(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップを有する走査型プローブ顕微鏡において、
チップ（１）には、内部で電子が離散的なエネルギー値をとる量子ドット（２）が取り付けられ、
電源電圧（４）によって印加された電圧に起因して量子ドット（２）の場所に存在する外部電位が、測定されるべき局所的な電位と重畳し、
電圧電源（４）によって印加される電圧は、量子ドット（２）のエネルギー準位の一つがチップ（１）の化学ポテンシャルにまでシフトして量子ドット（２）とチップ（１）との間のトンネル電流による量子ドット（２）の電荷変化が起きるような臨界電圧に選択することができ、
その臨界電圧が、量子ドット（２）の電荷変化を用いて特定され、
測定されるべき局所的な電位による臨界電圧の変化から、測定されるべき局所的な電位が特定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
量子ドット（２）は、物質であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記物質は、有機、有機金属または無機の物質であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項２または３に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記物質は、一つの分子または空間的に制限された一つの材料による構成であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記空間的に制限された材料構成は、原子または分子が規則的または不規則的であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項４または５に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記空間的に制限された材料構成は、ナノ結晶、規則的または不規則的なクラスター、ナノチューブ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）またはリソグラフィーによる構造であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記ナノ結晶は、金属クラスター、有機リガンドからなるシェルを有する金属クラスター、ドーピングされた或いはされていない半導体ナノ構造体、ナノワイヤ、または分子からなるナノ結晶もしくはクラスターであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記分子は、Ｏ、Ｎ、ＳないしＰといったヘテロ原子を持つ或いは持たない分子であって、例えば金属錯体、メタロセンなどの金属有機的、有機的、生体有機的若しくは無機的な分子、芳香族分子、縮合芳香族分子または脂肪族分子およびそれらの誘導体、例えば４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記量子ドット（２）は、適した材料内の制限された空間領域上に電子気体を束縛することができる装置からなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記装置は、マイクロスケールまたはナノスケールの電極および材料からなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１０に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記材料は、ドープされた半導体、グラフェン、シリセンまたは二次元材料であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記装置は、リソグラフィーにより構造化された材料であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１２に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記装置は、走査型プローブ顕微鏡のチップに一体化されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
量子ドット（２）とチップ（１）との間に、電子がトンネルすることができる電気絶縁層または化学結合が存在することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
原子間力顕微鏡であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。  
【請求項１６】
局所電位場の測定を行う方法において、
内部で電子が離散的なエネルギー値をとる量子ドット（２）は、当該量子ドットが取り付けられているチップ（１）を用いて、電位場が測定される場所に運ばれ、
電源電圧（４）によって印加された電圧に起因して量子ドット（２）の場所に存在する外部電位が、測定されるべき局所的な電位と重畳し、
電圧電源（４）によって印加される電圧は、量子ドット（２）のエネルギー準位の一つがチップ（１）の化学ポテンシャルにまでシフトして量子ドット（２）とチップ（１）との間のトンネル電流による量子ドット（２）の電荷変化が起きるような臨界電圧に選択することができ、
量子ドット（２）の電荷変化を用いて、量子ドット（２）の電荷変化が起こる臨界電圧が測定され、
測定されるべき局所的な電位による臨界電圧の変化から、測定されるべき局所的な電位が特定されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、
前記量子ドット（２）は、当該量子ドットが取り付けられているチップ（１）を用いて、測定すべき局所電位場が存在しない基準位置に運ばれ、量子ドット（２）の電荷変化が起こる臨界電圧が測定され、当該基準位置における臨界電圧と、局所電位場が測定される場所における臨界電圧との比較によって、この場所での局所電位場の測定が行われることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の方法において、
局所電位場の測定が、遮蔽係数、ゲート化効率および感度係数によって定量的に行われることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６または１７に記載の方法において、
測定が行われた局所電位場の校正が、基準構造の既知の電位場を用いて行われることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法において、
電気的な記憶素子が読み出されることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１６から２０のいずれか一項に記載の方法において、
局所電位場の測定が、非接触に行われることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１６から２１のいずれか一項に記載の方法において、
局所的な電位場の測定が、絶縁試料の上方で行われることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１６から２２のいずれか一項に記載の方法において、
量子ドット（２）の電荷変化は、力の変化により特定され、当該力の変化は、原子間力顕微鏡の振幅変調型ダイナミックモードにおける周波数シフトを測定することによって、または、原子間力顕微鏡の振動モードにおけるカンチレバーの曲がり方を変化させることによって、または、原子間力顕微鏡の振幅変調型ダイナミックモードにおけるエネルギー散逸を測定することによって測定されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１６から２３のいずれか一項に記載の方法において、
チップ（１）と試料表面（３）との間の距離に対して臨界電圧が異なる依存の仕方をする量子ドット（２）の二つの異なる電荷変化が測定されることで、電位場の信号からトポグラフィ信号を分離することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項１６から２４のいずれか一項に記載の方法において、
試料表面の上方の半空間内の異なる位置で上記測定を繰り返すことによって、局所電位場の２次元または３次元画像化が行なわれることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項１６から２５のいずれか一項に記載の方法において、
試料上方の半空間の観察対象領域が走査される間、印加電圧は量子ドット（２）の電荷変化が起こる臨界電圧に近い固定値に設定され、画像化には原子間力顕微鏡の標準動作モードが使用されることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、
原子間力顕微鏡の信号と臨界電圧との間に一義的な関係が存在し、原子間力顕微鏡の信号がそのまま臨界電圧の変化と解されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の方法において、
二次元画像内の線であって、当該線に沿って原子間力顕微鏡の信号の変化が最大になる線が、一定の電位の線、すなわち等位線として解されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２６に記載の方法において、
