(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの先端に設けられた探針を液体中に浸漬された導電性の試料の表面に近接させ、該カンチレバーをその共振周波数で振動させたときに前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検出するダイナミックモード原子間力顕微鏡を用い、前記試料の誘電特性を測定する測定方法であって、
前記カンチレバーにあって前記探針が位置する面又はその背面の少なくともいずれかに形成された導電体部と、間に液体を挟んで前記導電体部に対向する前記試料との間に、前記カンチレバーの共振周波数よりも高い周波数の搬送波をそれよりも低い周波数の変調波で振幅変調して生成した交流電圧を印加することによって、前記カンチレバーを静電気力により変調周波数で以て振動させ、
その振動成分に基づいて、探針−試料間に作用する静電気力と探針−試料間距離との関係の搬送波周波数依存性を求め、その周波数と静電気力との関係から試料の誘電特性に関する情報を得ることを特徴とする誘電特性測定方法。
【請求項２】
カンチレバーの先端に設けられた探針を液体中に浸漬された導電性の試料の表面に近接させ、該カンチレバーをその共振周波数で振動させたときに前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検出するダイナミックモード原子間力顕微鏡を用い、前記試料の誘電特性を測定する測定方法であって、
前記カンチレバーにあって前記探針が位置する面又はその背面の少なくともいずれかに形成された導電体部と、間に液体を挟んで前記導電体部に対向する前記試料との間に、前記カンチレバーの共振周波数よりも高い第１周波数の交流電圧とそれよりも所定周波数だけ高い又は低い第２周波数の交流電圧とを加算して生成した励振電圧を印加することによって、前記カンチレバーを静電気力により前記第１周波数と第２周波数との差の周波数で以て振動させ、
その振動成分に基づいて、探針−試料間に作用する静電気力と探針−試料間距離との関係について第１周波数と第２周波数との差を一定に保ちつつ第１周波数又は第２周波数への依存性を求め、その周波数と静電気力との関係から試料の誘電特性に関する情報を得ることを特徴とする誘電特性測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法であって、
振幅変調された搬送波電圧である励振電圧の印加に応じて振動するカンチレバーの変位を検出し、その変位の振幅及び／又は位相から静電気力の探針−試料間距離依存性を求めることを特徴とする誘電特性測定方法。
【請求項４】
請求項２に記載の原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法であって、
第１周波数の交流電圧と第２周波数の交流電圧とが加算された励振電圧の印加に応じて振動するカンチレバーの変位を検出し、その変位の振幅及び／又は位相から静電気力の探針−試料間距離依存性を求めることを特徴とする誘電特性測定方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法であって、
カンチレバーの導電体部と試料との間に励振電圧を印加するとともに、さらに該カンチレバーをその共振周波数で自励発振させ、該カンチレバーに作用する静電気力による共振周波数の周波数シフトを検出し、その周波数シフトにおける前記励振電圧に対する振動成分から探針−試料間に作用する静電気力の探針−試料間距離依存性を求めることを特徴とする誘電特性測定方法。
【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て物質の誘電率等の誘電特性を測定する誘電特性測定方法に関し、特に、試料上の局所的な、即ち微小領域における誘電緩和特性の測定に好適な測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の動的特性を解析する手法の一つとして従来から行われているのが、誘電緩和スペクトロスコピーによる誘電緩和特性の測定である。一般に知られている誘電緩和スペクトロスコピー法では、小型の液体セル中に一対の対向電極を挿入して、その電極間の電気的なインピーダンスの周波数特性をインピーダンスアナライザを用いて測定し、そのインピーダンス周波数特性から誘電緩和特性を算出する。こうした方法では、バルク液の全体的な誘電緩和特性を求めることは可能であるものの、例えば電極表面に存在する分子や電気二重層などの誘電緩和特性を測定することはできない。
【０００３】
ところで、近年、各種疾病・疾患の原因究明や医薬品の開発などを目的として、タンパク質やＤＮＡといった生体分子の生体機能発現メカニズムの解明が各所で盛んに進められている。そのためには、まず生体分子の構造を把握することが必要であり、構造把握のための様々な計測手法が開発されている。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ＝Atomic Force Microscope）の分野においても、近年の急速な技術の進展により、超高真空雰囲気中だけでなく液体中や生理学的環境下におけるタンパク質やＤＮＡなどの生体分子の分子スケールでの構造解析が行えるようになってきている。
