφの弧状のシリコンを用いた。このような微細な探針３２は半導体の微細加工技術によって得ることができる。なお、探針３２の材料については限定されるものではないが、例えば、表面観察用のシリコン製探針を用いる場合、探針の表面に被覆されている酸化物及びゴミなどを除去することにより、より原子間力の感度を高めて分解能を向上させることが好ましい。
【００６１】
また、ＡＦＭ２０は、変位検出部２４と、ＦＭ復調部２５と、ＡＧＣ部（自動利得制御部）２６と、移相器２７と、フィードバックコントローラ部２８とを備えている。
【００６２】
探針３２を試料Ｓに接近させた場合、探針３２と試料Ｓとに作用する力学的な相互作用によって、カンチレバー３１の実効的なばね定数が変化し、機械的共振周波数が変化する。そこで、ＡＦＭ２０は、変位検出部２４にて、探針３２が取り付けられたカンチレバー３１の一端側の変位量、すなわち探針３２の変位量を検出し、検出された変位量に基づいて、探針３２と試料Ｓと相互作用によるカンチレバー３１の機械的共振周波数の変化量（Δｆ）をＦＭ復調部２５にて検出する。ＦＭ復調部２５は、検出した機械的共振周波数の変化量に係る信号を制御部１０へ出力する。
【００６３】
また、ＡＦＭ２０は、カンチレバー３１の変位が一定に維持されるように、変位検出部２４にて検出された変位量に基づいて、変位検出部２４、ＡＧＣ部２６、移相器２７及び走査ユニット２１（加振用圧電素子３３）によって正帰還発信ループを構成する。こうして、カンチレバー３１が所定の周波数及び振幅で加振される。
【００６４】
フィードバックコントローラ部２８は、ＦＭ復調部２５によって検出された機械的共振周波数の変化量に基づいて、探針３２と試料Ｓとの離隔長が略一定となるように走査用圧電素子２３のＺ方向の駆動を制御する。また、フィードバックコントローラ部２８は、探針３２と試料Ｓとの離隔長が略一定となるように制御することから、この制御に係る信号を試料Ｓの表面の画像信号を生成するための信号として制御部１０へ出力する。
【００６５】
制御部１０は、ＡＦＭ２０（フィードバックコントローラ部２８）から出力された信号に基づいて画像信号を生成し、表示部１４へ出力する。表示部１４は、液晶ディスプレイ，ＣＲＴディスプレイなどの表示手段であり、入力された画像信号に係る画像を表示する。利用者は、表示部１４に表示された画像によって、試料Ｓの表面状態、すなわち表面における原子の配列を確認することができる。
【００６６】
操作部１３は、原子操作装置１を操作するための走査開始位置入力部１３ａと走査終了位置入力部１３ｂとを備える。本発明では、原子の位置を操作するために、探針３２を横方向に走査することを特徴としており（詳細は後述する）、走査開始位置入力部１３ａにて探針３２の走査を開始する原子の位置を受け付け、走査終了位置入力部１３ｂにて探針３２の走査を終了する原子の位置を受け付ける。
【００６７】
また、制御部１０は、ＡＦＭ２０（ＦＭ復調部２５）から出力された機械的共振周波数の変化量に係る信号に基づいて、探針３２と試料Ｓ（原子）とに作用する力学的作用（原子間力）を算出し、原子間力が所定範囲であるか否かを判定する。そして、原子間力が所定範囲であると判定された場合、探針３２をその状態で所定の方向に走査するように走査信号を生成し、走査信号によって走査用圧電素子２３のＸ方向及びＹ方向の駆動を制御する。このようにして、試料Ｓに対する探針３２の走査方向を制御する。なお、試料台２２を走査用圧電素子２３にて３次元方向に駆動制御する場合について説明したが、試料台２２をＺ方向にのみ駆動制御し、カンチレバー側をＸ方向及びＹ方向に走査し、試料Ｓに対する探針３２の走査方向を制御するようにしてもよい。つまり、探針と試料との３次元の相対位置を変更できるならば、どのような素子をどのような配置で用いてもよい。以下、本発明に係る原子操作方法が分かりやすいように、カンチレバー側をＸ方向及びＹ方向に走査して試料Ｓに対する探針３２の走査方向を制御する場合について説明する。
【００６８】