前記設定された電圧は、チップ（１）と試料表面（３）との間の距離による臨界電圧の変化に合わせて調整され、三次元画像内の面であって、当該面に沿って原子間力顕微鏡の信号の変化が最大になる面が、一定の電位の面、すなわち局所電位場の等電位面として解されることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項１６から２５のいずれか一項に記載の方法において、
操作量としての印加電圧は、試料表面よりも上方の半空間を走査している間、量子ドット（２）の電荷変化が起こる臨界値に保たれ続けることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡およびナノメートルの分解能で局所電位場を測定する方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来技術により、走査型プローブ顕微鏡を用いて、いわゆる局所接触電位差測定（ケルビンプローブフォース顕微鏡（Ｋｅｌｖｉｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，  ＫＰＦＭ））か、それとも試料中の電荷と金属製チップに静電誘導により誘起された鏡像電荷との間の力の直接測定（静電気力顕微鏡（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，  ＥＦＭ））かのいずれかにより、ナノメートルの分解能で電位ないし電場が測定される（非特許文献１：Ｓ．  Ｓａｄｅｗａｓｓｅｒ，  Ｔ．  Ｇｌａｔｚｅｌ，  ｅｄｓ．  Ｋｅｌｖｉｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ  ２０１２．  Ｊ．  Ｃｏｌｃｈｅｒｏ，  Ａ．  Ｇｉｌ，  ｕｎｄ  Ａ．Ｍ．  Ｂａｒo，  “Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｄａｔａ  ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖ．  Ｂ  ６４，  ２４５４０３  （２００１））。  
【０００３】
しかしながら、先行技術による方法では欠点が伴う。
ＥＦＭでは、電場に遠達性があるため、遠く離れた位置にある原子間力顕微鏡のチップ部分に働く力も測定される。他方、ＫＰＦＭでは、測定された接触電位差が、やはり遠く離れた位置にある走査型プローブ顕微鏡のチップ部分に影響される。そのため、金属チップの大きさ、特にチップ半径（基本的に３０ｎｍより小さくはなり得ない。）が、あらゆる測定における到達可能な横分解能を制限する。この限界は、ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＰＦＭ）にも、静電気力顕微鏡（ＥＦＭ）にも存在している。ＥＦＭでは、力だけは測れるものの、電場もポテンシャル差も測れないという欠点があり、そのために電場の特定が困難という欠点がある。それは、チップ内で影響を受ける電荷についての確かで独立した情報が測定できないためである。ＫＰＦＭでは、測定の分解能が、観察すべき試料からのチップの距離とチップ半径とに依存するという欠点がある。そのため、ＫＰＦＭを用いると、試料表面上方における接触電位差の２次元マップしか測ることができず、それを試料表面に対して垂直な第３の次元に問題なく拡張することができない。
【０００４】
また、原子間力顕微鏡で測定される力は特殊なものでないため、定量的に検出されるべき電気的な力以外に、例えばファンデルワールス力のような他の全ての力がＥＦＭでは検出される。
【０００５】
そうなると、測定されるのは全ての力となる。そのため、電気的な力を抽出ないし検出することは、それがそもそも可能であるとしても、手の込んだ解析方法が必要となる。この欠点は、ナノ構造体周りの局所電位場を測定しなければならないときとか、ファンデルワールス力といった他の力が横方向位置に対してかなり小さな横方向依存性を示す一方で、時として電気的な力よりもずっと強いものであるときには、特に困難に働く。このときには、欲しい信号が大きな信号の上の小さな変調として特定されなければならず、このことが測定技術的な問題を投げかけている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．  Ｓａｄｅｗａｓｓｅｒ，  Ｔ．  Ｇｌａｔｚｅｌ，  ｅｄｓ．  Ｋｅｌｖｉｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ  ２０１２．  Ｊ．  Ｃｏｌｃｈｅｒｏ，  Ａ．  Ｇｉｌ，  ｕｎｄ  Ａ．Ｍ．  Ｂａｒo，  “Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｄａｔａ  ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖ．  Ｂ  ６４，  ２４５４０３  （２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、従来技術の欠点を克服することである。とりわけ回避しなければならないのは、チップの尖端からずっと離れているチップの部分、例えばチップの丸くなった幅の広い領域が測定に影響を及ぼすことである。というのも、チップは、実際には理想的に尖ってもいなければ円錐状でもないからである。測定の空間分解能を高める必要がある。特に、測定の分解能は、観察すべき試料までのチップの距離やチップ半径に無関係でなければならない。特に、ポテンシャル場の３次元マップも計測可能でなければならない。さらに、ＥＦＭとは異なり、電気的な力の代わりに電気的なポテンシャル場（電位場）が測定されなければならない。本発明の走査型プローブ顕微鏡および本発明の方法により、専ら電位場だけが測定可能となるようにしなければならない。例えばファンデルワールス相互作用といったような他の力ないし他のポテンシャル場が測定にかかってくることは阻止されなければならず、それにより、電位場のみが走査型プローブ顕微鏡の測定によって検出されるようにしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明により、請求項１および他の独立請求項の前提部分から出発して、これらの請求項の特徴部分に示される特徴によって解決される。
【０００９】
本発明による装置および本発明による方法を用いることで、電位場を測定し、その電位場測定の空間分解能をさらに高められるようにすることがこれからは可能である。さらに、チップの端点から遠ざけられたチップの部分は、測定にもはや影響を与えないので、その結果、先行技術の装置および方法によるものよりも分解能が良くなる。本発明による装置および本発明による方法の分解能は、試料表面までの距離には依存せず、０．５ｎｍに達し得る。本発明による装置および本発明による方法  により、特に、ポテンシャル場の３次元マップを測定することが可能になる。本発明による装置および本発明による方法により、特に、測定時において専ら電位場の検出だけが可能になる結果、例えばファンデルワールス相互作用といった外部からの干渉が遮断され、測定結果が歪められない。
【００１０】
本発明の有利な発展形態は従属請求項に記載されている。
【００１１】
以下では、本発明をその一般的な形で示すが、これは限定的に解されるべきではない。
【００１２】
図は、本発明による装置および本発明の詳細を概略的な形態で示している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１ａ】本発明による走査型プローブ顕微鏡のチップを二つの可能な実施形態において示す概略図である。
【図１ｂ】本発明による走査型プローブ顕微鏡のチップを二つの可能な実施形態において示す概略図である。
【図２ａ】本発明により変更された走査型プローブ顕微鏡のチップの動作態様を電気回路と比較しながら説明する図である。
【図２ｂ】本発明により変更された走査型プローブ顕微鏡のチップの動作態様を電気回路と比較しながら説明する図である。
【図２ｃ】本発明により変更された走査型プローブ顕微鏡のチップの動作態様を電気回路と比較しながら説明する図である。
【図２ｄ】本発明により変更された走査型プローブ顕微鏡のチップの動作態様を電気回路と比較しながら説明する図である。
【図２ｅ】本発明により変更された走査型プローブ顕微鏡のチップの動作態様を電気回路と比較しながら説明する図である。
【図３ａ】本発明による電位場測定の原理を説明する図である。
【図３ｂ】本発明による電位場測定の原理を説明する図である。
【図３ｃ】本発明による電位場測定の原理を説明する図である。
【図４ａ】分子の上方における電位場の推移を示す図である。
【図４ｂ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｃ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｄ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｅ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｆ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｇ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｈ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｉ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｊ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｋ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｌ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｍ】分子の上方における測定値を、図４ｎ〜４ｐのシミュレーションと比較して示す図である。