【０００４】
生体分子の生体機能発現メカニズム解析のためには、生体分子の構造把握だけでなく生体分子の様々な物性を併せて計測することが必要不可欠である。例えば、生体分子の活動を調べる上で生体分子における局所的な誘電緩和特性を知ることは重要であるが、従来の原子間力顕微鏡ではそういった要求に応えることはできない。そのため、上述したような誘電緩和スペクトロスコピー法を用いる、即ち、測定対象の試料を液体に溶解した上でその溶液全体のインピーダンスを測定して誘電緩和特性を求めざるをえないのが実状である。
【０００５】
これに対し、本願発明者らは、近年、ナノメートルスケールでの構造計測及び物性評価が可能である原子間力顕微鏡を用い、試料上の局所的な誘電緩和特性を測定する研究を進めている。これは、原子間力顕微鏡で一般に用いられるカンチレバーに作用する静電気力に基づいて、試料表面の局所的な誘電的特性を評価するという手法である。具体的には、例えば非特許文献１、２では、液体中で導電性のカンチレバーとそれに対向する導電性基板との間に交流電圧を印加したときにカンチレバーに誘起される振動成分の探針−試料間距離依存性を調べた結果として、交流電圧の周波数が高い場合に、カンチレバー表面と液体との間の界面張力の作用が弱まって静電気力による振動が支配的になり、その静電気力が探針−試料間距離依存性を持つことを明らかにしている。
【０００６】
上記現象を図８を用いて説明する。図８は、分析用液体中にカンチレバーが浸漬されている場合における、カンチレバーの導電性表面と分析用液体との界面、つまり固液界面における電気的な等価回路である。図８に示すように、固液界面における等価回路は、界面溶液要素とバルク溶液要素との直列接続回路となる。界面溶液要素とは、電荷移動による抵抗と拡散によるワールブルグインピーダンスとの直列接続回路と、電気二重層容量との並列回路である。他方、バルク溶液要素とは、バルク溶液抵抗とバルク溶液容量との並列回路である。カンチレバーと試料との間に印加される交流電圧の周波数が電気二重層容量の誘電緩和周波数より低い場合には、界面溶液要素に電圧が印加され、界面張力が発生する。一方、上記交流電圧の周波数が電気二重層容量の誘電緩和周波数よりも高い場合には、界面溶液要素に印加される電圧成分は殆ど無視することができ、バルク溶液要素に印加される電圧成分のみを考慮すればよい。そのため、そうした周波数領域では、バルク溶液容量に印加される電圧成分に起因する静電気力、換言すればマックスウェル応力がカンチレバーの変位を支配することになる。
【０００７】
しかしながら、本願発明者の検討によれば、カンチレバーと試料との間に例えば正弦波状の交流電圧を印加し、その交流電圧の周波数で以てカンチレバーを直接的に振動させる励振方法では、カンチレバーの共振周波数よりも高い周波数領域における検出信号の減衰が著しい。そのため、そうした信号から周波数シフトや変位に関する情報を抽出するのは困難である。カンチレバーの共振周波数はカンチレバーのサイズや材質などに依存するが、一般的には１００〜２００kHz程度である。そのため、上記励振方法では、こうした周波数よりも高い周波数領域において振動成分の探針−試料間距離依存性を調べることができず、そうした情報に基づいた誘電緩和特性の測定も行えない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】梅田、ほか５名、「静電気力励振を用いた液中FM-AFM観察」、第57回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、2010年3月、社団法人応用物理学会
【非特許文献２】梅田、ほか５名、「固液界面における局所電荷分布計測へ向けた静電気力の探針−試料間距離依存性に関する研究」、第71回応用物理学会学術講演会講演予稿集、2010年9月、社団法人応用物理学会
【非特許文献３】ヨコヤマ（Hiroshi Yokoyama）、ほか１名、「イメージング・ハイ・フリクエンシー・ダイエレクトリック・ディスパージョン・オブ・サーフェシズ・アンド・シン・フィルムズ・バイ・ヘテロダイン・フォース−デテクテッド・スキャンニング・マックスウェル−ストレス・マイクロスコピー（Imaging high frequency dielectric dispersion of surfaces and thin films by heterodyne force-detected scanning Maxwell-stress microscopy）」、コロイズ・アンド・サーフェシズ・エー：フィジコケミカル・アンド・エンジニアリング・アスペクツ（Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects）、Vol.93、1994年、p.359-373