次に、上述した原子操作装置１を用いて、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を操作する原子操作方法について説明する。図２及び図３は本発明の実施の形態１に係る原子操作方法を示す説明図であり、図２は上面図、図３は断面図である。
【００６９】
図２（ａ）は、単結晶Ｇｅの基板５１の表面（[１１１]面）にＳｎ原子６０が埋め込まれた状態の試料Ｓを示しており、Ｇｅ原子７０とＳｎ原子６０とが無秩序で配列されている。このような状態にするには、図４の断面図に示すように、下地となる単結晶Ｇｅの基板５１の表面にＳｎ原子６０を蒸着する（図４（ａ））。なお、Ｓｎ原子６０は、基板５１の平坦部では下側のＧｅ原子との相互作用（結合力）しか生じないが、段差部では下側のＧｅ原子及び横側のＧｅ原子との結合力が生じるため、段差部に取り込まれやすい。そして、略６００Ｋ（ケルビン）でアニールすることによって、熱的エネルギーをＧｅ原子７０及びＳｎ原子６０へ与えて、Ｇｅ原子７０とＳｎ原子６０とが、基板表面上に無秩序に配置された状態にする（図４（ｂ））。
【００７０】
Ｓｎ原子の蒸着量としては、基板５１に少量のＳｎ原子が埋め込まれる程度とし、基板本来（Ｇｅ）の結晶構造が維持されるようにする。すなわち、Ｓｎ原子のＧｅ原子に対する割合は少なく、Ｇｅ原子が露出している領域を確保する。また、Ｓｎ原子のサイズがＧｅ原子よりも略４０％大きいため、Ｓｎ原子は、基板内部に注入されることはなく、基板表面に形成することができる。つまり、操作しようとする２種類の原子のうち、サイズの小さな原子の基板にサイズの大きな原子を蒸着して、基板表面に２つの原子が混在した状態にする。なお、蒸着量によって表面が再構成する場合があるが、本発明では表面の構造に関係なく原子位置の交換が可能となる。また、化合物半導体のような複数の原子からなる物質表面の原子操作も可能である。なお、蒸着法としては、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）及びＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）などの公知の技術が利用でき、埋め込む原子に好適な方法を適宜選択する。
【００７１】
まず、Ｓｎ原子６０を表面に埋め込んだ基板５１に対して、カンチレバー３１の一端に設けられた探針３２の先端と基板５１の表面とを近づけた状態で、基板表面を走査（破線で示す）して、Ｇｅ原子７０及びＳｎ原子６０の配列を観察する（図２（ｂ））。このようにして、図５に示すような基板表面のＡＦＭ像（画像）を取得する。この走査は、従来のＡＦＭによる表面観察と同様である。
【００７２】
利用者は、取得された画像から、基板表面のＧｅ原子７０及びＳｎ原子６０の形状及び配列を視認することができ、位置交換させたいＧｅ原子（ここではＧｅ原子７０ａとする）及びＳｎ原子（ここではＳｎ原子６０ａとする）の一対を決定する。
【００７３】
位置交換させたいＧｅ原子７０ａ及びＳｎ原子６０ａが決定されると、探針３２の走査方向を、位置交換させたいＧｅ原子７０ａとＳｎ原子６０ａとを結ぶ直線９０と平行な方向に変更する（図２（ｃ））。
【００７４】
そして、Ｓｎ原子６０ａの上方に探針３２の先端を移動させる（図３（ｄ））。この移動のときは、探針３２の先端が基板表面の各原子に作用しないように、探針３２の先端と基板表面との距離を上述した観察時の距離以上にすることが好ましい。換言すれば、探針３２の先端を基板表面に近づけると、基板表面の原子の配列が変化する虞があり、本発明においては好ましくない。
【００７５】
次に、探針３２に所定の原子間力が作用するまで基板５１に近づけ（図３（ｅ））、探針３２に所定の原子間力が作用した状態を維持しながら、Ｇｅ原子７０ａに対応する位置まで探針３２を主走査方向（横方向）に移動させる（図３（ｆ））。そして、探針３２に作用する原子間力が弱くなるように、探針３２を基板５１から遠ざける（図３（ｇ））。
【００７６】