【図４ｎ】シミュレーションを示す図である。
【図４ｏ】シミュレーションを示す図である。
【図４ｐ】シミュレーションを示す図である。
【図５】量子ドットの電荷変化（電子の放出または吸収）をもたらす印加電圧を決定するための測定曲線を示す図である。
【図６】走査型プローブ顕微鏡の接地された金属チップが無いときと有るときとで、試料表面上に存在する電気的な点電荷の局所電位場の曲線を示すとともに、接地された金属チップによる局所電位場の遮蔽係数Ｓの曲線を示す図である。
【図７】ゲート化効率Ｇの曲線、局所電位場の遮蔽係数Ｓの曲線、局所電位場の測定の感度係数Ｒの逆数の曲線を示す図である。
【図８】チップと試料の間の距離が異なる場合の局所電位測定のための校正曲線群を示す図である。
【図９】理論計算により電位場測定を校正するためのマッピング（画像化）を示す図である。
【図１０】試料上方の電位場の測定された等ポテンシャル線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１ａは、量子ドット２が取り付けられた本発明の走査型プローブ顕微鏡のチップ１を示す。量子ドット２を有するチップ１の下方に試料表面３がある。試料表面３とチップ１は、電圧電源４を介して互いに接続されている。
【００１５】
図１ｂは、試料表面３よりも上方の量子ドット２およびチップ１からなる本発明の走査型プローブ顕微鏡の変形例を示す。この変形例では、電圧電源４の電圧は、チップ１と別の電極５との間に印加されており、この電極が量子ドット２に近寄せられている。
【００１６】
図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄ、図２ｅにおいて、装置の同じ特徴は同じ参照符号を有する。部分図ａ）およびｃ）は、図１の部分図ａ）およびｂ）に対応する。図２ｂには、チップ１、量子ドット２及び試料表面３の組が等価回路の形態で示されている。この等価回路は、トンネル電流が可能なコンデンサ６と、トンネル電流が可能ないし不可能であるコンデンサ７を有している。本発明による方法および本発明による装置の作用にとっては、コンデンサ７を介したトンネル電流は、不可欠なものでも害になるものでもない。コンデンサ６は、図２ａにおいて、そして図２ｃにおいては、チップ１と量子ドット２による組に相当する。コンデンサ７は、図２ａにおいては、試料表面３と量子ドット２による組に相当し、他方、コンデンサ７は、図２ｃにおいては、電極５と量子ドット２による組に相当する。４は電圧電源を示す。図２ｄは、図２ａに対応して、局所的な電位場（局所電位場）を測定しなければならないナノ構造体８を試料表面３上にさらに有したものである。図２ｅは、図２ｃに対応して、局所的な電位場を測定しなければならないナノ構造体８を試料表面３上にさらに有したものである。
【００１７】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃは、チップ１、量子ドット２、試料表面３のエネルギー概念図を示す。ここでは、図１ａに示されるような本発明による装置の構成に基づいているが、このことが本発明の動作原理の限定を意味するものではない。また、図３ｃにはナノ構造体８が含まれている。ナノ構造体８は、ここでは孤立した電気的な点電荷によって単純化して表されている。図３ａでは、量子ドット２のエネルギー準位Ｌは電子によって占められている。量子ドットのこの状態を“Ｎ”で表す。図３ｂでは、チップ１と試料表面３との間に電圧Ｖｃｒｉｔ０を印加することにより、量子ドット２のエネルギー準位Ｌが放電される（図２ａにおいて、量子ドット２に存在する電子がチップ１に移動する。）。この量子ドットのこの状態を“Ｎ−１”で表す。図３ｃでは、チップ１と試料表面３との間に、点電荷によって表されるナノ構造体８が存在する。これが、チップ１と試料表面３との間の、特に量子ドット２の場所でのポテンシャル分布を自身の局所電位場により変化させ、その結果、チップ１と試料表面３との間に依然として同じ電圧Ｖｃｒｉｔ０が印加されているにもかかわらず、量子ドット２のエネルギー準位Ｌが再び充電され、量子ドット２が状態“Ｎ”に戻る。
【００１８】
図４ａには、ナノ構造体８（この場合はＰＴＣＤＡ分子８）の上方の電位９の横方向の分布が概略的に示されている。量子ドット２は、ＰＴＣＤＡ分子２として具体化されている。図４ｂ乃至図４ｇには、試料表面３上におけるチップ１の三通りの高さｚｔｉｐの場合に、ナノ構造体８の上方における臨界電圧のシフトΔＶｃｒｉｔのマップが示されている。図４ｂ、４ｃおよび４ｄは、負の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，−に関するもので、図４ｅ、４ｆおよび４ｇは、正の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，＋に関するものである。また、図４ｈ乃至図４ｍは、図４ｂ乃至図４ｇによるデータを、凹凸（トポグラフィ）信号（図４ｈ、４ｉおよび４ｊ）によるものと電位場（４ｋ、４ｌおよび４ｍ）によるものとで分けて示している。図４ｈ、４ｉおよび４ｊにおけるグレースケールは、凹凸（トポグラフィ）のÅ（オングストローム）の値に対応する。図４ｋ、４ｌおよび４ｍにおけるグレースケールは、図９における方法で校正された電位（電気的なポテンシャル）の値に対応する。図４ｂ乃至図４ｇのマップは、図１ａ／２ｄと同様の測定セットアップにおいて方法Ｖ１を用いて記録されたものである。図４ｎ、４ｏおよび４ｐのマップは、ＰＴＣＤＡの局所電位のシミュレーション計算である。
【００１９】
図５ａは、図１ａの電圧電源４によって印加される電圧（ｍＶ単位）を横軸に示し、周波数変調方式原子間力顕微鏡の周波数シフト（Ｈｚ単位）を縦軸に示す。チップ１と試料表面３との間の異なる距離において様々な曲線１０が得られた。ピーク１０ａは、負の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０（Ｖｃｒｉｔ０，−により表される。）のときの量子ドット２の電荷変化の目印となるものである。ピーク１０ｂは、正の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０（Ｖｃｒｉｔ０，＋により表される。）のときの量子ドット２の電荷変化の目印となるものである。図５ｂは、チップ１と試料表面３との間の距離と、正と負の臨界電圧の差δＶｃｒｉｔ０＝Ｖｃｒｉｔ０，＋  −  Ｖｃｒｉｔ０，−との間の関係を示している。図５ｃは、チップ１と試料表面３との間の距離と負の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，−との間の関係を示している。破線の矢印は、電位場と凹凸（トポグラフィ）とを分ける（Ｍ７）節に記載の手順を説明するものである。
【００２０】
図６には、試料表面３から３Å（オングストローム）の距離（具体的には、試料表面３に垂直な、点電荷を通る直線に沿った距離）にあるナノ構造体８（ここでは一つの点電荷８によって表されている。）の電位場（縦軸上）の解析計算による曲線が示されている。上記直線上におけるｚ座標が、横軸に記入されている。位置ｚ＝０は、試料表面３内に位置する。曲線１３は、チップ１も量子ドット２も存在しない場合に関するものである。この場合、電位はｚ＝∞のとき０の値に達する。曲線１４は、接地された金属チップ１がｚ＝３０Å（オングストローム）のところにある場合に関するものである。チップ１は、無限に伸びた平面電極であると仮定する。接地されたチップ１は、ｚ＝３０Å（オングストローム）のところの電位を０の値に引き寄せる。これは、直線上のすべてのｚの値における電位の値を減少させる。曲線１５は、曲線１４を１３で割ったもの（Ｑｕｏｔｉｅｎｔ）を示しており、これによりｚに依存する遮蔽係数Ｓ（接地されたチップ１は、この遮蔽係数でｚにおける局所電位場を遮蔽する。）が与えられる。Ｓは０と１の間の値を取り得る。その際、遮蔽係数が小さいと遮蔽が大きいことを意味する。ナノ構造体８の任意の電荷分布の電位場に対する遮蔽係数は、点電荷の電位場の重ね合わせによって計算することができる。
【００２１】
図７は、チップ１と試料表面３との間の距離を３０Å（オングストローム）で一定とした場合に、チップ１と試料表面３の間における量子ドット２の位置の関数として、量子ドット２に関する感度係数Ｒ（曲線１７）の逆数を縦軸に示す。感度係数Ｒは、量子ドット２のエネルギーレベルＬをチップ１の化学ポテンシャルに維持するのに必要な臨界電圧のシフトΔＶｃｒｉｔと、量子ドット２の場所での局所電位の変化との間の比として定義されている。縮尺に従って記入されている量子ドット２としてのＰＴＣＤＡ分子の場合、Ｒ−１≒０．３８となる。これはＲ≒２．５に対応する。感度係数Ｒは、Ｒ＝Ｓ／Ｇとして与えられる（ここで、Ｇはゲート化効率（Ｇａｔｉｎｇｅｆｆｉｚｉｅｎｚ）（曲線１６）であり、Ｓは局所ポテンシャルの遮蔽係数（図６から得られる曲線１５）である。）。ゲート化効率Ｇは、試料表面３とチップ１との間に印加される電圧を、その電圧から量子ドット２とチップ１との間で降下する電圧で割ったものの逆数（ｒｅｚｉｐｒｏｋｅｒ  Ｑｕｏｔｉｅｎｔ）として定義される。図において、チップ１は、平らで無限に延びた電極と仮定した。また、等価回路図の図２ｂにおけるコンデンサ６，７の容量は、有効平板間距離とともに同じように増加すると仮定した。これらの仮定のもとでは、Ｇは量子ドット２の位置に関して線形である。