【非特許文献４】ウィトパル（V. Wittpahl）、ほか３名、「クゥオンタティブ・ハイ・フリクエンシー−エレクトリック・フォース・マイクロスコープ・テスティング・オブ・モノリシック・マイクロウェイブ・インテグレイテッド・サーキッツ・アット・20 GHz （Quantitative high frequency-electric force microscope testing of monolithic microwave integrated circuits at 20 GHz）」、マイクロエレクトロニクス・リライアビリティ（Microelectronics Reliability）、Vol.39、1999年、p.951-956
【非特許文献５】ギーシブル（F. Giessibl）、「アドバンシズ・イン・アトミック・フォース・マイクロスコピー（Advances in atomic force microscopy）」、レビュー・オブ・モダン・フィジックス（Review of Modern Physics）、Vol.75、2003年、p.949-983
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、カンチレバーの共振周波数を超えた高い周波数領域におけるカンチレバーの振動の検出を可能とし、それによって探針−試料間に作用する交流静電気力の探針−試料間距離依存性を測定することで、幅広い周波数範囲に亘る試料上の局所的な誘電緩和特性などの誘電特性を測定することを可能とした誘電特性測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述したように、液体中でカンチレバーを交流的に励振したときにカンチレバーに作用する力には主として静電気力と界面張力効果とがあるが、振動の周波数が高い領域ではカンチレバーに作用する力は静電気力が支配的になる。静電気力は印加される電圧の２乗に比例することから、静電気力を検出する静電気力顕微鏡（ＥＦＭ）などでは、周波数の異なる２つの交流電圧を探針−試料間に印加し、その２つの交流電圧の周波数差でもって探針を励振する手法（非特許文献３）や、振幅変調した高周波電圧を探針−試料間に印加し、その変調信号の周波数で探針を励振する手法（非特許文献４）が知られている。
【００１１】
これら従来の手法はいずれも大気中での励振であって液体中のような界面張力効果の影響が殆どない環境下ではあるものの、本願発明者は、このような場合に静電気力が印加電圧の２乗に比例する点に着目し、液体中でのカンチレバーの励振に振幅変調した高周波交流電圧や２つの異なる周波数の交流電圧を利用することに想到した。また、実験及びシミュレーション計算により、探針−試料間に振幅変調した高周波交流電圧を印加したとき、搬送波電圧の周波数を或る程度以上高くしておけば、カンチレバーに作用する静電気力と探針−試料間距離との関係が強い搬送波周波数依存性を有することを見いだした。カンチレバーに作用する静電気力は、試料表面及びカンチレバー表面に形成された電気二重層容量及びバルク溶液容量の誘電特性に影響を受ける。そのため、カンチレバーに印加する振幅変調交流電圧の搬送波周波数を変えることにより、それらの誘電的分散関係に関する情報を得ることができる。
【００１２】
本発明は上記のような従来にない着想と実験等により得られた知見に基づいてなされたものであり、その第１の態様は、カンチレバーの先端に設けられた探針を液体中に浸漬された導電性の試料の表面に近接させ、該カンチレバーをその共振周波数で振動させたときに前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検出するダイナミックモード原子間力顕微鏡を用い、前記試料の誘電特性を測定する測定方法であって、
前記カンチレバーにあって前記探針が位置する面又はその背面の少なくともいずれかに形成された導電体部と、間に液体を挟んで前記導電体部に対向する前記試料との間に、前記カンチレバーの共振周波数よりも高い周波数の搬送波をそれよりも低い周波数の変調波で振幅変調して生成した交流電圧を印加することによって、前記カンチレバーを静電気力により変調周波数で以て振動させ、
その振動成分に基づいて、探針−試料間に作用する静電気力と探針−試料間距離との関係の搬送波周波数依存性を求め、その周波数と静電気力との関係から試料の誘電特性に関する情報を得ることを特徴としている。
【００１３】
また本発明の第２の態様は上記第１の態様と同様に、カンチレバーの先端に設けられた探針を液体中に浸漬された導電性の試料の表面に近接させ、該カンチレバーをその共振周波数で振動させたときに前記探針と前記試料との間に働く相互作用を検出するダイナミックモード原子間力顕微鏡を用い、前記試料の誘電特性を測定する測定方法であって、
前記カンチレバーにあって前記探針が位置する面又はその背面の少なくともいずれかに形成された導電体部と、間に液体を挟んで前記導電体部に対向する前記試料との間に、前記カンチレバーの共振周波数よりも高い第１周波数の交流電圧とそれよりも所定周波数だけ高い又は低い第２周波数の交流電圧とを加算して生成した励振電圧を印加することによって、前記カンチレバーを静電気力により前記第１周波数と第２周波数との差の周波数で以て振動させ、