上述した図３（ｄ）〜図３（ｇ）の処理を繰り返し、探針３２に所定の原子間力が作用した状態で、探針３２を横方向に移動するとき（図３（ｅ）→図３（ｆ））に、探針３２の先端とＳｎ原子６０ａ及びＧｅ原子７０ａとの間に作用した原子間力によって、図６に示すように、図５と比較して、Ｓｎ原子６０ａとＧｅ原子７０ａとの位置が交換される。なお、ＡＦＭ２０は、物質の表面状態を原子間力によって観察するという目的で開発され、上述した走査の際における原子の配置状態を画像化することができるので、利用者は画像を見ながら操作することができる。
【００７７】
本発明では、探針３２を縦方向及び横方向に走査し、位置を交換したい２つの原子の上方（図７のＡ−Ａ線）に探針３２が走査された場合、縦方向の走査を停止して、探針３２を基板５１に近づけた状態で横方向（１次元方向）にだけ走査する。つまり、図７のＡ−Ａ線以降は、位置を交換したい２つの原子の画像が時系列的に取得されることになる。したがって、利用者は、原子の位置が交換されたこと（図７のＢ−Ｂ線）を時系列で把握することができる。図７において、Ａ−Ａ線とＢ−Ｂ線との間では、左側の画像がＳｎ原子６０ａ、右側の画像がＧｅ原子７０ａを示し、Ｂ−Ｂ線以降は、左側の画像がＧｅ原子７０ａ、右側の画像がＳｎ原子６０ａを示しており、利用者は、Ｂ−Ｂ線にて原子の位置の交換が生じたことを把握することができる。
【００７８】
ここで、原子操作装置１に、ＡＦＭ２０によって取得した画像に基づいて、原子の位置の交換が生じたか否かを判断する交換判断部３０（図１参照）を設けるようにしてもよい。交換判断部３０は、交換したい一方の原子の位置における画像の輝度と、他方の原子の位置における画像の輝度とを求め、２つの輝度の変化に基づいて原子の位置交換が生じたか否かを判断する。例えば、図７に示したように、原子の位置交換前は左側の画像の輝度が右側の画像の輝度よりも高いが、原子の位置交換後は左側の画像の輝度が右側の画像の輝度よりも低くなることから、原子の位置交換が生じたか否かを２つの輝度の変化から自動的に判断することができる。もちろん、原子の位置交換が生じたか否かの判断精度を向上すべく、ＡＦＭ２０によって取得した画像を適宜、画像処理するようにしてもよい。
【００７９】
また、Ｓｎ原子６０ａとＧｅ原子７０ａとは共有結合によって常温（室温）環境下で安定しているため、両原子の位置の交換を常温で行うことができるので、低コストでの原子操作が可能となるという利点を有する。
【００８０】
上述したように、基板表面のＳｎ原子とＧｅ原子との位置を交換する処理を繰り返すことにより、例えば、図８に示すように、無秩序に分布しているＳｎ原子（図８（ａ））を移動させて、「Ｓｎ」の文字を書くことができる（図８（ｂ））。なお、Ｓｎ原子及びＧｅ原子は、基板表面、すなわち同一の層に存在していることから、ＡＦＭにて表面を観察する場合、Ｓｎ原子及びＧｅ原子を共に観察することができるので、Ｓｎ原子は明るい輝点、Ｇｅ原子は暗い輝点として画像化される。
【００８１】
また、本実施の形態では、Ｇｅの基板上にＳｎ原子を埋め込み、Ｇｅ原子とＳｎ原子との位置を交換するようにしたが、原子間力で位置を交換することが本発明の主旨であることから、基板が絶縁性であってもよく、導電性である必要はない。したがって、混晶状態及び合金状態の様々な原子に対して、その位置を交換することが可能となり、２種類の原子の位置を操作して、特定の機能を有するデバイスの探索に極めて有効である。例えば、ダイアモンドの中に原子を混合し、所定の位置になるように原子の移動を制御して、ワイヤ状又はクラスタ状の新規デバイスを開発する有力な手段となりうる。また、薬学及び生命科学分野においては、機能性物質及び生体の原子種を交換して、その機能の変化を実際に確認することが可能となる。
【００８２】
（実施の形態２）
実施の形態１では、基板表面の２種の原子（Ｇｅ原子及びＳｎ原子）を結ぶ方向に探針を走査して２つの原子の位置を交換するようにしたが、基板表面に対して横方向に探針を走査することにより、基板表面から原子を抜き出すことができる。図９及び図１０は本発明の実施の形態２に係る原子操作方法を示す説明図であり、図９は上面図、図１０は断面図である。
【００８３】
