(57)【要約】ＡＦＭの領域をナノスケールの分光学に拡張させた顕微鏡で新規の方法が提供される。ナノメートル特徴体の分子共鳴は、白金でコーティングされた走査プローブチップで光学的に駆動される分子ダイポール／マルチポールの相互作用とそのミラー画像間の力勾配の機械的検出によって全的に検出され、かつ撮像されることができる。本方法は、赤外線でＵＶ及びＲＦに至る範囲のナノスケール分光情報を獲得することまで拡張可能である。【選択図】図１
2013534323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブチップを具備した原子間力顕微鏡基盤の装置において、
物体内に分子ダイポール／マルチポール（ｄｉｐｏｌｅ／ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ）が生成可能であり、前記プローブチップ上に多重鏡像力及び力勾配（ｆｏｒｃｅ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）を発生させるエネルギーソースを含む顕微鏡基盤の装置。
【請求項２】
前記エネルギーソースは、周波数ｆｍで変調されるエネルギービームを放出する請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記エネルギーソースは、波長固定レーザ（ｆｉｘｅｄ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｌａｓｅｒ）、波長可変レーザ、磁気イミッタ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｍｉｔｔｅｒ）及び電磁気（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）イミッタである請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項４】
物体のナノスケール分光検出方法において、
物体内に分子ダイポール／マルチポールを生成するステップと、
前記生成結果として、前記プローブチップ上の多重鏡像力及び力勾配を検出するステップとを含む方法。
【請求項５】
分光画像検出は、赤外線乃至ＲＦ範囲内である請求項５に記載の方法。
【請求項６】
前記検出は、大気（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ）で１０−１０Ｔｏｒｒまでの圧力及び／または摂氏１００度及び１ミリケルビン（ｍｉｌｉ  Ｋｅｌｖｉｎ）の間の温度で行われる請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年８月１３日付にて出願された米国仮出願番号第６１／４０１，４９５号の利益を主張し、本願の全ての内容は、本明細書に参考として含まれる。
発明の分野
【０００２】
本発明は、顕微鏡に関する。特に、本発明は、ナノメートルスケールの分光分析用原子間力顕微鏡の利用に関する。
政府の支援
本発明は、国立保健院（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ  ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ）によって付与された承認番号ＨＧ００４４３１及びＨＧ００４５４９の下で政府の支援によってなったものである。米国政府は、本発明に対して所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＡＦＭ）は、表面の化学的磁気（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍａｇｎｅｔｉｃ）２、３及び静電（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ）４、５の特性を有するナノスケールの画像に成功的に適用される。これらの顕微鏡は、関心のある特定の特性を検出して、これを検出可能力に変更するために適切に変形されるプローブチップ（一般的に、シリコーン）に依存する。しかし、ｍＫ温度で核磁気共鳴（ｎｕｃｌｅａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を検出するために利用される磁気共鳴力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を除き、ＡＭＦ基盤走査力顕微鏡（ＡＦＭ  ｂａｓｅｄ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、照射される材料の分光識別（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ではなく、主にナノメートルスケールに関する材料特性を研究することに利用される。ＡＦＭをナノメートルスケール分光分析に対して適用すれば、材料科学及び生物学に新たな機会を与えるであろう。生物学において、ＡＦＭは、分子細胞表面の相互作用を研究することに利用されるか、または、次世代のＤＮＡ塩基配列決定技術（ＤＮＡ  ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）に利用されることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
第１実施例では、物体内に分子ダイポール／マルチポールが生成可能であり、前記プローブチップ上に多重鏡像力及び力勾配を発生させるエネルギーソースを含む、プローブチップを具備した原子間力顕微鏡基盤の装置が提供される。他の実施例において、前記原子間力顕微鏡は、周波数ｆｍで変調されるエネルギービームを放出するエネルギーソースを有する。