その振動成分に基づいて、探針−試料間に作用する静電気力と探針−試料間距離との関係について第１周波数・第２周波数の差を一定に保ちつつ第１周波数又は第２周波数への依存性を求め、その周波数と静電気力との関係から試料の誘電特性に関する情報を得ることを特徴としている。
【００１４】
なお、本発明に係る誘電特性測定方法では、導電性の試料が載置された導電性基板と上記導電体部との間に励振電圧を印加することで、試料と導電体部との間に励振電圧を印加することができる。
【００１５】
また本発明に係る誘電特性測定方法では、振幅変調された搬送波電圧である励振電圧の印加に応じて振動する、又は、周波数の異なる２つの交流電圧が加算された励振電圧の印加に応じて振動するカンチレバーの変位を検出し、その変位の振幅及び／又は位相から静電気力の探針−試料間距離依存性を求めるようにすることができる。この場合、カンチレバーの変位検出方法は特に問わないが、例えば、カンチレバーの背面にレーザ光を照射し、その反射光を受光面が複数に分割された光検出器で検出して到達光の位置を割り出す光てこ方式を利用すればよい。
【００１６】
本発明の第１の態様に係る誘電特性測定方法では、カンチレバーの共振周波数よりも高い周波数の搬送波をそれよりも低い周波数の変調波で振幅変調して生成した励振電圧をカンチレバー（探針）と試料との間に印加する。この印加電圧の周波数、つまり搬送波の周波数を変化させたとき、該周波数が界面の電気二重層の誘電緩和周波数より高くなると、界面溶液要素の分圧比と比べてバルク溶液要素の分圧比が大きくなり、界面張力効果による力は小さくなっていく。一方、カンチレバーに作用する静電気力は電圧の２乗に比例するため、変調波の周波数成分の静電気力が発生し、カンチレバーの振動が誘起される。これにより、静電気力は界面張力効果による力に比べて支配的となる。搬送波の周波数は変調波の周波数（つまりはカンチレバーの共振周波数）と無関係に設定することができ、カンチレバーに作用する静電気力は印加電圧の２乗に比例するため、搬送波の周波数をカンチレバーの共振周波数よりもかなり高い周波数とした場合でも振動検出に十分な振動振幅を得ることができる。
【００１７】
一方、本発明の第２の態様に係る誘電特性測定方法では、カンチレバーの共振周波数よりも高い第１周波数の交流電圧とそれよりも所定周波数だけ高い又は低い第２周波数の交流電圧とを加算して生成した励振電圧をカンチレバー（探針）と試料との間に印加する。この場合には、第１周波数と第２周波数との差の周波数成分の静電気力が発生し、カンチレバーの振動が誘起される。例えば、周波数差を一定に保ちつつ第１周波数及び第２周波数を変化させたとき、それら周波数が界面の電気二重層の誘電緩和周波数より高くなると、界面溶液要素の分圧比と比べてバルク溶液要素の分圧比が大きくなり、界面張力効果による力は小さくなってゆき、カンチレバーに作用する力は静電気力が支配的になる。第１、第２周波数はカンチレバーの共振周波数と無関係に設定することができ、カンチレバーに作用する静電気力は印加電圧の２乗に比例するため、この第２の態様でも第１の態様と同様に、第１、第２周波数をカンチレバーの共振周波数よりもかなり高い周波数とした場合でも振動検出に十分な振動振幅を得ることができる。
【００１８】
また後で詳述するように、本願発明者らの実験によれば、上記のようにカンチレバーを励振させた状態で探針−試料間距離を変化させると、カンチレバーに作用する静電気力は変化し、さらにその静電気力と探針−試料間距離との関係は搬送波周波数（又は第１周波数や第２周波数）に依存する。つまり、静電気力と探針−試料間距離との関係は周波数分散を示す。したがって、この周波数依存性に基づいて誘電緩和特性等の誘電特性を求めることができる。
【００１９】
上記の本発明に係る誘電特性測定方法によれば、高周波数領域において界面張力の影響を抑え、液体中であっても試料と探針との間に作用する静電気力を検出し、これに基づいて試料の誘電特性を得ることができる。ただ、本願発明者の検討によると、探針を試料表面の極近傍にまで接近させた場合、バルク溶液容量が大きくなるため、電気二重層の中のヘルムホルツ層における静電容量が相対的に小さくなって、インピーダンスの上では後者が支配的になる。交流電圧印加によって探針に誘起される静電気力はバルク溶液容量に依存するため、ヘルムホルツ層のインピーダンスが相対的に増加することで、印加された交流電圧成分の大部分がヘルムホルツ層に印加されてしまうことになると、探針先端に静電気力が誘起されなくなり、検出される静電気力の局所性が低下するということが判明した。そこで、試料上の局所的な静電気力をより高い感度で測定したい場合には、カンチレバーを自励発振させ、カンチレバーに働く静電気力の作用によって自励発振の周波数がシフトする量を検出する周波数変調（ＦＭ）検出法を組み合わせるとよい。
【００２０】