図９（ａ）は、試料Ｓである単結晶Ｇｅの基板５１の表面状態を示している。まず、単結晶Ｇｅの基板５１に対して、カンチレバー３１の一端に設けられた探針３２の先端と基板５１の表面とを近づけた状態で、基板表面を走査（破線で示す）して、Ｇｅ原子７０の配列を観察する（図９（ｂ））。このようにして、図１１に示すような基板表面の画像が取得され、利用者は、基板表面から抜き出したいＧｅ原子７０ｂを決定する。
【００８４】
次いで、抜き出したいＧｅ原子７０ｂと、Ｇｅ原子７０ｂに隣り合うＧｅ原子（ここではＧｅ原子７０ｃとする）とを結ぶ直線９１と平行な方向に、探針３２の走査方向を変更する（図９（ｃ））。
【００８５】
そして、Ｇｅ原子７０ｂの上方に探針３２の先端を移動させ（図１０（ｄ））、探針３２に所定の原子間力が作用するまで基板５１に近づけ（図１０（ｅ））、探針３２に所定の原子間力が作用した状態を維持しながら、Ｇｅ原子７０ｃに対応する位置まで探針３２を横方向に移動させる（図１０（ｆ））。そして、探針３２に作用する原子間力が弱くなるように、探針３２を基板５１から遠ざける（図１０（ｇ））。
【００８６】
上述した図１０（ｄ）〜図１０（ｇ）の処理を繰り返し、探針３２に所定の原子間力が作用した状態で、探針３２を横方向に移動するとき（図１０（ｅ）→図１０（ｆ））に、探針３２の先端とＧｅ原子７０ｂ及びＧｅ原子７０ｃとの間に作用した原子間力によって、図１２に示すように、Ｇｅ原子７０ｂが基板５１から抜き出され、Ｇｅ原子７０ｃの上面に移動する。
【００８７】
単結晶Ｇｅの基板５１の場合、ｃ（２×８）のユニットセルを構成することから、抜き出したいＧｅ原子７０ｂと隣合うＧｅ原子の選択によって、探針３２の走査方向に対するＧｅ原子の配列が相違する。つまり、探針３２の走査方向について限定されるものではなく、図１３に示すように、探針３２を矢印９５の方向に走査した場合であっても（図１３（ａ））、Ｇｅ原子７０ｂを基板５１から抜き出すことができる（図１３（ｂ））。
【００８８】
（実施の形態３）
実施の形態２では、基板表面に対して横方向に探針を走査することにより、基板表面から原子を抜き出すようにしたが、同様の走査によって、下地の基板（表面上）に配置されている原子の位置を、１つ隣りの位置へ移動することができる。図１４は本発明の実施の形態３に係る原子操作方法を示す説明図である。
【００８９】
図１４（ａ）は、試料Ｓである単結晶Ｇｅの基板５１の表面上に原子８０が配置されている状態を示している。例えば、上述した実施の形態２によって、単結晶Ｇｅの基板５１からＧｅ原子を抜き出し、抜き出したＧｅ原子を基板５１の表面上に配置することができる。
【００９０】
まず、単結晶Ｇｅの基板５１に対して、カンチレバー３１の一端に設けられた探針３２の先端と基板５１の表面とを近づけた状態で、基板表面を走査して基板の表面を観察し、図１５に示すような基板表面の画像を取得する。基板表面上に配置された原子８０は、その近傍と比較して高い位置に存在することになることから、図１５のように相対的に原子８０のみが画像化されて、基板表面のＧｅ原子７０の構造が確認しにくい場合があるが、画像処理などを適宜行って確認することは可能である。したがって、利用者は、取得された画像を確認しながら、移動させたい原子８０を確実に指定することができる。
【００９１】
そして、原子８０の上方に探針３２の先端を移動させ（図１４（ａ））、探針３２に所定の原子間力が作用するまで基板５１に近づけ（図１４（ｂ））、探針３２に所定の原子間力が作用した状態を維持しながら、原子８０の直下のＧｅ原子７０ｅに隣り合うＧｅ原子（ここではＧｅ原子７０ｆとする）に対応する位置まで探針３２を横方向に移動させる（図１４（ｃ））。そして、探針３２に作用する原子間力が弱くなるように、探針３２を基板５１から遠ざける（図１４（ｄ））。探針３２に所定の原子間力が作用した状態で、探針３２を移動するとき（図１４（ｂ）→図１４（ｃ））に、探針３２の先端と原子８０との間に作用した原子間力によって、図１６に示すように、原子８０の位置が、Ｇｅ原子７０ｅの上面からＧｅ原子７０ｆの上面へ移動する。
【００９２】