【００２２】
図８は、局所電位場φｌｏｃ（ｒ）を定量的に特定するための逆感度係数Ｒ−１（ｚｔｉｐ，ｄ）の校正曲線群を示す。ｚｔｉｐはチップ１と試料表面３との間の距離、ｄは量子ドット２とチップ１との間の距離である。それぞれの曲線１８は、一つのｄに対応している。上の曲線は距離ｄが１２Å（オングストローム）の場合に、下の曲線は距離ｄが１Å（オングストローム）の場合に算出したものである。間にある曲線については、ｄは下から上に向けて曲線から曲線に１Å（オングストローム）ずつ増加する。本発明による装置および本発明による方法の直接の測定量はいつもΔＶｃｒｉｔ（ｒ）（量子ドット２の各電荷変化に対して一つ）である。φｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｚｔｉｐ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）の関係から、校正曲線群が分かれば、局所ポテンシャルφｌｏｃ（ｒ）は定量的に求めることができる。校正曲線群は、図６などで計算された遮蔽係数Ｓと、図７などで計算されたゲート化効率Ｇとから、Ｒ（ｚｔｉｐ，ｄ）＝Ｓ（ｚ）／Ｇ（ｚｔｉｐ，ｄ）（ここでｄ＝ｚｔｉｐ−ｚである。）より求めた。
【００２３】
図９は、理論計算によって局所電位場の測定を校正するための像（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇ）を示す。図９ａ乃至９ｃは、Ａｇ（１１１）面（＝試料表面３）上にＡｇ吸着原子（＝ナノ構造体８）が一つあるときに試料表面３までの距離ｚを三通りに変えて測定された臨界電圧のシフトΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅの測定マップを示し、これが校正に用いられることになる（図９ａ：ｚ＝２１Å（オングストローム），図９ｂ：ｚ＝２９Å（オングストローム），図９ｃ：ｚ＝３７Å（オングストローム））。ｚ＝ｚｔｉｐ−ｄが成り立つ。ｍＶ単位のΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅの各グレースケールが、各スケールバーの左横に付されている。図９ｄには、図９ａ乃至９ｃのマップに対して吸着原子の垂直上方で得られた、ｚにおけるΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅの値が×として入れられている。図９ｄには、さらに、密度汎関数理論によって計算された、吸着原子の垂直上方における所定のｚでの局所電位φｌｏｃｇａｕｇｅが曲線２１として入れられている。平らで無限に広がるチップ１のモデルで計算された感度係数Ｒを用いることで、φｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｚ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅ（ｒ）により、臨界電圧のシフトΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅ（ｒ）から局所電位φｌｏｃ（ｒ）を特定することができる。このようにして特定された吸着原子の垂直上方における値φｌｏｃは、図９ｄでは●で示されている。スモルコフスキー双極子を金属表面上に形成する吸着原子の双極子場電位の予想される振る舞いに（ｚ−ｚ０）−２の式を使ってフィッティングしたものが曲線２２として示されている。曲線２１と●との差は、平らで無限に延びたチップ１のモデルに従って計算された感度係数Ｒに含まれていない要因に起因するものである。これらの要因の一つは、実際には湾曲したチップ１の近傍における場の強まりであり、他の要因は、図２ｂの等価回路図におけるコンデンサ６と７の容量がその平板間距離の関数とは異なるようにして増加することである。二つの要因は、校正係数Ｋ（ｚ）にまとめられる。この係数Ｋ（ｚ）は、図９ｄに曲線２３として示されている。Ｋ（ｚ）を用いることで、図９ａ乃至９ｃのマップについて、基準点に対する電位の絶対的なｍＶスケール（絶対目盛）を与えることができる：φｌｏｃｇａｕｇｅ（ｒ）＝Ｒ−１（ｚ，ｄ）Ｋ（ｚ）ΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅ（ｒ）（ここで、Ｒ（ｚ，ｄ）は、平らで無限に延びるチップ１のモデルにより計算された感度係数である。）。このスケール（目盛り）が、図９ａ乃至図９ｃのスケールバーの右横に付されている。Ｋ（ｚ）は、チップ１と量子ドット２からなる系の幾何学的形状にのみ依存し、第一次近似ではナノ構造体８には依存せず、したがって任意のナノ構造体８に（ナノ構造体が同じチップにより測定される限り）当てはめることができ、その結果、校正された局所電位がφｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｚ，ｄ）Ｋ（ｚ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）により計算されることになる（ここで、Ｒ（ｚ，ｄ）は、平らで無限に広がるチップ１のモデルにより計算された感度係数である）。このようにして、ＰＴＣＤＡ分子をナノ構造体８としたときの図４ｋ、４ｌおよび４ｍの電位場の絶対スケールを求めた。
【００２４】
図１０ａは、Ａｇ（１１１）面上のいくつかのＰＴＣＤＡアイランドの走査型トンネル顕微鏡画像を示す。覆われていないＡｇ（１１１）面がアイランドの間に見える。図１０ｃおよび図１０ｄは、図１０ａと同じ試料および同じ画像部分を示す。図１０ｃおよび１０ｄは、市販で入手可能なｑ−ｐｌｕｓセンサ（石英性カンチレバー）を備えたダイナミック式の原子間力顕微鏡を用いて記録されたもので、そのチップ上には量子ドット２としてのＰＴＣＤＡ分子が存在する。図１０ｃおよび図１０ｄは、ｑ−ｐｌｕｓセンサの周波数シフトを示す。図１０ｃおよび１０ｄの記録方法は、（Ｖ２）に記載された方法である。図１０ｂは、電圧電源４による印加電圧の関数としての周波数シフトの二つの測定曲線を示す。曲線１９は覆われていないＡｇ（１１１）面の上方で、中心部分にある曲線２０はＰＴＣＤＡアイランドの上方で記録したものである。ＰＴＣＤＡアイランドは、ナノ構造体８と見なすことができる一方、覆われていないＡｇ（１１１）表面は、試料表面３に対応する。定義によれば、覆われていないＡｇ（１１１）面の上方で量子ドット２の電荷変化が起きるのは、Ｖｃｒｉｔ０，−のところである。Ｖｃｒｉｔ０，−は、図１０ｂの横軸における曲線１９の最小位置に対応する。電圧電源４（図１ａ）によって印加される電圧を選択することによって、画像化すべき等ポテンシャル線のポテンシャルを決めることができる。図１０ｃでは、印加電圧として−１０００ｍＶを選択した。従って、図１０ｃの等ポテンシャル線のポテンシャルは、φｌｏｃ＝Ｒ−１（Ｖｃｒｉｔ０，−＋１０００ｍＶ）である。図１０ｄでは、印加電圧として‐９００ｍＶを選択した。図１０ｄの等ポテンシャル線のポテンシャルは、φｌｏｃ＝Ｒ−１（Ｖｃｒｉｔ０，−＋９００ｍＶ）である。
【００２５】
本発明により、チップに量子ドットが取り付けられている走査型プローブ顕微鏡が使用に供される。つまり、本発明の主題は走査型プローブ顕微鏡であり、そのチップには量子ドットが配置され或いは取り付けられており、さらに、本発明の主題は当該走査型プローブ顕微鏡を用いて電位場を測定する方法である。本発明の特別の実施形態では、走査型プローブ顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡の特別な実施形態である原子間力顕微鏡とすることができる。
【００２６】
量子ドットの概念は、当業者に周知である。量子ドットは、機能的な概念として捉えるべきである。空間的に制限された構造であり、その内部では電子は離散的なエネルギー値をとる。
【００２７】
この性質を満たす量子ドットは、あらゆる手段で実現することができる。
【００２８】
この手段は物質でも装置でもよい。
【００２９】
物質とする場合には、以下の物質または物質類を例として挙げることができるが、これに限定されるものではない。基本的には、有機、有機金属又は無機材料が考えられる。
【００３０】
物質としては、量子ドットの性質を示すための基準を満たすあらゆる分子または空間的に制限された物質構造が対象となる。このとき、制限された空間内に電子が局在していることが重要である。
【００３１】
空間的に制限された材料の構造は、原子的ないし分子的に整列されていても整列されていなくてもよい。
【００３２】
空間的に制限された物質構造は、ナノ結晶、秩序化された或いは無秩序化されたクラスター、ナノチューブ、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）またはリソグラフィー構造とすることができる。
【００３３】
ナノ結晶は、例えば、金属クラスター、−必ずしもそうである必要はないが−有機リガンドからなるシェルを有する金属クラスター、ドーピングされた或いはされていない半導体ナノ構造、特にナノワイヤ及び分子ナノ結晶または分子クラスターとすることができる。