即ち、本発明に係る原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法においては、カンチレバーの導電体部と試料との間に励振電圧を印加するとともに、さらに該カンチレバーをその共振周波数で自励発振させ、該カンチレバーに作用する静電気力による共振周波数の周波数シフトを検出し、その周波数シフトにおける前記励振電圧に対する振動成分から探針−試料間に作用する静電気力の探針−試料間距離依存性を求めるようにしてもよい。カンチレバーをその共振周波数で自励発振させるためには既存の方法、例えば光熱励振法などを用いればよい。また、周波数シフトを検出する方法も既存の方法、例えば位相同期ループ回路（ＰＬＬ）による周波数検出方法などを用いればよい。
【００２１】
上記のＦＭ検出法を組み合わせた誘電特性測定方法では、励振電圧における変調周波数（又は２周波の差周波数）がカンチレバーの共振周波数に一致していない場合でも、検出信号は共振周波数の変調として捉えられるために高い感度ゲインが得られる。また、上述した直接検出法では、カンチレバーに働く静電気力によって振動が誘起され、その振動振幅の大きさはカンチレバーの振動中心位置における静電気力によって決定されるのに対し、ＦＭ検出法を用いた場合には、カンチレバーは機械的に加振されており、カンチレバーに働く静電気力によって共振周波数シフトが誘起され、その共振周波数シフトの大きさはカンチレバーがカンチレバー振動周期のうち試料表面に最も近接したときの位置における静電気力によってほぼ決定される（非特許文献５参照）。カンチレバーが試料表面に近接するに伴って、カンチレバーや探針全体に働く静電気力よりも探針先端に働く静電気力が著しく大きくなるため、ＦＭ検出法では上述した直接検出法と比べて探針先端に働く静電気力を選択的に検出することができ、試料の誘電特性をより局所的に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る原子間力顕微鏡を用いた誘電特性測定方法によれば、従来は困難であった、液体中に浸漬された状態である試料の局所的な誘電緩和特性などの誘電特性を測定することが可能となる。また、特にこの誘電特性測定方法はナノメートルスケールでの構造計測が可能な原子間力顕微鏡を用いているため、試料表面の高分解能構造観察と２次元的な誘電特性測定とを並行して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る誘電特性測定方法を実施するための一実施例である原子間力顕微鏡のカンチレバー励振部の概略構成図。
【図２】本実施例の原子間力顕微鏡の要部の概略構成図。
【図３】図１の構成において搬送波周波数を変化させたときの探針−試料間に作用する規格化交流静電気力と探針−試料間距離との関係を実測した結果を示す図であり、（ａ）は純水中、（ｂ）は1-ヘプタノール中に置かれた試料の実測例。
【図４】図３（ｂ）の結果に基づく規格化交流静電気力の周波数依存性を示す図。
【図５】本発明に係る誘電特性測定方法を実施するための別の実施例である原子間力顕微鏡の要部の構成図。
【図６】図５に示した原子間力顕微鏡を用いて測定した探針−試料間距離と周波数シフト振動の振幅との関係の実測例を示す図。
【図７】本発明に係る誘電特性測定方法を実施するためのさらに別の実施例である原子間力顕微鏡のカンチレバー励振部の概略構成図。
【図８】液体に浸漬された状態のカンチレバーの導電性表面と液体との界面付近の等価回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る誘電特性測定方法の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。図２はこの誘電特性測定方法に用いられる原子間力顕微鏡の一実施例の要部の概略構成図、図１はその原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振部の概略構成図である。
【００２５】
図２に示すように、観察対象である試料３は略円筒形状であるスキャナ１の上に載置された試料ホルダ２の上に保持される。試料ホルダ２は金属等の導電体からなり、試料３自体も導電性を有する。スキャナ１は、試料３を互いに直交するＸ、Ｙの２軸方向に走査するＸＹスキャナとＸ軸及びＹ軸に対し直交するＺ軸方向に微動させるＺスキャナとを含み、それぞれ水平位置制御部３３、垂直位置制御部３２から印加される電圧によって変位を生じる圧電素子を駆動源としている。試料３の上方には先端に探針６を備えるカンチレバー５が配置され、このカンチレバー５はカンチレバーホルダ７を介して台座部４に固定されている。液中測定を行うために、この台座部４の一部は下面が平坦なガラス製の透明体４ａとなっている。試料ホルダ２と台座部４との間の空隙は分析用液体８で満たされ、試料３はこの分析用液体８中に浸漬されている。分析用液体８の上面は台座部４（透明体４ａ）の下面に完全に密着しており、探針６が試料３の表面を走査する際にも分析用液体８の液面の揺らぎは生じない。
【００２６】