【０００５】
第１実施例の他の具体的な形態において、前記エネルギーソースは、波長固定レーザ、波長可変レーザ、磁気イミッタ及び電磁気イミッタである。
【０００６】
第１実施例のまた他の具体的な形態において、前記プローブチップは、カンチレバー及び調音器からなるグループから選択される機械的共振器である。
【０００７】
第１実施例のまた他の形態において、前記エネルギーソースから放出されたエネルギーを前記物体上に集束させるエネルギー集束装置をさらに含む装置が提供される。
【０００８】
他の実施例において、物体内に分子ダイポール／マルチポールが生成可能であり、前記プローブチップ上に多重鏡像力及び力勾配を発生させるエネルギーソースを含む、プローブチップを具備した原子間力顕微鏡基盤の装置が提供される。前記装置は、ＲＦ乃至可視光線及び赤外線波長からナノメートルスケールの分光分析を提供することができる。
【０００９】
他の実施例において、物体内に分子ダイポール／マルチポールを生成するステップと、前記生成結果として、前記プローブチップ上の多重鏡像力及び力勾配を検出するステップとを含む、物体のナノスケールの分光検出方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】鏡像力顕微鏡実験の概路図を示す。
【図２】５４３ｎｍ近くで最大吸収を有するガラス像の６−ｔａｍｒａ染色分子画像を示す；（ａ）及び（ｅ）は、４７５ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示し；（ａ）における図は、破線を横切ってトポグラフィーライン走査を示し；（ｂ）及び（ｆ）は、５４３ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示し；（ｃ）及び（ｇ）は、５９４ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示し；（ｄ）及び（ｈ）は、６３３ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示す。
【図３】ＡＦＭ鏡像力勾配信号及びパーキンエルマー６−ｔａｍｒａ染料吸収スペクトルを示す。
【図４】５９４ｎｍ近くで最大吸収を有する、ガラス像のＹＯＹＯ−３染料分子を示す；（ａ）及び（ｄ）は、５４３ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示し；（ｂ）及び（ｅ）は、５９４ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示し；（ｃ）及び（ｆ）は、６３３ｎｍのレーザラインを有するトポグラフィー及び鏡像力勾配を示す。
【図５】簡素化された画像ダイポール図面及び実験に対する理論の比較を示す；（ａ）は、ガラス基板上のパーティクル上のＰｔチップを示した実験設定；（ｂ）において、ガラス基板は、ガラス基板におけるチップのミラー画像だけでなく、ガラス基板におけるパーティクルのミラー画像に代替することができる；（ｃ）は、チップ−基板の間隔によるＰｔチップ上の力勾配（基板上にパーティクルなし）を示し；実験曲線−点線；有限要素の電磁気シミュレーション曲線−実線；（ｄ）は、Ｐｔチップ内の複数の（強い）画像及びガラス基板で（弱い）画像を結合させることで、（ｂ）から近似されたトータル相互作用を示し；（ｅ）は、弱い画像を無視することで、（ｄ）における状況の近似を示し；（ｆ）は、Ｐｔチップと相互作用するガラス基板上の１ｎｍのパーティクルに対する間隔をサンプリングするために、鏡像力勾配対チップの有限要素の電磁気シミュレーションを示す。
【図６】基板の上部にパーティクルが置かれた状態でチップ近くの電場（Ｅ）／入射電場（Ｅ０）の比の分布を示す。
【図７】パーティクルに近い拡張されたＥ／Ｅ０分布を示す。
【図８】ガラス表面をタッチしているＰｔチップでシミュレーションした抵抗加熱分布を示す。
【図９】ガラス基板から０．５ｎｍ後退したＰｔチップにおけるシミュレーションした抵抗加熱分布を示す。
【図１０】光熱変位の計算時に利用されたチップの幾何学的構造を示す。
【図１１】チップにおけるシミュレーションした瞬間温度分布を示す。
【図１２】（ａ）はダイポール及び距離ｄにおけるその領域（ｆｉｅｌｄ）を示し、（ｂ）はチップダイポールμｔと結合されたパーティクルのダイポールμｐを示す。
【図１３】チップとパーティクルの相互作用に対して計算された力勾配の比較を電気力シミュレーションと比較して示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
カンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）が第１機械的共鳴ｆ０（図１）で振動される引力モード（ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ  ｍｏｄｅ）ＡＦＭ７基盤の顕微鏡が提供される。ｆ０における振動幅（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）の変化は、チップと物体との間のファンデルワールス（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌ）引力を検出し、また、トポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）フィードバック信号を得ることに利用され、従来のタッピング（ｔａｐｐｉｎｇ）モードＡＦＭで物体上にＡＦＭプローブを安定させる。ｋ＝３ｎ／ｍの剛性定数及びｆ０＝６５ＫＨｚの第１機械的共鳴を有するカンチレバーを利用した。ｆｍ＝３６０ＫＨｚのレーザ変調周波数を選択し、ｆ０＋ｆｍの上部側波帯における周波数は、４２５ＫＨｚとして検出された。