【００３４】
分子は、Ｏ、Ｎ、ＳないしＰといったヘテロ原子を持つ或いは持たない分子であって、例えば金属錯体、メタロセンなどの金属有機的、有機的、生体有機的若しくは無機的な分子、芳香族分子、縮合芳香族分子または脂肪族分子およびそれらの誘導体、例えば図４ａに示されているような４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）とすることができる。
【００３５】
また、量子ドットの考えられる実現例は、適した材料内の制限された空間領域上に電子気体を束縛することができる装置である。この装置は、適切なマイクロないしナノスケールの電極を有することができ、この電極が、その電界によって、適した材料内に電子気体の空間的な束縛を生み出す。この種の電極によって内部に電子気体の空間的な束縛を作り出すことができる好適な材料は、例えばドープされた半導体、グラフェン、シリセンまたはその他の二次元材料ないし物質である。他の好適な装置は、リソグラフィーにより適切に構造化された材料とすることができる。適したリソグラフィー構造は、走査型プローブ顕微鏡のチップ内に直に構造が造り込まれていてもよい。
【００３６】
特に有利な実現例では、走査型プローブ顕微鏡の導電性チップと量子ドットとの間の接点は、走査工程中に量子ドットがチップに固定されたままになるように機械的および化学的に安定である。特に有利な実現例では、接点は、さらに、当該接点がトンネル障壁になるように形成されていることで、量子ドットと金属チップの電子プールとの電子的結合が弱くなるようになっている。トンネル障壁は、図２ｂでは機能的にはコンデンサ６に対応する。この結果、チップにおける量子ドットは、量子ドットとしての性質を特に良好に保つことになる。具体的には、これは、チップへの適切な化学結合によってか或いは量子ドットと金属チップとの間の電気的な薄い絶縁層によって得ることができる。化学結合とは、チップと量子ドットとの間の化学結合を意味する。絶縁層は、様々な態様、例えば塩、酸化物またはその他の絶縁体によって実現することができる。量子ドットとしての分子またはナノ結晶が存在する場合、その一部が絶縁層の役割を担うこともあり得る。これは、例えばＯ、Ｓ、ＮまたはＰといったヘテロ原子、或いは量子ドットの構造的な下位単位（Ｕｎｔｅｒｅｉｎｈｅｉｔ）でもよい。ＰＴＣＤＡ分子が量子ドット（図４ａ）である場合、絶縁体は、酸素原子と当該酸素原子のチップへの化学結合によって実現される。
【００３７】
特に有利な実現例では、量子ドットの空間的な規模は、電位場が均される空間領域ができるだけ小さくなるようにするのには十分小さいが、同時に、量子ドットの離散的なエネルギー準位がエネルギー軸上で互いに離れ過ぎていないことで、これらの準位の少なくとも一つを適度な電圧（量に応じて数十Ｖより小さい）によってチップの化学ポテンシャルの方にシフトすることができる程度には十分に大きいものとされている。電位がその上で均される空間領域は、量子ドットの大きさに該当する。特に有利な実現例では、これは、コンパクトな、好ましくは芳香族分子によって実現され、その結果、空間領域（この上で均等化がなされる）の規模は０．５ｎｍの値まで減らすことができる。
【００３８】
量子ドットは、化学的または物理的な（例えば、分散力）結合により金属チップに固定することができる。量子ドットは、走査型プローブ顕微鏡のチップによって下地（Ｕｎｔｅｒｌａｇｅ）から受け取られるか、またはチップ上に直に作製される。この点については、一方では走査型プローブ技術により確立された操作方法を用いることができ、他方では確立されたエピタキシャル成長の手法、リソグラフィーによる構造作製技術または（半導体）ナノ構造体の触媒による成長技術の手法を用いることができる。特に有利なこの取り付けの実現例は、機械的および化学的安定性と電気的な絶縁特性とを組み合わせ、空間的に一個ないし数個の原子の大きさに制限されている。
【００３９】
本発明による方法を実施するときには、量子ドットが付された走査型プローブ顕微鏡のチップを観察対象の試料上方に持っていく。電位場の測定は、異なる位置において順々に電位を測定することによって行われる。以下の節（Ｐ１〜Ｐ６）では、所定の位置における電位の測定を、物理的な動作原理に関してより詳しく説明していく。
【００４０】
（Ｐ１）電圧電源４を用いて印加される電圧によって、量子ドット２のエネルギー準位をチップ１の化学ポテンシャルに対して相対的にシフトさせることができる。これをゲート化（ゲーティング）（Ｇａｔｉｎｇ）（開門）という。これにより、電子による量子ドット２の占有を操作することができる。図１は、どのように電圧電源４によって電圧を印加することができるのか、試料表面３（図１ａ）とチップ１との間なのか、それとも量子ドットに近寄せる電極５とチップ１との間なのか、その二つの手法を示している。限定的に解すべきものではないが、従来技術の多探針走査型プローブ顕微鏡（Ｍｅｈｒｓｐｉｔｚｅｎ−Ｒａｓｔｅｒｓｏｎｄｅｎｍｉｋｒｏｓｋｏｐ）は、図１ｂにおける測定セットアップの可能な一実現例である。この場合、多探針走査型プローブ顕微鏡のチップの一つはチップ１として使用され、もう一つ別のものが電極５として使用される。
【００４１】
（Ｐ２）特に、電圧電源４によって印加される電圧は、量子ドット２のエネルギー準位の一つ（エネルギー準位Ｌ）がチップ１の化学ポテンシャルにまでシフトするように選択することができる（図３ｂ）。すると、量子ドット２の電荷変化（電子の吸収または放出のいずれか。図３ｂには、電子の放出が示されているがこれに限定されることはない。）が起きる。測定すべき電位が存在しない空間内の位置に量子ドット２がある場合、量子ドット２の電荷を（電子の吸収または放出により）変化させるために必要な、電圧電源４によって印加される電圧がＶｃｒｉｔ０である。Ｖｃｒｉｔ０は、正にも負にもなり得る。正のＶｃｒｉｔ０は、Ｖｃｒｉｔ０，＋で表され、負のＶｃｒｉｔ０は、Ｖｃｒｉｔ０，−で表される。
【００４２】
（Ｐ３）量子ドット２を有するチップ１を、測定対象となる局所電位（この電位は、例えば、試料表面３上または試料表面３内に存在するナノ構造体８の所定の電荷分布によって生成される。）が存在する位置に移動させると、電圧電源４によって印加された電圧に起因して量子ドット２の場所に存在する外部電位は、ナノ構造体８に由来する測定すべき局所電位と重畳する（図３ｃ）。その結果、電圧電源４によって印加される臨界電圧（この電圧で、量子ドット２のエネルギー準位Ｌが充電されるか又は放電される。）が変化する。新しい値Ｖｃｒｉｔは、Ｖｃｒｉｔ０とはΔＶｃｒｉｔだけ異なる。つまり、Ｖｃｒｉｔ＝Ｖｃｒｉｔ０＋ΔＶｃｒｉｔとなる。こうして、量子ドット２は、測定すべき局所電位に対する選別的なセンサの機能を果たす。この電圧変化ΔＶｃｒｉｔから定量的に局所電位を逆算することができる（明細書の本節におけるポイント（Ｐ６）参照）。
【００４３】
（Ｐ４）量子ドット２を用いて局所電位を測定することに関して重要なのは、電圧電源４によって印加されるどの電圧ＶｃｒｉｔないしＶｃｒｉｔ０において量子ドット２が電荷変化（電子の吸収または放出）を受けるのかを正確に特定する手法である。これは力の測定（Ｋｒａｆｔｍｅｓｓｕｎｇ）を使って実現できるが、これに限るものではない。この場合には、チップ１は原子間力顕微鏡のチップでなければならない。  他の検出方法が考えられ得る。
【００４４】
（Ｐ５）量子ドット２が電荷変化（電子の吸収または放出のいずれか）を受ける外部印加電場を力の測定により特定しなければならない場合、その特定は、以下の方法で実施することができる：量子ドットの電荷変化により、原子間力顕微鏡のチップ付近の電荷分布が変化する。これにより、チップに作用する力が突然変化するようになる。この突然の変化は、原子間力顕微鏡の力の測定システムによって測定することができる（図５ａ）。こうして、局所電位の測定すべき信号は、測定可能な力に選別的に変換される。つまり、量子ドット２は、局所電位そのものによるというよりは主として量子ドット２の特性により決められている力の信号に局部電位を変換するという一種の信号変換器の機能を満たしている。
【００４５】
（Ｐ６）電圧電源４によって印加される電圧Ｖｃｒｉｔ（この電圧で量子ドット２が電荷変化（電子の吸収または放出）を受ける。）の変化ΔＶｃｒｉｔによって、局所電位φｌｏｃの定量的な特定が可能になる。局所電位を定量化する方法を以下に説明する：
【００４６】
ナノ構造体８によって生成された局所電位場φｌｏｃ（ｒ）が与えられているものとし、これが測定されなければならないとする。そのために、量子ドット２を有するチップ１は、量子ドット２が順々に場所ｒに運ばれるように位置させられる。各ｒでは、Ｐ３節に記載のとおりにΔＶｃｒｉｔ（ｒ）が特定される。電圧変化ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）は、ｒの場所における外部電位の変化Δφｅｘｔ（ｒ）に対応する。全電子数がＮからＭ（ここでは｜Ｎ−Ｍ｜＝１が成り立つ。）に変化する量子ドット２の電荷変化は、所定のＮとＭに関していかなる場所ｒについても同じ電気的なポテンシャル和φｌｏｃ（ｒ）＋Δφｅｘｔ（ｒ）で発生するので、臨界電圧がＶｃｒｉｔ０の値となる基準測定の場所ｒ０における局所電位φｌｏｃ（ｒ０）を基準として、基本的には任意の場所ｒにおける局所電位φｌｏｃ（ｒ）をΔＶｃｒｉｔ（ｒ）から推定することができる。
【００４７】