カンチレバー５のＺ軸方向の変位を検出するために、台座部４の上方には、レーザ光源１１、ミラー１２、１３、及び光検出器１４を含む光学的変位検出部１０が設けられている。光学的変位検出部１０においては、レーザ光源１１から出射したレーザ光をミラー１２で略垂直に反射させ、台座部４の透明体４ａを通してカンチレバー５の背面先端付近に照射する。カンチレバー５はシリコン又は窒化シリコンなどから成るが、その前面（試料３との対向面）及び背面には金（Au）、アルミニウム（Al）、等の金属薄膜５ａが蒸着等により形成されている。それにより、カンチレバー５の背面は鏡面となっており、上方から照射されたレーザ光は高い効率で反射し、再び透明体４ａを通って台座部４の上方に抜ける。そして、このカンチレバー５による反射光はミラー１３を介して光検出器１４に導入される。光検出器１４はカンチレバー５の変位方向（Ｚ軸方向）に複数（通常２つ）に分割された受光面を有するか、或いは、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に４分割された受光面を有する。カンチレバー５が上下に変位すると複数の受光面に入射する光量の割合が変化するから、その複数の受光光量に応じた検出信号を演算処理することで、カンチレバー５のＺ軸方向の変位量を算出することができる。この光検出器１４による検出信号は増幅されて振幅位相検出部３０に入力され、そこで得られたカンチレバー５の変位の振幅・位相に関する情報がデータ処理部３１に与えられる。
【００２７】
導電性の試料ホルダ２は直流成分遮断用のコンデンサ２５を介して励振電圧生成部２１に接続され、一端がカンチレバー５の前面及び背面の金属薄膜５ａと電気的に接続された導電性のリード部２０の他端は本顕微鏡の接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。励振電圧生成部２１は、搬送波発生部２２、変調波発生部２３、振幅変調部２４を含む。搬送波発生部２２はカンチレバー５の共振周波数よりも高い所定の周波数範囲の中の周波数ｆ0の正弦波電圧を発生するものである。一方、変調波発生部２３は搬送波よりも低い周波数でカンチレバー５を励振させたい周波数ｆmの正弦波電圧を発生するものである。振幅変調部２４は、搬送波の振幅を変調波波形に応じて変調する。したがって、振幅変調部２４の出力、つまり試料ホルダ２に印加される励振電圧は周波数がｆ0でその包絡線は変調波波形に一致している。これにより、カンチレバー５前面の金属薄膜５ａと、分析用液体８を間に挟んで対面する導電性の試料３との間に、励振電圧が印加される。なお、コンデンサ２５は、励振電圧生成部２１で生成される励振電圧が切り替えられるときに生じる大きな直流電圧を遮断するためのものである。
【００２８】
また、励振電圧生成部２１、垂直位置制御部３２、水平位置制御部３３は、主制御部３４により制御され、該主制御部３４には測定のために必要な条件やパラメータなどを設定するための操作部３５や測定結果を表示するための表示部３６なども接続されている。
【００２９】
ここで、上記励振電圧がカンチレバー５前面の金属薄膜５ａと試料３との間（以下「探針−試料間」と記す）に印加された場合における、カンチレバー５に作用する静電気力について説明する。
いま、或る電圧Ｖが探針−試料間に印加されたときに、探針−試料間の静電気力Ｆesfは次の(1)式となる。ここで、Ｃtsは探針−試料間の静電容量、ｚは探針−試料間距離である。
【数１】
0005672200.tif 000002
探針−試料間に、直流電圧ＶDCと振幅変調信号（搬送波の角周波数ω0、変調波の角周波数ωm）とを印加する場合、印加電圧Ｖmodは次の(2)式で表される。
【数２】
0005672200.tif 000003
したがって、探針−試料間に電圧Ｖmodを印加したときの探針−試料間の静電気力ＦAMesfは次の(3)式となる。
【数３】
0005672200.tif 000004
(3)式に示すように、静電気力ＦAMesfは、直流成分を始めとする様々な周波数の成分を含むが、その１つとして変調波の角周波数ωmの成分が存在することが分かる。即ち、静電気力ＦAMesfによってカンチレバー５は変調波の角周波数ωmの成分を以て振動するから、例えばロックインアンプなどによりこの特定の周波数成分を検出することにより、角周波数ωm成分のみの静電気力を抽出することが可能である。
【００３０】
上述したように分析用液体８中で金属薄膜５ａと試料３との間に励振電圧が印加されたとき、カンチレバー５に作用する静電気力はωm成分を含むが、実際に金属薄膜５ａに印加される電圧の角周波数はω0の近傍である。この角周波数ω0は図８に示した等価回路において電気二重層容量の誘電緩和周波数よりも高いため、界面溶液要素に印加される電圧成分は無視することができ、変調角周波数ωmに拘わらずバルク溶液要素に印加される電圧成分に起因する静電気力が支配的となる。本発明に係る誘電特性測定方法では、バルク溶液要素に印加される電圧成分に起因する静電気力が支配的になるような搬送波の周波数範囲でカンチレバー５は励振される。