より詳述すると、図１５は、基板表面をΔｆ＝−２８．８Ｈｚ（−０．８ｎＮ）で走査した場合を示し、Ｇｅ表面上に１つの原子が画像化されている。一方、図１６は、同一の基板表面を、破線ＣまでΔｆ＝−３．２０Ｈｚ（−１．０ｎＮ）で走査し、破線Ｃ以降は、探針３２を近づけて、Δｆ＝−２８．８Ｈｚ（−０．８ｎＮ）で走査した場合を示す。図１６では、原子が探針の走査によって移動されながら画像化されるため、原子が２つあるように見える。この２つの原子は、同一の原子８０であり、下側に画像化されている原子が移動前の原子を示し、上側に画像化されている原子が移動後の原子を示す。このように、探針を振動させながら基板表面を走査することによって、表面上の原子の位置を移動させることができる。なお、このときの探針３２の走査速度は、基板５１の結晶構造（結晶方向）及び原子８０の種類に応じて適宜調整する。
【００９３】
なお、ＳＴＭを用いて原子を移動させることは、例えば非特許文献１に示されており、探針にファン・デル・ワールス力が働いている可能性があると指摘されている。しかしながら、上述の先行技術には探針先端に働く力を測定するという機能がなく、それを実証できていない。また、ファン・デル・ワールス力は原子間力のなかでも長距離力であり、本当に原子を動かしている要素であるかどうかを判断することは不可能である。一方、本発明では、ＡＦＭにて原子間力を測定することができ、その距離依存性からどのような種類の原子間力によって原子が動かされているのか否かを判断することができる。したがって、探針３２に所定の原子間力が作用したことを確認したうえで探針３２を移動させることから、原子を確実に所望の位置へ移動させることができる。
【００９４】
なお、原子操作装置として、図１に示したように、制御部１０がＡＦＭ２０（ＦＭ復調部２５）から出力された機械的共振周波数の変化量に係る信号に基づいて、探針３２と試料Ｓとに作用する原子間力を算出するような形態について説明したが、探針３２と試料Ｓとに作用する原子間力は、探針３２と試料Ｓとの距離に基づいて決定されることから、探針３２と試料Ｓとの距離を制御して原子間力を調整するようにしてもよく、必ずしも原子間力を直接的に検出する必要はない。
【００９５】
図１７は本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る原子操作装置２は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、表示部１４及びＳＴＭ１２０と接続されている。ＳＴＭ１２０は、探針３２と、試料Ｓを載置するための試料台２２と、試料台２２を３次元方向に駆動制御する走査用圧電素子２３とを備えている。さらに、ＳＴＭ１２０は、電圧印加／電流検出部１２１とフィードバックコントローラ部１２２とを備えている。
【００９６】
電圧印加／電流検出部１２１によって探針３２と試料Ｓとの間に電圧を印加するとともに、探針３２を試料Ｓの表面に接近させ、探針３２と試料Ｓとの間に流れるトンネル電流を電圧印加／電流検出部１２１にて検出する。探針３２と試料Ｓとの距離に応じて、トンネル電流の大きさが決定されることから、電圧印加／電流検出部１２１にて検出されたトンネル電流の値によって探針３２と試料Ｓとの距離を推定することができる。
【００９７】
そこで、フィードバックコントローラ部１２２は、電圧印加／電流検出部１２１にて検出されたトンネル電流の値に基づいて走査用圧電素子２３のＺ方向の駆動を制御、すなわち、探針３２と試料Ｓとの距離を制御することによって、探針３２と試料Ｓとの間に作用する原子間力を調整する。つまり、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を操作する場合には、トンネル電流の値によって探針３２と試料Ｓとの距離を推定することによって原子間力を調整することが可能であり、必ずしも原子間力を直接的に検出する必要はない。その他の構成は、図１と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、本実施の形態の制御部１０は、探針３２と試料Ｓとの距離が所定範囲であるか否かを判定し、所定範囲であると判定された場合、探針３２をその状態で所定の方向に走査するように走査信号を生成し、走査信号によって走査用圧電素子２３のＸ方向及びＹ方向の駆動を制御する。このようにして、試料Ｓに対する探針３２の走査方向を制御する（以下、同様）。