実際にφｌｏｃ（ｒ）  を特定するためには、チップ１、量子ドット２および試料表面３からなる測定セットアップのジオメトリ（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅ）（幾何学的配置）が重要である。それは三つの理由による：
【００４８】
第一に、場所ｒ（この位置に、測定すべき電位φｌｏｃ（ｒ）が存在する）の近くに接地された金属製のチップ１が存在することで、この位置ｒにおける実際の電位が新しい値φ＊ｌｏｃ（ｒ）に変えられる。理由は以下の通りである：チップ１がなければ、電位φｌｏｃ（ｒ）は、通常の決まりでは無限遠で消失する。チップ１により、電位が消失するのがチップ１の場所になる。これにより、局所電位場φｌｏｃ（ｒ）の等ポテンシャル線が歪められる。それは、金属チップ１のすぐ近くでは等ポテンシャル線はチップ１の表面に平行に伸びなければならないためである。
【００４９】
しかしながら、φｌｏｃ（ｒ）からφ＊ｌｏｃ（ｒ）への局所電位のこの変化は問題ではない。チップジオメトリ（チップの幾何学的形状）が分かっているときには、局所電位のこの変化を計算することができるからである。この変化は、位置に依存する遮蔽係数Ｓ（ｒ）によって与えられ：φ＊ｌｏｃ（ｒ）＝Ｓ（ｒ）φｌｏｃ（ｒ）となる。点電荷に対する遮蔽係数Ｓ（ｒ）の例示的な計算が図６に示されている。ここでは、平らで無限に延びたチップ１を仮定した。この種のチップの場合、横座標ｘおよびｙに対する遮蔽係数Ｓの依存性は、ｚが小さすぎなければ弱い。つまりＳ（ｒ）≒Ｓ（ｚ）である。このことは、特に、局所ポテンシャル場の等ポテンシャル線が測定の場所でゆるやかにしか湾曲せず、チップ１の表面に対してほぼ平行に延びている場合には常に当てはまる。他のチップジオメトリとナノ構造体８の電荷分布については、遮蔽係数Ｓ（ｒ）は、静電気学の標準的な方法（境界値問題）を用いて計算することができる。この場合、それぞれのナノ構造体８の電荷分布は、点電荷についての和として表すことができる。チップ部１の曲率半径に比べて小さい長さスケールにおいては、ナノ構造体体８に由来する局所電位は、決まり通りに変わるので、このことからすると、平らで無限に延びたチップ１の仮定は非常に良い近似であるということができる。
【００５０】
第二に、電圧変化ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）のうち量子ドット２とチップ１との間で作用する成分Δφｅｘｔ（ｒ）は、チップ１、量子ドット２および試料表面３からなる測定セットアップのジオメトリに依存する。図１の測定セットアップの場合、その成分はゲート化効率Ｇで与えられている。つまり、Δφｅｘｔ（ｒ）＝Ｇ（ｒ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）である。これは、ΔＥＬ＝ＧｅＶｃｒｉｔおよびΔＥＬ＝ｅφｅｘｔが当てはまる図３から直接的に導き出すことができる。ここで、ｅは電気素量である。
【００５１】
ゲート化効率Ｇは、チップ１、量子ドット２および試料表面３ないし電極５からなる測定セットアップのジオメトリと、図２ｂの等価回路図におけるコンデンサの容量との関数である。いずれの場合においても、ゲート化効率Ｇは、ナノ構造体８が試料表面３内にある場合、つまり、試料表面３とは異なる凹凸（トポグラフィ）がない場合、ナノ構造体８を有する試料表面３上方のチップ１の横方向位置には依存しない。それは、試料表面３が平らでしかも横方向に無限に延びているからである。また、図１ｂの測定セットアップの場合、ゲート化効率Ｇは、チップ１と試料表面３との間の距離に依存せず、ナノ構造体８ａの凹凸（トポグラフィ）の特徴があっても、その特徴にも依存しない。図１ａの測定セットアップの場合、ゲート化効率Ｇは、ｚｔｉｐ（チップ１と試料表面３との間の距離として定義されている。）と、ｄ（量子ドット２とチップ１との間の距離として定義されている。）とに依存するとともに、ナノ構造体８の凹凸にも依存する。図１ａの測定セットアップにおけるゲート化効率Ｇ（ｚｔｉｐ，ｄ）の一計算例が、ｚｔｉｐの或る固定値に関して図７に示されている。ここでは、平らで無限に延びたチップ１を想定した。ｄ＝ｚｔｉｐ−ｚという関係があるので、ゲート化効率Ｇは、ｚとｄの関数としても書くことができる。
【００５２】
ｒ＝（ｘ，ｙ，ｚ）の場所での局所電位の遮蔽係数Ｓ（ｒ）とゲート化効率Ｇ（ｚｔｉｐ，ｄ）とから、感度係数Ｒ（ｒ，ｚｔｉｐ，ｄ）＝Ｓ（ｒ）／Ｇ（ｚｔｉｐ，ｄ）を計算することができる。値Ｒの感度係数は、チップ１と量子ドット２がないときの局所電位の変化Δφｌｏｃを打ち消すために電圧電源４によって印加される電圧Δ（ΔＶｃｒｉｔ）＝ＲΔφｌｏｃが必要であることを示す。ｄ＝ｚｔｉｐ−ｚという関係があるので、感度係数Ｒは、ｒとｄの関数としても書くこともできる。つまり、Ｒ（ｒ，ｄ）＝Ｓ（ｒ）／Ｇ（ｚ，ｄ）と書くことができる。Ｓ（ｒ）≒Ｓ（ｚ）のとき、それからさらにＲ（ｚ，ｄ）＝Ｓ（ｚ）／Ｇ（ｚ，ｄ）となる。Ｒ（ｚ，ｄ）＝Ｓ（ｚ）／Ｇ（ｚ，ｄ）の逆数の値が図７に曲線１７として示されている。
【００５３】
感度係数Ｒを用いることで、局所電位φｌｏｃ（ｒ）は、Ｖｃｒｉｔ０を求めたｒ０での値φｌｏｃ（ｒ０）に基づいて、ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）から次式のように求めることができる：φｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｒ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）。Ｓ（ｒ）≒Ｓ（ｚ）のとき、φｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｚ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）か、或いは他の書き方では、φｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｚｔｉｐ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）が成り立つ。感度係数Ｒは、校正曲線群から得ることができる。この種の校正曲線群が図８に示されている。そこには、横軸上のｚｔｉｐの関数としてＲ−１（ｚｔｉｐ，ｄ）が縦軸に示されている。図示された校正曲線１８のそれぞれは、チップ１と量子ドット２との間の異なる距離ｄのためのものである。図８の校正曲線群は、平らで無限に延びたチップ１について計算されたものである。他のナノ構造体８の電荷分布とチップジオメトリとに対しては、校正曲線群Ｒ−１は、静電気学の標準的な方法（境界値問題）を用いて計算することができる。
【００５４】
第三に、正確な感度係数Ｒ（ｒ，ｄ）が既知である場合、ｒ０での値φｌｏｃ（ｒ０）に基づいた局所電位場は、原則として常にφｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｒ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）により求めることができる点に留意すべきである。ただし、図７に示した如き平らで無限に延びたチップ１のモデルによるゲート化効率Ｇの決定は、例外的な場合にのみ許されていることを考慮する必要がある。その理由は、次の通りである：電圧電源４により印加される電圧ΔＶｃｒｉｔに由来するポテンシャル場Δφｅｘｔ（ｒ）が、試料表面３の巨視的な拡がりのために巨視的な大きさを有するので、この長さスケールでは、チップ１の有限の曲率半径が無視できない。そのため、チップの近傍で、したがって電位が測定される量子ドット２の位置においても電界が強くなり、これが平らで無限に延びたチップ１のモデルにより得られたＧの値を上回るように実際のゲート化効率Ｇを増加させる。それに伴い、感度係数Ｒ（ｒ，ｄ）＝Ｓ（ｒ）／Ｇ（ｚ，ｄ）は減少する。
【００５５】
湾曲した或いは円錐形或いはそれ以外に何らかの造形が施されたチップによる電界の強まりは、そのジオメトリが正しく分かっているときには、静電気学の標準的な方法（境界値問題）により求めることができる。代替的に、未知の幾何形状の所与のチップは、局所ポテンシャル場φｇａｕｇｅ（ｒ）が例えば理論計算から分かっているようなナノ構造体上のΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅ（ｒ）を先ず特定することにより校正することができる。こうして、校正係数Ｋが、Ｋ（ｒ）＝φｇａｕｇｅ（ｒ）／（Ｒ−１（ｒ，ｄ）ΔＶｃｒｉｔｇａｕｇｅ（ｒ））により求めることができる。ここで、Ｒ−１（ｒ，ｄ）は、平らで無限に延びたチップ１のモデルにより求められた感度係数である。この校正係数Ｋは、次に任意のナノ構造体８の局所電位場をφｌｏｃ（ｒ）＝Ｒ−１（ｒ，ｄ）Ｋ（ｒ）ΔＶｃｒｉｔ（ｒ）により求めるのに用いることができる。この種の校正の一例が図９に示されている。
【００５６】
本発明の主な特徴は次の通りである：
【００５７】