【００３１】
図２に示した構成の原子間力顕微鏡を用い、白金板を試料３とし、変調波周波数ｆmを２kHzに固定して搬送波周波数ｆ0をカンチレバー５の共振周波数以上の範囲で変化させることにより、探針−試料間に作用する静電気力の探針−試料間距離依存性を実測により評価した。具体的には、水平位置制御部３３により試料３上の測定位置（Ｘ−Ｙ位置）を固定し、垂直位置制御部３２によりスキャナ１を駆動して、探針−試料間距離を徐々に且つ段階的に変化させる。そして、搬送波周波数が或る１つに固定された状態で探針−試料間距離を所定範囲で走査しながら、各探針−試料間距離におけるカンチレバー５の変位の振幅・位相を光学的変位検出部１０及び振幅位相検出部３０により検出する。そして、データ処理部３１においてその検出信号に基づいて静電気力を計算する。搬送波周波数を変化させる毎にこれを繰り返すことにより、図３に示したような、搬送波周波数をパラメータとした静電気力と探針−試料間距離との関係が求まる。もちろん、探針−試料間距離が固定された状態で搬送波周波数を徐々に変化させながら、カンチレバー５の変位を検出してもよい。図３（ａ）は純水（２０℃）中、（ｂ）は1-ヘプタノール（Heptanol）（３℃）中での実測結果である。
【００３２】
図３（ａ）の結果を見ると、０．１MHz〜１．０MHzの周波数範囲では搬送波周波数ｆ0によって探針−試料間距離依存性に明確な差異があり周波数分散がみられるのに対し、それ以上の周波数範囲においては探針−試料間距離依存性に差異が殆どないことが分かる。０．１MHz〜１．０MHzの周波数範囲における周波数分散は、振動に対する支配的な要素がバルク溶液要素の中のバルク溶液抵抗からバルク溶液容量に移ったことを示すものである。一方、１．０MHzを超える周波数範囲において周波数分散がみられないのは、この周波数範囲ではバルク溶液要素及び電気二重層容量に誘電緩和などの現象が生じないことを意味している。なお、図中の太い点線は、電気二重層の分圧効果を考慮し、探針及びカンチレバーに作用する静電気力を計算することで求めた理論曲線である。実測で得られた関係は理論曲線と極めてよい一致を示しており、この実測が理論に適合していることが明らかである。
【００３３】
一方、図３（ｂ）の結果を見ると、０．１MHz〜１０MHzの周波数範囲では探針−試料間距離依存性に差異が殆どないのに対し、３０MHz以上の周波数範囲において探針−試料間距離依存性に明確な差異があり周波数分散がみられることが分かる。０℃における1-ヘプタノールの誘電緩和周波数は約４２．５MHzであるから、３０MHz以上の周波数範囲での周波数分散は1-ヘプタノールの誘電緩和現象に起因し、誘電緩和周波数より高い周波数領域ではバルク溶液容量が小さくなり、探針が近接したときでも、ヘルムホルツ容量に印加される交流電圧成分が減り探針先端に大きな静電気力が働いた結果であると推測できる。
【００３４】
図３（ｂ）の実験結果の中で試料最近傍における規格化交流静電気力を搬送波周波数に対してプロットし直したのが図４である。この図４を見れば、１０MHz以上の周波数範囲で静電気力の変化が確実に捉えられていることが分かる。この静電気力は探針６の先端とそれに対向する試料３上の特定の位置との間に作用する静電気力であり、該試料３上の特定位置の局所的な誘電特性を反映している。したがって、上述したように搬送波周波数を変化させたときの静電気力と探針−試料間距離との関係を原子間力顕微鏡により測定するという方法によって、数十MHz以上の周波数領域における誘電緩和現象をも明瞭に把握できることが確認できる。
【００３５】
上記実施例では、金属薄膜５ａと試料３（実際には試料ホルダ２）との間に、励振電圧生成部２１から、搬送波を変調波により振幅変調することで生成した励振電圧を印加し、その変調波の周波数で以てカンチレバー５を振動させるようにしていたが、異なる２つの周波数の交流電圧を加算した励振電圧を印加し、その周波数の差で以て、つまり２つの周波数のうなり成分によってカンチレバー５を振動させるようにしてもよい。
【００３６】
図７は、図１に示した実施例において励振電圧生成部の構成を変更した別の実施例の構成図である。励振電圧生成部２１０において、第１波発生部２２０はカンチレバー５の共振周波数よりも高い所定の角周波数ω0の正弦波電圧を発生し、第２波発生部２３０は角周波数ω0に対してカンチレバー５を励振させたい角周波数ωmだけ高い（又は低い）角周波数ω0＋ωm（又はω0−ωm）の正弦波電圧を発生する。加算部２４０は、上記２周波の正弦波電圧を加算して出力する。
【００３７】
いま、探針−試料間に、直流電圧ＶDC、角周波数ω0である第１交流電圧、及び角周波数ω0＋ωmである第２交流電圧を印加する場合、印加電圧Ｖmodは次の(4)式で表される。
【数４】
0005672200.tif 000005
したがって、探針−試料間に電圧Ｖmodを印加したときの探針−試料間の静電気力Ｆbeatesfは次の(5)式となる。
【数５】
0005672200.tif 000006
【００３８】