【００９８】
なお、図１７では、試料Ｓ側に設けた走査用圧電素子２３がフィードバックコントローラ部１２２によってＺ方向の駆動を制御されるようにしたが、探針３２側に圧電素子のような駆動素子１２３を設け、フィードバックコントローラ部１２２が駆動素子１２３のＺ方向の駆動を制御するようにしてもよい。
【００９９】
図１８は本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る原子操作装置３は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、表示部１４及び近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ：Near-field Scanning Optical Microscopy）２２０と接続されている。ＮＳＯＭ２２０は、探針３２と、試料Ｓを載置するための試料台２２と、試料台２２を３次元方向に駆動制御する走査用圧電素子２３とを備えている。さらに、ＮＳＯＭ２２０は、レーザ２２１、偏光素子２２２、第１ハーフミラー２２３、レンズ２２４、光ファイバ２２５、第２ハーフミラー２２６、分光素子２２７、検出部２２８、フィードバックコントローラ部２２９を備えている。
【０１００】
レーザ２２１から照射された光は、偏光素子２２２によって偏光され、第１ハーフミラー２２３へ導光される。第１ハーフミラー２２３を直進した光は、レンズ２２４によって集光され、光ファイバ２２５の一端側へ導光される。光ファイバ２２５の他端側は探針３２に接続されている。探針３２の先端は微小な開口部３２ａを有しており、開口部３２ａを通じて試料Ｓに光を照射する。試料Ｓ自体の構造によって、試料Ｓの表面には、その特徴的なサイズ程度に局在した近接場が存在しており、探針３２と試料Ｓとの近接場相互作用に基づいて散乱光が生じる。開口部３２ａの直径が空間分解能（すなわち距離分解能）となることから、化学的エッチングなどを行うことによって探針３２の先鋭化を図ることが好ましい。
【０１０１】
散乱光は、光ファイバ２２５を通じて、レンズ２２４に導光される。そして、散乱光は、レンズ２２４にて集光され、第１ハーフミラー２２３及び第２ハーフミラー２２６の表面で反射され、その進行方向が変えられて分光素子２２７へ導光される。分光素子２２７によって分光された散乱光は、検出部２２８にて検出される。探針３２と試料Ｓとの距離に応じて、その近接場相互作用の大きさが決定されることから、検出部２２８にて検出された散乱光のスペクトル分布及び強度によって探針３２と試料Ｓとの距離を推定することができる。
【０１０２】
そこで、フィードバックコントローラ部２２９は、検出部２２８にて検出された散乱光のスペクトル分布及び強度に基づいて走査用圧電素子２３のＺ方向の駆動を制御、すなわち、探針３２と試料Ｓとの距離を制御することによって、探針３２と試料Ｓとの間に作用する原子間力を調整する。つまり、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を操作する場合には、散乱光のスペクトル分布及び強度によって探針３２と試料Ｓとの距離を推定することによって原子間力を調整することが可能であり、必ずしも原子間力を直接的に検出する必要はない。その他の構成は、図１と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【０１０３】