（Ｍ１）量子ドット２のエネルギー準位のシフトが電流なしに起こり得る。したがって、試料表面３と量子ドット２（図２ｂのコンデンサ７）との間にもはやトンネル電流が流れないような、チップ１と試料表面３との間に大きな隔たりがあるときにもシフトが起こり得る。これにより、試料表面から遠く離れていても、或いは電気的に絶縁された試料の上でも、電位場を特定することができる。さらに、本発明による装置および本発明による方法には、試料表面３から何の信号もなくてよい。こうして、自由空間内において完全に非接触で電位場の測定を行うことができる。試料表面３が持つ唯一の使い道は、ナノ構造体８のための支持体（Ａｕｆｌａｇｅ）としての働きを担い、さらに図２ｄにおける測定セットアップでは対向電極としての働きも担うことだけである。図２ｅにおける測定セットアップでは、試料表面は、対向電極としては必要ではなくナノ構造体８の支持体としてのみ機能する。図２ｅにおける測定セットアップにおいて、ナノ構造体のための支持体が必要でないときには、試料表面３は、完全に不要である。従って、図１ａ／２ｄの測定セットアップでも、図１ｂ／２ｅの測定セットアップでも、いずれにおいても、試料表面３よりも上方の全ての半空間において、例えば試料表面３上／内にあるナノ構造体８の電荷分布により影響を受ける電位場を層状に撮影するとともに、これから電位場の３次元マップを生成することが可能となる。図１ｂ／２ｅに描かれた測定セットアップを用いることにより、電位場を測定するための本発明による方法は、非導電性試料にも応用することができる。
【００５８】
（Ｍ２）量子ドット２のエネルギー準位は、エネルギー軸上で十分に鮮明である。これは、量子ドット２と金属チップ１の電子プールとの電子結合が弱いことによって実現される。これは、具体的には、量子ドット２と金属チップ１との間の適切な結合または薄い絶縁層により実現することができる。
【００５９】
（Ｍ３）量子ドット２のエネルギー準位が十分に鮮明であることで、電圧電源４によって印加される電圧で、量子ドット２が電荷変化（電子の吸収または放出）を受ける電圧の非常に小さな変化（１ｍＶのオーダー）、つまりは非常に小さな局所電位場の測定が可能である。
【００６０】
（Ｍ４）量子ドット２は、電位場に対する局所的な探針として機能する。量子ドット２の空間領域内の均された電位場のみが測定に影響する。
【００６１】
（Ｍ５）量子ドット２は、フィルタとして働く。量子ドット２の電荷変化をもたらすポテンシャル場の様子だけが測定される。遠方に離れて位置するチップ部１の部分にだけ働く他の全ての力とポテンシャル場（特に電気的な力とポテンシャル場も）は、測定信号には影響しない。
【００６２】
（Ｍ６）量子ドット２は増幅器として働く。局所電位場が量子ドット２の電荷変化（電子の吸収または放出）を引き起こせば、それを記録に残せばよく、結果的に局所電位場が測定、それも量子ドット２の電荷変化をもたらす局所電位場の強さに関係なく、局所電位場が測定されることになる。特殊な場合では、量子ドット２の電荷変化の記録が力の測定により行なわれるとき、量子ドット２は、力増幅器として働く。量子ドット２の態様次第で、原子間力顕微鏡を用いて量子ドット２の電荷変化により測定される原子間力の変化は、直接的に測定されたならば測定場所における局所電位場に対応するであろう原子間力よりもずっと大きくなり得る。
【００６３】
（Ｍ７）量子ドット２とチップ１とを組み合わせることにより、試料表面３を走査するときに、例えばナノ構造体８の凹凸（トポグラフィ）に起因する純粋な凹凸（トポグラフィ）信号（ｒｅｉｎ  ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｓｃｈｅｎ  Ｓｉｇｎａｌｅｎ）と、例えばナノ構造体８によって引き起こされる電位場に起因する信号とを区別することが可能になる。この区別の一例が、図４ｈ乃至４ｍに示されている。トポグラフィ信号と電位場由来の信号との区別は、以下の方法によって行うことができる：
【００６４】
この方法に必要な前提条件は、量子ドット２に関し、電圧電源４によって印加される少なくとも二つの異なる電圧において電荷変化を観察でき、その臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，ｉ（ここで、ｉは別々の電荷変化であることを表す。）が、チップ１と試料表面３との間の距離に対して異なる依存性を有し、そのためにチップ１と試料表面３との間の距離とともに差δＶｃｒｉｔ０，ｉｊ＝Ｖｃｒｉｔ  ０，ｉ−Ｖｃｒｉｔ０，ｊが変化するということである。限定として解されるべきでないが、一例としては、図５ａにおけるピーク１０ａと１０ｂの間の電圧軸上の距離が、チップ１と試料表面３との間の距離を与えるｚｔｉｐの関数として変化することである。
【００６５】
その一方で、チップ１と試料表面３との間の所定の距離に対して、固定位置における測定すべき局所電位場の（仮定の）変化は、全ての臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，ｉについて同じ絶対値ΔＶｃｒｉｔ分の平行移動をもたらし、この結果、差δＶｃｒｉｔｉｊ  ＝Ｖｃｒｉｔｉ−Ｖｃｒｉｔｊは、測定対象となる電位の値とは無関係となり、そのためにδＶｃｒｉｔｉｊ＝δＶｃｒｉｔ０，ｉｊ＝Ｖｃｒｉｔ０，ｉ−Ｖｃｒｉｔ０，ｊが成り立つ。
【００６６】
所定のナノ構造体８が、試料表面３とは違った凹凸（トポグラフィ）を有しもするし、測定対象となる局所電位場も生成する場合には、測定すべき局所電位場が存在しないときの基準測定（すなわち、ｚの関数としてのＶｃｒｉｔ０，ｉとＶｃｒｉｔ０，ｊによるもの）と比較することにより、二つの成分、すなわちナノ構造体８のトポグラフィと電位場は、互いに分離することができる。以下に、図５ａに示されるように、量子ドット２の電荷変化の一つが負の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ−で生じ、もう一つが正の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ＋で生じる場合について示すが、これは限定となるべきものではない。
【００６７】
トポグラフィと電位場を分離するために、先ず、試料表面３上の基準位置Ａ（この位置では、測定すべき電位はゼロであり、トポグラフィはナノ構造体８なしの無垢の試料表面のトポグラフィである。）において、チップ１と試料表面３との間の距離の関数としての値Ｖｃｒｉｔ０，＋とＶｃｒｉｔ０，−が特定される。図５ａにおいて、Ｖｃｒｉｔ０，＋（ピーク１０ｂ）とＶｃｒｉｔ０，−（ピーク１０ａ）を特定するために原子間力顕微鏡を使用したが、これは限定を意味するものではない。
【００６８】
次に、チップ１と試料表面３との間の距離についてＶｃｒｉｔ０，＋，Ｖｃｒｉｔ０，−およびδＶｃｒｉｔ０＝Ｖｃｒｉｔ０，＋−Ｖｃｒｉｔ０，−をプロットする。これが、図５ｂおよび５ｃにおいて例示的にＶｃｒｉｔ０，−とδＶｃｒｉｔ０の場合について示されている。図５ａ，５ｂおよび５ｃでは、チップ１と試料表面３との間の距離は、ｚｔｉｐで示されている。図５ａおよび５ｂによれば、差δＶｃｒｉｔ０＝Ｖｃｒｉｔ０，＋−Ｖｃｒｉｔ０，−は、チップ１と試料表面３との間の距離とともに単調に変化する。
【００６９】
ここで、チップ１と表面３との間の或る固定距離ｚｔｉｐ＝ａを選択する。次に、試料表面３までの距離ａを一定としつつ、量子ドット２を有するチップ１を、測定すべき電位場が存在するナノ構造体８の上方の場所Ｂまで持っていく。ナノ構造体８の凹凸は、チップ１と表面との間の有効距離の変化をもたらす。それは、試料表面３に代わってナノ構造体８の表面が実際の表面となるからである。
【００７０】
次に、ナノ構造体８上方の位置Ｂにおいて、Ｖｃｒｉｔ＋，Ｖｃｒｉｔ−とδＶｃｒｉｔ＝Ｖｃｒｉｔ＋−Ｖｃｒｉｔ−を特定する。この差δＶｃｒｉｔ＝Ｖｃｒｉｔ＋−Ｖｃｒｉｔ−から、δＶｃｒｉｔ０の場合に記録された図５ｂの校正曲線を用いて、チップ１とナノ構造体８との間の距離を求めることができる。これが図５ｂにおいて破線の矢印によって示されている：δＶｃｒｉｔの値に対応するｚｔｉｐの値は、校正曲線を用いて求められる（この値をｂで表すことにする。）。こうして、ナノ構造体８のトポグラフィ信号は、ａ−ｂとして特定することができる。
【００７１】
続いて、（Ｐ６）に記載された方法により、臨界電圧Ｖｃｒｉｔの変化から電位場の特定が行なわれるが、このとき、場所Ａで記録された図５ｃの校正曲線（或いは、Ｖｃｒｉｔ０，＋の場合に等価なもの）を使用して、距離ｚｔｉｐ＝ｂについて基準値Ｖｃｒｉｔ０，−（或いはそれと同等のＶｃｒｉｔ０，＋）を特定するようにする。これが図５ｃにおいて破線の矢印によって示されている：ｚｔｉｐ＝ｂの値に対応するＶｃｒｉｔ０，−の値は、校正曲線を用いて求められる。この値は、次に新しい基準値としてΔＶｃｒｉｔ−を特定するために用いられる。すなわち、実際に場所Ｂで測定された値Ｖｃｒｉｔ−が、校正曲線により特定されたＶｃｒｉｔ０，−に対照されて：ΔＶｃｒｉｔ−＝Ｖｃｒｉｔ−−Ｖｃｒｉｔ０，−とされる。このΔＶｃｒｉｔ−から、次に（Ｐ６）により位置Ｂにおける局所電位が特定される。
【００７２】
（Ｍ８）本発明による装置および本発明による方法によれば、一電気素量ｅ（ｅ＝１．６０３×１０−１９Ｃ）の局所電位の測定を１μｍの距離まで可能とする（これは、ΔＶｃｒｉｔの検出では１ｍＶの感度に相当する。）ので、本発明による装置および本発明による方法は、個々の情報ビットがナノ構造体中の一または複数の電荷素量ｅによって１オングストロームのオーダーの領域に蓄えられる電気的な記憶素子を非接触で読み出すのに使用することができる。本発明による装置およびその方法は、その高い横分解能（０．５ｎｍ）のおかげで、個々の記憶素子が互いに０．５ｎｍの距離を有する場合であっても、メモリセルの並びから非接触の読み出しを行なうのに利用することができる。また、局所電位場の測定が無電流で行われるという事実のおかげで、本発明の装置および本発明の方法による情報メモリの読み取りプロセスが、電流による不本意な書き込みプロセスを伴うことがない。
【００７３】