(3)式と同様に、(5)式に示される静電気力Ｆbeatesfは、直流成分を始めとする様々な周波数の成分を含むが、その１つとして第１交流電圧の角周波数と第２交流電圧の角周波数との差ωmの成分が存在することが分かる。即ち、静電気力Ｆbeatesfによってカンチレバー５は角周波数差ωmの成分を以て振動するから、例えばロックインアンプなどによりこの特定の周波数成分を検出することによって、角周波数ωm成分のみの静電気力を抽出することが可能である。したがって、このようなカンチレバー励振方法を用いた場合も、２周波の差周波数を変化させたときの静電気力と探針−試料間距離との関係を原子間力顕微鏡により測定するという方法によって、数十MHz以上の周波数領域における誘電緩和現象を把握することが可能である。
【００３９】
ところで、本願発明者の検討によれば、探針６を試料３の極近傍にきわめて接近させた場合に、電気二重層の中のヘルムホルツ層の静電容量が支配的になり、バルク溶液容量が支配的である場合に比べて静電気力の局所性が乏しくなることが分かった。そこで、静電気力の局所性を向上させるために、上述した振幅変調した交流電圧（又は２周波の交流電圧を加算した交流電圧）である励振電圧をカンチレバー５と試料３との間に印加する励振方法に、さらに既知のＦＭ検出法を組み合わせるようにしてもよい。
【００４０】
図５は、ＦＭ検出法を併用した場合における誘電特性測定方法を実施するための原子間力顕微鏡の一実施例の要部の構成図である。図２に示した実施例の構成と同一又は相当する構成要素には同じ符号を付してある。
【００４１】
この実施例による原子間力顕微鏡は、カンチレバー５をその共振周波数付近で自励発振させるために、光熱励振駆動部４１、該駆動部４１により駆動される励振用レーザ光源４２、及びミラー４３を備える。光検出器１４の手前には、励振用レーザの波長の光を遮断する光学フィルタ４４が配置されている。また、光検出器１４による検出信号は例えばＰＬＬなどにより構成されるＦＭ検出部４０に入力され、ＦＭ検出部４０は探針−試料間に働く静電気力に起因して変化するカンチレバー５の共振周波数のシフト量を検出する。このシフト量における、変調周波数（又は２周波の差）成分の周波数シフト振動の振幅及び位相は振幅位相検出部３０によって検出され、その検出結果がデータ処理部３１に入力される。また、カンチレバー５は、ＦＭ検出部４０から出力される、カンチレバー５の変位信号と同じ周波数で一定の位相だけシフトした励振信号によって励振される。図５に示した実施例では、励振信号は光熱励振駆動部４１において励振用レーザ光源４２の駆動電流信号に変換され、そのパワーが変調されることによってカンチレバー５の振動が誘起される。
【００４２】
この構成では、変調波周波数ｆm（又は２周波ω0、ω0＋ωmの差周波数ωm）そのものはカンチレバー５の共振周波数と一致していなくても、共振周波数のＦＭ変調成分として検出されることになる。図６は、図５に示した構成においてカンチレバー５の共振周波数シフトにおける変調波周波数成分の周波数シフト振動の振幅と探針−試料間距離との関係を実測した図である。また、同図には、ヘルムホルツ層容量（＝０．１F/m2）による分圧効果を考慮に入れて計算を行った理論曲線も示している。図６で分かるように実測は理論曲線によく一致しており、上記のようにＦＭ検出を併用した場合でも、探針−試料間にはたらく静電気力の探針−試料間距離依存性が得られることが確認できる。したがって、この手法を用いてもＦＭ検出法を併用しない直接検出法と同様に、試料の誘電特性の測定が可能である。
【００４３】
なお、本発明は周波数変調検出方式のＡＦＭのみならず、振幅検出方式、位相検出方式等のダイナミックモードＡＦＭ全般に広く用いることが可能である。
【００４４】
また、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００４５】
１…スキャナ
２…試料ホルダ
３…試料
４…台座部
４ａ…透明体
５…カンチレバー
５ａ…金属薄膜
６…探針
７…カンチレバーホルダ
８…分析用液体
１０…光学的変位検出部
１１…レーザ光源
１２、１３…ミラー
１４…光検出器
２０…リード部
２１、２１０…励振電圧生成部
２２…搬送波発生部
２３…変調波発生部
２４…振幅変調部
２５…コンデンサ
２２０…第１波発生部
２３０…第２波発生部
２４０…加算部
３０…振幅位相検出部
３１…データ処理部
３２…垂直位置制御部
３３…水平位置制御部
３４…主制御部
３５…操作部
３６…表示部
４０…ＦＭ検出部
４１…光熱励振駆動部
４２…励振用レーザ光源
４３…ミラー
４４…光学フィルタ
【図１】
0005672200.tif 000007
【図２】
0005672200.tif 000008
【図３】
0005672200.tif 000009
【図４】
0005672200.tif 000010
【図５】
0005672200.tif 000011
【図６】
0005672200.tif 000012
【図７】
0005672200.tif 000013
【図８】
0005672200.tif 000014