【００１２】
従来の方法と違って、物体の特徴体の間の鏡像力勾配（ｆｏｒｃｅ  ｇｒａｄｉｅｎｔ）を変調する周波数ｆｍにおける励起／レーザビーム（エネルギーソース）及びｆｍにおけるチップ内のミラー画像を変調する。この力勾配変調は、ｆ０＋ｆｍ及びｆ０−ｆｍで側波帯を生成するカンチレバー機械的共鳴周波数を順に変調する。カンチレバーの第２機械的共鳴の上部に置かれるように配列されたｆ０＋ｆｍ側波帯は、物体が２次元光学画像を記録するためにラスター走査（ｒａｓｔｅｒ  ｓｃａｎ）される状態で、ロックインアンプ（ｌｏｃｋ−ｉｎ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を利用して検出される。ロックインに対する参照は、ｆ０＋ｆｍを中心とするバンドパスフィルターに引き続いて、２重平衡型混合器（ｄｏｕｂｌｅ  ｂａｌａｎｃｅｄ  ｍｉｘｅｒ）でｆ０及びｆｍ駆動信号を混合することで得られる。
【００１３】
実験において、１０ｎｍ半径の白金でコーティングされたシリコーンチップは、ガラス顕微鏡カバースライドを介在して集束させる（ｆｏｃｕｓｅｄ）油浸対物レンズ（ｏｉｌ  ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）（ＮＡ＝１．４５）を利用して、レーザビームによって照明される。レーザ、電磁気、または他のエネルギーソースが利用されることにより、カンチレバーチップは、当業者に知られている他の適宜な金属でコーティングされることができる。このような金属は、これに限らないが、白金などの貴金属及びニッケルなどの強磁性金属を含む。他の実施例において、カンチレバーのチップはコーティングされない。集束されたレーザは、物体内に光学ダイポールモーメントを生成（励起）する。チップがガラス表面上の物体に接近するほど、この励起されたダイポールは、チップ内のミラー画像を検出／確認し、その結果、プローブチップ上に引力及び力勾配を引き起こす。段落００１１で言及したように、プローブチップ上のこの力及び力勾配は、カンチレバーの第２機械的共鳴の上部に置かれるように配列されたｆｏ＋ｆｍ側波帯でカンチレバー応答を測定することで検出される。実験は、ｆｏ＋ｆｍ側波帯が第２機械的共鳴の上部に置かれるようにする設定（ｓｅｔｕｐ）で行われるが、ｆｏ＋ｆｍ側波帯は、カンチレバーのより高い機械的共鳴の上部に置かれることができる。このダイポールとダイポールとの相互作用をさらに向上させるために、対物レンズの入射瞳（ｅｎｔｒａｎｃｅ  ｐｕｐｉｌ）で放射状偏光子（ｒａｄｉａｌ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）（ＡＲＣｏｐｔｉｘ）を利用する。この光学機器は、４個のレーザ（λ＝６３３ｎｍ、５９４ｎｍ、５４３ｎｍ、４７５ｎｍ）を対物レンズに対して独立して結合できるように配置される。対物レンズの入射瞳における光パワーは、略１００μＷになるように調節された。
【００１４】
他の実施例において、サンプルの吸収波長が知られていない場合は、波長可変レーザ／励起装置が利用されてもよい。また、他の実施例では、電磁気または磁気励起装置が物体を励起することに利用されてもよい。より一般的な実施例では、物体を励起することができるエネルギーソースが利用されてもよい。
【００１５】
第一の実験は、６−ｔａｍｒａ染料（ｄｙｅ）を利用して行われた。水に溶解された４×１０−７ｍＭの６−ｔａｍｒａ染料１００μＬ滴を綺麗なガラス顕微鏡カバースライド上に収集してこれを乾燥させた。染料は、略５０ｎｍの平均寸法を有した小さい島状（ｉｓｌａｎｄｓ）に凝集され、最も小さい特徴体（図２で矢印で指定される）は、略１０ｎｍであった。５４３ｎｍの光学共鳴ピーク近くの一連の波長におけるトポグラフィー（図２の一行目）及び光学鏡像力勾配（図２の下の行）を同時に記録した。予想通り、画像で若干の熱ドリフト（ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｒｉｆｔ）を除き、トポグラフィー信号は、波長によるコントラスト変化がないことを示す。一方、鏡像力信号は、最大コントラストが観察された５４３ｎｍで光学共鳴を通じて走査（ｓｃａｎ）した時、鮮明なコントラスト変化を示す。４７５ｎｍ及び６３３ｎｍで光学鏡像力顕微鏡の写真では、事実上、コントラストが見えなかった。光学鏡像力顕微鏡の写真は、背景信号が記録された全ての波長で同一になるように正規化された。分光コントラスト（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｃｏｎｔｒａｓｔ）を示す記録された最も小さい光学鏡像力特徴体は、側面寸法が１０ｎｍであり、６−ｔａｍｒａ分子の高さに対応する０．５ｎｍの特徴体高さを有した。チップ直径が略１０ｎｍであるので、最も小さい物体特徴体は、１０ｎｍより顕著に小さい側面寸法を有さなければならないと推論することができる。
【００１６】
撮像概念をさらに立証するために、６−ｔａｍｒａ染料の厚い層をガラス顕微鏡カバースライドに塗布（ｓｐｒｅａｄ）し、パーキンエルマーラムダ４０分光光度計（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ  Ｌａｍｂｄａ  ４０  ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）を利用してフィルムの吸収スペクトルを記録した。図３は、記録されたパーキンエルマースペクトル（実線）上に重畳された波長による６−ｔａｍｒａ島状（ｉｓｌａｎｄ）上に記録された光学鏡像力勾配信号を示す；一致する。