限定するものとして解されるべきではない方法を以下に記載する。以下では、走査型プローブ顕微鏡の量子ドット２とチップ１の複合システムを「量子ドットセンサ」と呼ぶ。量子ドットセンサによる電位場の局所的ないし撮像的な測定の三つの例示的な方法を説明する。ここでは、量子ドットの電荷変化（電子の吸収または放出）を特定するために原子間力顕微鏡を用いることにする。これらの方法の列挙も、走査型プローブ顕微鏡の特定の実現例としての原子間力顕微鏡の使用も、限定的なものとして解されるべきではない。全ての方法が最初に説明されている複数ステップを有する。
【００７４】
本発明による方法を実施するときには、量子力ドット２が付与された走査力顕微鏡のチップ１を観察すべき試料表面３上に持っていく。その際、電位場を測定しなければならない複数位置に向けて順々に動かしていく。これらの位置は、試料表面に関するその横方向座標およびその垂直方向座標のいずれにおいても互いに区別することができる。これは、本方法が試料表面３との直接的な接触を必要とすることなく電位場の３次元マップの計測を可能にするからである。
【００７５】
測定すべき電位場が存在しない基準位置において、量子ドット２の電荷変化（電子の吸収または放出）をもたらす臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０  が決定される。一連の正及び負の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０に対して量子ドット２の電荷変化が生じた場合、チップ１と試料表面３との間の距離によってその振る舞いが異なる二つの臨界電圧を決定すれば十分である。限定されるものではないが、これを正の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，＋と負の臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，−とすることができる。
【００７６】
臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０を決定するために、電圧電源４によって印加される電圧を変化させるとともに走査力顕微鏡をその標準動作モードで使用し、これにより量子ドットセンサに働く力の急激な変化（この変化は、量子ドット２の電荷が臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０において変化した結果現れる。）を検出する。これは、特に有利な実現例では、原子間力顕微鏡の力センサの周波数シフトに伴って信号（この信号は、力勾配に比例し、そのために力の急激な変化に非常に敏感に反応する。）を出力する、原子間力顕微鏡の振幅変調型ダイナミックモードでの検出により行われる。電荷が変化することで急激に力が変化するために、その際の信号は特に強いものとなる。
【００７７】
量子ドット２の電荷変化を検出するために考えられる他の測定量は、第一に、原子間力顕微鏡のスタティックモードにおけるカンチレバーの曲がり方の変化、第二に、原子間力顕微鏡のダイナミックモードにおけるエネルギー散逸の変化である。
【００７８】
試料表面３の上方及びナノ構造体８の上方における量子ドットセンサの他の全ての所望位置では、電圧電源４によって印加される臨界電圧Ｖｃｒｉｔは、以下の方法で決定することができる。
【００７９】
（Ｖ１）分光法：
この場合、上述した方法がそれぞれの後続位置において繰り返される。これにより臨界電圧Ｖｃｒｉｔの３次元マップが得られ、そこから（Ｐ６）および（Ｍ７）に記載された方法によって電位場を決定することができる。
【００８０】
（Ｖ２）直接撮影法（Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ  ｍｉｔ  ｄｉｒｅｋｔｅｒ  Ａｂｂｉｌｄｕｎｇ）：
この場合、電圧間隔の有限幅（以下、「ピーク幅」という。）は、量子ドット２の電荷変化が生じるＶｃｒｉｔ周辺で生じることになる。この目的のために、量子ドット２の電荷変化が起こる臨界電圧Ｖｃｒｉｔに近い固定値に印加電圧が設定されるとともに、原子間力顕微鏡の標準動作モードが撮影に使用され、その一方で試料上方の観察対象の半空間領域が走査される。特に有利な実現例では、印加された電圧による原子間力顕微鏡の信号の変化が最大となる電圧値が設定される。臨界電圧Ｖｃｒｉｔの変化が半ピーク幅（ｈａｌｂｅ  Ｐｅａｋｂｒｅｉｔｅ）を超えず、したがって原子間力顕微鏡の信号と臨界電圧Ｖｃｒｉｔとの間に一義的な関係が存在する場合、原子間力顕微鏡の信号は、そのまま臨界電圧Ｖｃｒｉｔの変化と解することができ、（Ｐ６）（Ｍ７）の方法に従って校正することができる。臨界電圧Ｖｃｒｉｔの変化がピーク幅（Ｐｅａｋｂｒｅｉｔｅ）を上回る場合は、２次元画像内の線（この線に沿って原子間力顕微鏡の信号の変化が最大になる。）を、一定電位の線として、つまり電位場の等位線として捉えることができる。この方法によって得られた二つの２次元画像（これらは、二つの異なる電位値における等ポテンシャル線を示す。）が図１０ｃおよび１０ｄに示されている。同様に、設定された電圧が、チップ１と試料表面３との間の距離にともなうＶｃｒｉｔの変化に合わせて調整される場合、原子間力顕微鏡の信号の変化が最大になる３次元画像内の面は、一定の電位の面、つまり電位場の等位面として理解することができる。
【００８１】
（Ｖ３）フィードバックループ制御法（Ｒｅｇｅｌｓｃｈｌｅｉｆｅｎｇｅｓｔｅｕｅｒｔｅｓ  Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）：
この場合、フィードバックループが用いられ、試料表面よりも上方の半空間を走査している間、操作量としての印加電圧を、量子ドット２の電荷変化が起こる臨界値Ｖｃｒｉｔに保持し続けるようにする。制御量の例は、限定的にみなすべきではないものの、原子間力顕微鏡の力センサの周波数シフトの印加電圧による微分である。これは、例えばロックインアンプによって測定することができる。閉ループ制御の目的は、制御量を刻々とゼロに維持し続けることである。ピーク幅の範囲では、操作量に応じて制御量が大きく変化し、これが良好な閉ループ制御を可能にする。特に有利な実現例では、これは、電圧電源４によって印加される少なくとも二つの異なる電圧に対して実行され、その電圧において量子ドットの電荷変化（その臨界電圧Ｖｃｒｉｔ０，ｉがチップ１と試料表面３との間の距離に対して異る依存性を有する。）が観察される。このようにして、電位場を決定するための（Ｐ６）および（Ｍ７）の方法に従って使用することができる臨界電圧Ｖｃｒｉｔｉの３次元マップが得られる。
【００８２】
以下に、本発明を例示的に説明するが、この説明が限定的に解されるべきものではない。
【００８３】
具体的な実施例において、量子ドット２は、原子間力顕微鏡のチップ部１を用いてＡｇ（１１１）表面から受け取ったＰＴＣＤＡ分子である（図４ａ）。トンネル分光法の研究から、チップへの分子の結合の電子結合作用（ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｓｃｈｅ  Ｋｏｐｐｌｕｎｇｓｆｕｎｋｔｉｏｎ）は、終端の酸素原子を介していることで十分に弱く、その結果、シャープな分子準位はわずかにしか広がらない（幅約１０ｍｅＶ）ことが分かっている。これは、とりわけ有利な実施態様である。具体的な実施例において、力の検出は、ＱＰＩｕｓタイプのダイナミック型力センサによって行なわれる。この力センサでは、周波数シフトは作用する力勾配に比例する。そのため、チップ１と試料表面３との間の力に跳びが生じる量子ドット２の電荷変化に際しては、周波数シフトの信号に鋭いピークが現れる（図５ａ）。このピークの幅は、ＱＰＩｕｓセンサの発振振幅が十分に小さい場合、量子ドットの準位のシャープさに直接関係している。具体的な実施例では、別のＰＴＣＤＡ分子がナノ構造体８として配置されたＡｇ（１１１）試料表面３上を、チップ１および量子ドット２を有したＱＰＩセンサで走査した。この分子内の化学的な元素の電気陰性度が異なるために、この分子は電気四重極モーメントを有する。分光的な方法（Ｖ１）と方法（Ｐ６）および（Ｍ７）とを組み合わせることにより、この四重極モーメントに起因する局所電位場の分布をチップ１および量子ドット２を有するＱＰＩｕｓセンサで画像化した（図４ｂ乃至４ｍ）。さらに、ＰＴＣＤＡ分子の測定された局所電場を校正するために、ＰＴＣＤＡ分子と同じ方法によってＡｇ（１１１）表面上のＡｇ吸着原子を画像化した（図９ａ乃至９ｃ）。最後に、Ａｇ（１１１）上にあるＰＴＣＤＡアイランド上方の等位線を方法（Ｖ２）により画像化した（図１０ｃ及び１０ｄ）。
【図１ａ）】
0006596096.tif 000002
【図１ｂ）】
0006596096.tif 000003
【図２ａ）】
0006596096.tif 000004
【図２ｂ）】
0006596096.tif 000005
【図２ｃ）】
0006596096.tif 000006
【図２ｄ）】
0006596096.tif 000007
【図２ｅ）】
0006596096.tif 000008
【図３】
0006596096.tif 000009
【図４】
0006596096.tif 000010
【図５】
0006596096.tif 000011
【図６】
0006596096.tif 000012
【図７】
0006596096.tif 000013
【図８】
0006596096.tif 000014
【図９】
0006596096.tif 000015
【図１０】
0006596096.tif 000016