なお、図１８では、試料Ｓに近接場照射するとともに、近接場相互作用に基づいて生じた散乱光を集光する場合に探針３２の開口部３２ａを利用するIllumination-Collection（I-C）モードの例について説明したが、試料Ｓに近接場照射する場合に探針３２の開口部３２ａを利用するIllumination（I）モード、近接場相互作用に基づいて生じた散乱光を集光する場合に探針３２の開口部３２ａを利用するCollection（C）モードであってもよい。また、探針３２側に圧電素子のような図示しない駆動素子を設け、フィードバックコントローラ部２２９が駆動素子のＺ方向の駆動を制御するようにしてもよい。
【０１０４】
図１９は本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の他の構成例を示すブロック図である。
本発明に係る原子操作装置４は、ＣＰＵで構成された制御部１０を備えている。制御部１０は、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、操作部１３、表示部１４及び走査型キャパシタンス顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscopy）３２０と接続されている。ＳＣＭ３２０は、探針３２と、試料Ｓを載置するための試料台２２と、試料台２２を３次元方向に駆動制御する走査用圧電素子２３とを備えている。さらに、ＳＣＭ３２０は、バイアス電源３２１、交流電源３２２、静電容量検出部３２３、ロックインアンプ３２４、フィードバックコントローラ部３２５を備えている。
【０１０５】
バイアス電源３２１及び交流電源３２２を用いて、探針３２と試料Ｓとの間にオフセットされた交流電圧を印加する。探針３２と試料Ｓとの間の静電容量は極めて小さく、その絶対値を検出することが困難であるため、探針３２と試料Ｓとの間の静電容量を静電容量検出部３２３にて検出し、静電容量の変化量をロックインアンプ３２４にて検出する。探針３２と試料Ｓとの距離に応じて、その静電容量の大きさが決定されることから、静電容量によって、探針３２と試料Ｓとの距離を推定することができる。
【０１０６】
そこで、フィードバックコントローラ部３２５は、検出された静電容量に基づいて走査用圧電素子２３のＺ方向の駆動を制御、すなわち、探針３２と試料Ｓとの距離を制御することによって、探針３２と試料Ｓとの間に作用する原子間力を調整する。つまり、基板表面の隣り合う２つの原子の位置を操作する場合には、静電容量によって探針３２と試料Ｓとの距離を推定することによって原子間力を調整することが可能であり、必ずしも原子間力を直接的に検出する必要はない。その他の構成は、図１と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【０１０７】
なお、図１９では、試料Ｓ側に設けた走査用圧電素子２３がフィードバックコントローラ部３２５によってＺ方向の駆動を制御されるようにしたが、探針３２側に圧電素子のような駆動素子３２６を設け、フィードバックコントローラ部３２５が駆動素子３２６のＺ方向の駆動を制御するようにしてもよい。
【０１０８】
上述した各構成の原子操作装置２，３，４を用いて、実施の形態１と同様の原子操作方法を行って基板表面上の原子を操作することができるが、その方法は、探針３２の試料Ｓ（基板表面）からの距離を制御して原子間力を調整し、探針３２に所定の原子間力が作用した状態を維持しながら探針３２を走査すればよく、実施の形態１と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【０１０９】
以上、詳述したように、本発明の主旨は、探針と原子とに所定の原子間力が作用している状態を維持しながら、探針を操作することによって、基板に埋め込まれている原子（下地原子と強く結合しているために室温でも拡散することなく安定的な原子）であっても、その原子を操作できる点にある。従来の技術（例えば非特許文献１参照）は、基板と弱い吸着力で結合している原子を移動させたい方向に、探針を走査することで原子の位置を制御するが、例えば、実施の形態１にて説明したように、隣接する原子と位置を交換しながら、目的の原子を目的の方向に移動することが可能となる。
【０１１０】