【００１７】
第二の実験において、ＹＯＹＯ３染料（λ＝５９４ｎｍ近くのピーク吸収）を利用して６−ｔａｍｒａ実験と類似した実験を行った。この実験では、ＹＯＹＯ３島状（ｉｓｌａｎｄ）内に塵埃（ｄｕｓｔ）を閉じこめた。図４（一行目）は、島状の中心における塵埃が鮮明に見える５４３ｎｍ、５９４ｎｍ及び６３３ｎｍに記録された一連のトポグラフィー画像を示す。図４（二行目）は、同時に記録された光学鏡像力勾配顕微鏡の写真を示す。最も高い分光コントラストは、λ＝５９４ｎｍで観察され、予想通り、塵埃パーティクルは分光コントラストがないことを示す。
【００１８】
観察された光学コントラストに対する４つの可能性のある候補がある。第一の二つの候補は、写真変位顕微鏡（ｐｈｏｔｏ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）８から得られる。第一の場合に、チップ−強化光学分野（ｔｉｐ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｅｌｄ）は、チョッピング（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）周波数ｆｍでガラス基板の温度増加及び対応する周期的膨脹を引き起こす共鳴周波数でチップ下方の分子内に非常に局所化された光吸収をもたらすことができる。しかし、このような場合は、ΔＬ＝Ｐａｂｓα／κ（ここで、Ｐａｂｓは、チップ下方の局所吸収パワーであり、αは、熱膨脹係数であり、κは、ガラス基板の熱導電率）によって９表れる膨脹振幅（ΔＬ）になるであろう。吸収断面σ＝１０−１６ｃｍ２を有するチップ下方の単一分子を仮定すれば、前記設定を利用して検出されるには小さ過ぎるΔＬ＝６×１０−１８ｍを得る。第二の場合に、光学分野は、これを周期的に膨脹させるチップ内に光吸収をもたらすことができる。実験に対するこの状況を計算し、シミュレーションして、その結果として得られた周期的膨脹振幅が本方式（補充資料を参照）によって検出されるには小さ過ぎる２．１×１０−６ｎｍより小さいことを発見した。第三候補の可能性は、吸収された光パワーによる分子の直接膨脹から引き起こされる。分子吸収されたパワーによる１０Ｋの非常に高い温度増加及びα＝１０−６／Ｋを仮定すれば、分子の膨脹は、前記設定で検出されるには小さ過ぎる略２×１０−６ｎｍになると推定される。第四のコントラストメカニズムは、本明細書で提案された、即ち、走査プローブチップで物体とその画像ダイポールとの間の鏡像力勾配である。
【００１９】
鏡像力勾配の推定値を含ませるために、チップサンプルの相互作用の有限要素（ＣＯＭＳＯＬ）分析を行った。物理学の核心的特徴は、基板上のパーティクルと相互作用するチップを示した図５の（ａ）を参照して理解することができる。ガラスでチップのミラー画像だけでなく、ガラスにおけるパーティクルのミラー画像に交替することで、ガラス基板の効果を含ませることができる。図５（ｂ）；ガラスミラーの複合反射率（Ｒ）は、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）方程式であるＲ＝（１−ｎ）／（１＋ｎ）によって表れ、ｎは、ガラスの複合屈折率である。図５の（ｂ）の状況を図５の（ｂ）におけるパーティクル／画像の対を（弱い）チップミラー画像及びチップにおけるマルチ反射させる図５の（ｄ）で近似（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ）させる。弱い反射を無視すれば、図５の（ｄ）における状況をパーティクルがチップでミラー画像と本来相互作用している図５の（ｅ）で近似させることができる。図５の（ｃ）の点線は、（パーティクルのない）図５の（ａ）における状況の完全（ｆｕｌｌ）電磁気シミュレーションを利用して算出されたチップ−基板の間隔対光学鏡像力勾配を制御ルーフが瞬間的に開放された状態で獲得された実験接近曲線と比較して示す；検出された信号は、測定されたチップ振動振幅に対して規定化された。チップがサンプル表面から後退した状態で、カンチレバーの振動振幅は４０ｎｍであった。図５の（ｆ）は、パーティクルのある図５の（ａ）の場合に対するチップ−パーティクルの間隔対算出された力勾配を示す。予想通り、非常に局所化された鏡像力ダイポール結合により、（ｎｍ距離にわたって）信号の急速な減衰を確認する。また、この急速な減衰を実験的に観察する。今までは走査システムで熱ドラフトによるこの減衰曲線を記録しようとしたが、チップが表面から単に１ｎｍのみ後退した場合（トンネリング顕微鏡のように）も画像コントラストは完全に消える。図５の（ｅ）の場合に対する簡素化されたダイポール理論演算及び完全電磁気場演算は、補充資料で提供される（下記参照）。
【００２０】
測定されたデータから鏡像力及び力勾配を推定することができる。４２５ＫＨｚの第２共鳴でＳ／Ｎ比は、１０Ｈｚの帯域幅で３０ｄＢであった。第２共鳴Ｑ１において、Ｑは１１５であり、基本（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ）Ｑ２において、Ｑは１１５であった。これから、検出された力は、２．７×１０−１２Ｎであり、力勾配は２．１×１０−５Ｎ／ｍであった（補充資料参照）。真空で作動させ、Ｑを１０，０００に増加させるか、さらに低い温度にするか、カンチレバー共鳴周波数を増加させるか、または、さらに低い剛性のカンチレバー６、７を利用することで、検出可能力は１０−１８Ｎ範囲に減少されることができる。
【００２１】
結論として、走査プローブチップで物体とそのミラー画像との間の鏡像力勾配の検出に基づいて、新しい技法の走査顕微鏡を導入した。チップから散乱する光に基づいた亀裂のない近接顕微鏡１０、１１は、可視光線から赤外線までのナノ有効範囲の物体を撮像するにあたって非常に成功的であるが、近接相互作用の遠距離検出に基づいているため、信号が非常に弱い。しかし、本方法は、適切な周波数のエネルギーソースを利用することで、ＲＦ乃至可視光及び赤外線波長から拡張されることができ、この技法を利用すれば、可視波長（ｖｉｓｉｂｌｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で原子分解能（ａｔｏｍｉｃ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を達成することに妨害物がないことが分かる。また、電子及び磁気振動は、同一の技法を利用して撮像されることができる。従って、開示された方法は、１００ｍ〜１０−２ｎｍのナノ有効範囲の物体を撮像することができる。
【００２２】
これらの例では、カンチレバーが利用されたが、調音器（ｔｕｎｉｎｇ  ｆｏｒｋ）または当業者に知られた他の機械的共振器が代用されることができる。また、上述した例では、物体／サンプル上にレーザビームを集束させるために光学レンズが利用されたが、他のエネルギー場が利用される実施例では、電気ビーム集束装置などの他の集束装置が利用されることができることが当業者なら分かるであろう。また、エネルギーソース（レーザビーム）がサンプルの底部からチップ及びサンプル領域を向かうように示されたが（図１）、エネルギーソースは、チップ及びサンプル領域の上部または側面からチップ及びサンプル領域に向かってもよい。上側照明に対して、ナノセンサー（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ．ｃｏｍ）からＡｄｖａｎｃｅＴＥＣラインのカンチレバーなどの突出チップを具備したカンチレバーが利用されてもよい。
【００２３】
本例では、「ダイポール」に対して言及したが、前記方法及び装置は、「マルチポール」分子に対するナノメートルスケール顕微鏡に対しても適用可能である。
補充資料
Ｉ．電磁気場及び鏡像力シミュレーション
【００２４】
有限要素パッケージＣＯＭＳＯＬでマクスウェル方程式を解くことで、３Ｄシミュレーションを行った。入射波（波長５４３ｎｍ）は、チップ軸に沿った電場及び集束された１００μＷレーザスポットと同一の振幅を有した平面波としてモデリングされた。
【００２５】
問題領域を簡素化し、メモリー効率を増加させるために、Ｘ座標で対称が利用される。公開された実験材料パラメータ１を利用してＰｔチップ及びガラス基板をモデリングした。チップは、高さが０．２９μｍであり、実験で利用されたチップと同一の曲律半径を有する楕円としてモデリングされた。このシミュレーション領域は、０．５×１．０×１．８μｍであった。有限領域は、０．５マイクロメートル厚さの完璧にマッチした層（ＰＭＬ）を利用してシミュレーションされた。ガラス及び空気インターフェースを隣接ＰＭＳ層とマッチングした。
【００２６】
基板上のチップ及び基板上のパーティクル上のチップの二つの場合を考慮した。パーティクルは、６ｔａｍｒａ分子を含む１ｎｍ直径の球体（ｓｐｈｅｒｅ）であった。６ｔａｍｒａの吸収反応は、共鳴２で理想的なロレンチアン（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ）オシレーターによって表れる。ロレンチアンモデルから６ｔａｍｒａ分子を含むパーティクルに対する複合誘電定数１．７−７．１ｉを抽出した。
【００２７】
パーティクル近くにおける電場分布が図６及び図７に示される。
【００２８】
チップ上の鏡像力のｚ方向は、チップ表面３に対してマクスウェル応力テンソル（Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｔｅｎｓｏｒ）のバウンダリーインテグレーションを行うことで算出された。
【００２９】
【数１】
2013534323.tif 000003
【００３０】
マクスウェル応力テンソル（Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｔｅｎｓｏｒ）は、下記の式によって表れる。
【００３１】
【数２】
2013534323.tif 000004
【００３２】
最終的に、力勾配は、力対距離曲線の数値微分法（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）によって算出された。
ＩＩ．チップ加熱効果の分析及び推定
【００３３】
チップ内に電磁気吸収によるパワーの時間平均された（光学周波数）沈積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を算出する機能が組み込まれたＣＯＭＳＯＬを利用する。再度、実験とマッチしたパラメータを使用した。チップは、１０ｎｍの、白金でコーティングされた１０ｎｍ以上の直径を有したシリコーンコアで構成される。先ず、前記で説明したように、電磁気場分布を算出し、チップ内の堆積されたパワー密度を計算した。図８及び図９は、チップ内のカラーコーディングされたパワー密度分布を示す。堆積されたパワーは、チップの最短部における半径が略２ｎｍの半球型領域に大部分局所化される。平均パワー密度は、チップがガラスサンプルと接触する場合（図８）に、１．０×１０１８Ｗ／ｍ３であり、チップがガラス表面から０．５ｎｍ後退した場合（図９）は、０．５×１０１８Ｗ／ｍ３である。金表面上の金チップの特殊な場合に対してシミュレーションを繰り返すことで、ダウンズ（Ｄｏｗｎｅｓ）など４の出刊された著作物に対するＣＯＭＳＯＬシミュレーションを立証する。