また、従来の技術（例えば非特許文献１参照）は、トンネル電流で距離を制御しているといっても、電流が流れやすい場所と原子位置とが必ずしも一致しているわけではなく、真の凹凸に反映した距離の制御は不可能であるが、本発明では、原子に作用する力を直接的又は間接的に測定しながら原子を操作できるため、目的の原子を目的の方向に確実に移動することができる。
【０１１１】
以上、本発明に係る原子操作方法及び原子操作装置について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上述した実施の形態に係る発明の構成及び機能に様々な変更又は改良を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る原子操作方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る原子操作方法を示す説明図である。
【図４】単結晶Ｇｅの基板表面にＳｎ原子を埋め込む方法を示す断面図である。
【図５】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図６】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図７】原子操作中の画像である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る原子操作方法の適用例を示す画像である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る原子操作方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る原子操作方法を示す説明図である。
【図１１】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１２】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１３】探針の走査方向の他の例を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る原子操作方法を示す説明図である。
【図１５】原子操作前の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１６】原子操作後の基板表面の原子の配列を示す画像である。
【図１７】本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１９】本発明の実施の形態１に係る原子操作装置の他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１，２，３，４  原子操作装置
１０  制御部
１１  ＲＯＭ
１２  ＲＡＭ
１３  操作部
１３ａ  走査開始位置入力部
１３ｂ  走査終了位置入力部
１４  表示部
２０  ＡＦＭ
２１  走査ユニット
２２  試料台
２３  走査用圧電素子
２４  変位検出部
２５  ＦＭ復調部
２６  ＡＧＣ部（自動利得制御部）
２７  移相器
２８  フィードバックコントローラ部
３０  交換判断部
３１  カンチレバー
３２  探針
３３  加振用圧電素子
５１  基板
６０，６０ａ  Ｓｎ原子
７０，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｅ，７０ｆ  Ｇｅ原子
８０  原子
１２０  ＳＴＭ
１２１  電圧印加／電流検出部
１２２  フィードバックコントローラ部
２２０  ＮＳＯＭ
２２１  レーザ
２２８  検出部
２２９  フィードバックコントローラ部
３２０  ＳＣＭ
３２３  静電容量検出部
３２４  ロックインアンプ
３２５  フィードバックコントローラ部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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