【００３４】
沈積されたパワーは、鏡像力顕微鏡信号を導出するために、ｆｍ（実験では、一般的に３６０ＫＨｚ）から減少（ｃｈｏｐ）される。この変調結果は、チョッピング周波数でチップのＡＣ拡張だけでなく、ＤＣ拡張をもたらす。コントラストは、ＡＣ信号から導出されるので、コントラストＤＣ拡張は発生せず、それ以上考慮されないであろう。光熱変位のＡＣ成分に対する式を導出するために、光熱変位分光学の観点でブラック（Ｂｌａｃｋなど５）によって表れる公式に従う。
図１０は、本導出（ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ）に利用されたチップの幾何学構造（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を示す。
【００３５】
このモデルにおいて、熱は、タップの最短部で沈積され、その変調は下記の式によって表れる熱拡散長さＬｔによって定義される距離で初期値の１／ｅで遅延される熱波（ｔｈｅｒｍａｌ  ｗａｖｅ）をセットアップする。
【００３６】
【数３】
2013534323.tif 000005
【００３７】
ここで、κは、チップの熱伝導率であり、ρは、密度であり、Ｃは、比熱（ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｈｅａｔ）であり、ｆｍは、光学チョッピング周波数である。チップに利用される材料特性に対しては、Ｌｔは、熱沈積領域のサイズより遥かに大きいため、参照５で定義するように、低い周波数限界にある。
【００３８】
単一サイクルの変調上の温度上昇（ΔＴ）は、下記の式によって示す。
【００３９】
【数４】
2013534323.tif 000006
【００４０】
ここで、Ｐは、吸収されたパワーのピーク−ピーク変調であり、Ｖは、加熱中の材料の体積である。この場合、加熱された体積は、底部におけるチップ端部及び上部における熱拡散長さによって境界付けられる円錐状の領域である。円錐体の半角はθである。Ｖは、下記の式によって表れ、
【００４１】
【数５】
2013534323.tif 000007
【００４２】
ピーク−ピーク温度変調は、
【００４３】
【数６】
2013534323.tif 000008
【００４４】
である。
この温度変調は、下記の式によって表れるピーク−ピークチップ拡張（δＬ）を発生させる。
【００４５】
【数７】
2013534323.tif 000009
【００４６】
ここで、αは、チップの熱膨脹係数である。ΔＴに対する置換は、ピーク−ピーク拡張を発生させる。
【００４７】
【数８】
2013534323.tif 000010
【００４８】
シリコーンにおいて、熱拡散長さは、白金のほぼ２倍であるので、δＬを推定するために、白金の熱的パラメータではなくシリコーンの熱的パラメータを利用する。１ｎｍ半径の半球（ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ）上に沈積された吸収されたパワー（Ｐ）は、１０−９×２π／３Ｗである。シリコーンに対する熱的パラメータをκ＝１４８Ｗ／ｍＫ、α＝４．７×１０−６及び１０°のチップ円錐体半角としてった場合に、カンチレバーの熱雑音の０．０１倍であるピーク−ピーク拡張δＬ＝２．１×１０−６を得た。
【００４９】
また、有限要素電磁気シミュレーションから吸収されたパワーを一時的な熱分析に対するＣＯＭＳＯＬエネルギー転送モデルに入力させることで、温度上昇及びチップの拡張をシミュレーションした。温度分布は、図１１に示す。計算されたチップ熱膨脹は、前記で導出された閉鎖型膨脹値より５倍小さい４．１×１０−７である。
ＩＩＩ．検出された力及び力勾配の推定
【００５０】
この段落では、検出された力及び力勾配を推定する。一般的な実験において、４２５ＫＨｚの第２カンチレバー共鳴で測定された信号／雑音は、１０Ｈｚのバンド幅で３０ｄＢである。第２共鳴でカンチレバーの熱雑音振幅Ｎは、下記の式６によって表れる。
【００５１】
【数９】
2013534323.tif 000011
【００５２】
ここで、ｋ２は、第２共鳴でカンチレバー剛性であり、Ｋは、ボルツマン定数であり、Ｂは、システムバンド幅であり、Ｑ２は、カンチレバー第２共鳴のＱであり、Ｔは、絶対温度であり、ω＝２π×４２５ＫＨｚであり、Ｎ＝２．４×１０−４ｎｍである。光学鏡像力に対応する測定された屈折（Ｘ）は、この値または２．４×１０−３以上の２０ｄＢであり、対応する力Ｆ＝ｋ２Ｘ／Ｑ２または２．７×１０−１２Ｎである。カンチレバー雑音Ｎに基づいた最も小さい検出可能光学力は、２．７×１０−１３Ｎである。
【００５３】
Ｎを減少させることで、さらに低い温度にするか、さらに高いＱに対して真空で作業するか、さらに低い剛性のカンチレバーを利用するか、または、さらに高いカンチレバー周波数にすることで、最小検出可能光学力を顕著に減少させる。
【００５４】
検出された鏡像力勾配を次のように推定する。３６０ＫＨｚで減少された光学ビームは、第１共鳴、または『搬送周波数』（６５ＫＨｚ）でカンチレバー振動振幅を順に変調させるチップとサンプルとの間の鏡像力勾配を変調する。この変調は、４２５ＫＨｚ及び２９５ＫＨｚでキャリアを中心として『側波帯』を発生させる。変調指数がｍであれば、側波帯対キャリア比は、ｍ／２である。
【００５５】
ｍ／２＝１０−４であり、ｍ＝２×１０−４になるように、実験で測定された側波帯対キャリア比は、−８０ｄｂ（第２共鳴でＱ強化（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）が考慮された後）であった。カンチレバー上に作用する光学鏡像力勾配変調（Ｆ’）による第１共鳴周波数において、カンチレバー振動振幅（Ａ）で変化（Ａ）は、下記の式によって表れる。
【００５６】
【数１０】
2013534323.tif 000012
【００５７】
ここで、ｋ１は、カンチレバー強度であり、Ｑ１は、第１共鳴周波数でＱ因子である。ΔＡ／Ａは、ΔＡ／Ａ＝２ｍの関係によりｍと関連することができるので、前記方程式は、Ｆ’を算出する。
【００５８】
【数１１】
2013534323.tif 000013
【００５９】
Ｍ＝２×１０−４、Ｑ１＝１１５及びｋ１＝３Ｎ／ｍを置換すると、Ｆ’＝２．１×１０−５Ｎ／ｍを得る。
ＩＶ．画像ダイポールモデルの近似及び電気力（ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ）シミュレーションとの比較
【００６０】
この段落では、チップ・パーティクル力及び力勾配に対する閉鎖形態表現式（ｃｌｏｓｅｄ  ｆｏｒｍ  ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ）を導出するために、簡素化されたダイポール理論を説明する。本願の図５（ｅ）に示すように、チップ上のミラー画像と相互作用するパーティクルダイポールの演算に対する問題を単純化することができる。関連寸法は、光学波長より遥かに少ないので、後方（ｒｅｔｒａｄａｔｉｏｎ）効果を無視すれば、静電気近似は有効である。図１２を参照すると、ダイポールからの距離（ｄ）で電場のｚ成分は、下記の式によって表れ、
【００６１】
【数１２】
2013534323.tif 000014
【００６２】
ここで、２ｌは、ダイポール長さである。チップ上に導入されたダイポールは、下記の式によって表れ、
【００６３】
【数１３】
2013534323.tif 000015
【００６４】
ここで、Ｅｐは、パーティクルダイポールによるチップにおける電場である。パーティクル上に導入されたダイポールは、下記の式で表れ、
【００６５】
【数１４】
2013534323.tif 000016
【００６６】
ここで、Ｅｔは、チップダイポールによるパーティクルにおける電場である。方程式（２）及び（３）を解いて、Ｅｐに対する表現式を得て、下記の式からチップ上の力（Ｆ）を導出する。
【００６７】
【数１５】
2013534323.tif 000017
【００６８】
ここで、ε＝Ｅ＋Ｅｐである。
また、下記の式から力勾配（Ｆ’）
【００６９】
【数１６】
2013534323.tif 000018
【００７０】
小さいｌ（＜＜ｄ）の限界で、鏡像力は、ｄ−５の鏡像力スケールのｄ−４勾配に調節される。
図１３は、電気力シミュレーションに比較して、方程式５を利用して計算されたチップ−パーティクル間隔対力勾配の対比を示す。計算された曲線において、ｌ＝０．５ｎｍとし、スケーリング定数（Ｅ２αｐαｔ）を調節してシミュレーションされた曲線に合わせた。
参照文献（全ての内容は本明細書に参考として含まれる）
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１７．  Ｍａｒｔｉｎ，  Ｙ．，  Ｗｉｌｌｉａｍｓ，  Ｃ．  Ｃ．  ＆  Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ，  Ｈ．  Ｋ．，  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ６１（１０），  ｐｐ  ４７２３−４７２９  （１９８７）．
【図２】
2013534323.tif 000019
【図３】
2013534323.tif 000020
【図４】
2013534323.tif 000021
【図１２（ａ）】
2013534323.tif 000022
【図１２（ｂ）】
2013534323.tif 000023
【図１】
2013534323.tif 000024
【図５】
2013534323.tif 000025
【図６】
2013534323.tif 000026
【図７】
2013534323.tif 000027
【図８】
2013534323.tif 000028
【図９】
2013534323.tif 000029
【図１０】
2013534323.tif 000030
【図１１】
2013534323.tif 000031
【図１３】
2013534323.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月26日(2013.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子間力顕微鏡基盤の装置において、
目的のサンプルを係合するためのプローブチップであって、該プローブチップを第１周波数で振動させることができる構造体に結合されたプローブチップと、
第２周波数で変調される電磁放射線を前記サンプル上に放出するように構成された電磁波源（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｏｕｒｃｅ）であって、該変調される電磁放射線の第２周波数は、該変調される電磁放射線によって前記サンプル内に生成された分子ダイポール／マルチポール（ｄｉｐｏｌｅ／ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ）および前記プローブチップ内に生成された該分子ダイポール／マルチポールの画像によって生じる、前記サンプルと前記プローブチップとの間の鏡像力を測定するように選択される電磁波源と、
前記サンプル内に生成された前記分子ダイポール／マルチポールおよび前記プローブチップ内に生成された前記分子ダイポール／マルチポールの前記画像によって生じる、前記サンプルと前記プローブチップとの間の前記鏡像力による前記プローブチップの機械的振動を測定するための、前記構造体に動作可能に結合された検出電子装置（ｓｅｎｓｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）とを含む、原子間力顕微鏡基盤の装置。
【請求項２】
前記第１および第２周波数は、それらの結合効果が前記プローブチップを振動させる前記構造体の機械的共鳴を励起するように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１周波数は、前記プローブチップを振動させる前記構造体の前記第１機械的共鳴と一致し、前記第２周波数は、前記第１および第２周波数の線形結合（ｌｉｎｅａｒ  ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）が前記プローブチップを振動させる前記構造体の前記第２機械的共鳴と一致するように選択されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記検出電子装置は、前記プローブチップの前記機械的振動を測定するための光電検出器（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記検出電子装置は、前記光電検出器に接続された位相敏感検波器をさらに含み、該位相敏感検波器は、前記サンプル内に生成された前記分子ダイポール／マルチポールおよび前記プローブチップ内に生成された前記分子ダイポール／マルチポールの前記画像によって生じる、前記サンプルと前記プローブチップとの間の前記鏡像力による前記プローブチップの前記機械的振動に関する信号を測定するように構成されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記電磁波源（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｏｕｒｃｅ）は、波長固定レーザ（ｆｉｘｅｄ  ｗａｖｅ  ｌｅｎｇｔｈ  ｌａｓｅｒ）、波長可変レーザ、磁気エミッタ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｍｉｔｔｅｒ）および電磁気（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）エミッタのうちの少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項７】
目的のサンプルのナノスケール分光検出方法において、
プローブチップを該サンプル上に配置し、該プローブチップは構造体に結合されているステップと、
前記構造体を駆動して第１周波数で前記プローブチップを振動させるステップと、
第２周波数で変調される電磁放射線を用いて前記サンプルを照明し、ここで、該変調される電磁放射線の第２周波数は、該変調される電磁放射線によって前記サンプル内に生成された分子ダイポール／マルチポールおよび前記プローブチップ内に生成された該分子ダイポール／マルチポールの画像によって生じる、前記サンプルと前記プローブチップとの間の鏡像力を測定するように選択されるステップと、
前記サンプル内に生成された分子ダイポール／マルチポールおよび前記プローブチップ内に生成された該分子ダイポール／マルチポールの前記画像によって生じる、前記サンプルと前記プローブチップとの間の前記鏡像力による前記プローブチップの機械的振動を測定するステップとを含む方法。
【請求項８】
前記第１および第２周波数は、それらの結合効果が前記プローブチップを振動させる前記構造体の機械的共鳴を励起するように選択されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１周波数は、前記プローブチップを振動させる前記構造体の前記第１機械的共鳴と一致し、前記第２周波数は、前記第１および第２周波数の線形結合が前記プローブチップを振動させる前記構造体の前記第２機械的共鳴と一致するように選択されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記測定は、前記プローブチップの前記機械的振動を測定するための光電検出器を用いて前記構造体から反射された光を検出することを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記測定は、前記サンプル内に生成された前記分子ダイポール／マルチポールおよび前記プローブチップ内に生成された前記分子ダイポール／マルチポールの前記画像によって生じる、前記サンプルと前記プローブチップとの間の前記鏡像力による前記プローブチップの前記機械的振動に関する位相敏感検波器を用いて前記光電検出器からの信号を検出することを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記変調される電磁放射線は、波長固定レーザ、波長可変レーザ、磁気エミッタおよび電磁気エミッタのうちの少なくとも１つを用いて生成されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【国際調査報告】
2013534323.tif 000033
2013534323.tif 000034