(57)【要約】【課題】本発明は、非接触で電気伝導特性を測定し得るクラスタ、クラスタ生成装置及び方法、並びに、クラスタ又は分子の電気伝導特性測定装置及び方法を提供する。【解決手段】本発明のクラスタαは、互いに異なる第１乃至第３原子又は分子（原子等）Ａ、Ｂ、Ｃから成り、第２原子等Ｂが第１原子等Ａと第３原子等Ｃとの間に存在している。クラスタαは、蒸気ビームを断熱膨張させることで生成した初期クラスタに順次に第１乃至第３原子等Ａ、Ｂ、Ｃの蒸気を供給することで生成し得る。そして、クラスタαにＸ線を照射してクーロン爆発を生じせしめ、これにより生じたイオンを電界Ｅで加速して２次元ポジションセンサで計測することでクーロン爆発から２次元ポジションセンサに到達するまでの飛行時間と２次元ポジションセンサへの到達位置に基づいてその電気伝導特性を計測する。また、クラスタαに代え分子を用いることでその電気伝導特性も計測できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子から成るクラスタであって、
前記第２の原子又は分子が前記第１の原子又は分子と前記第３の原子又は分子との間に存在していること
を特徴とするクラスタ。
【請求項２】
原子又は分子の蒸気ビームを生成する蒸気ビーム生成部と、
前記蒸気ビームを断熱膨張させることにより初期クラスタを生成する初期クラスタ生成部と、
前記初期クラスタを構成する原子又は分子よりも沸点の高い互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子の蒸気を前記初期クラスタに順に供給する第１乃至第３蒸気供給部とを備えること
を特徴とする請求項１に記載のクラスタを生成するクラスタ生成装置。
【請求項３】
原子又は分子の蒸気ビームを生成する第１工程と、
前記蒸気ビームを断熱膨張させることにより初期クラスタを生成する第２工程と、
前記初期クラスタを構成する原子又は分子よりも沸点の高い互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子の蒸気を前記初期クラスタに順に供給する第３工程とを備えること
を特徴とする請求項１に記載のクラスタを生成するクラスタ生成方法。
【請求項４】
請求項１に記載のクラスタに前記第１の原子又は分子に吸収されると共に前記第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じた電子を検出する電子検出部と、
前記クーロン爆発により前記クラスタから生じたイオンを加速するイオン加速部と、
前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出するイオン位置検出部と、
前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記クラスタの電気伝導特性を求める処理部とを備えること
を特徴とするクラスタ電気伝導特性測定装置。
【請求項５】
前記処理部は、前記電子検出部から検出信号を得た時刻から前記イオン位置検出部から位置検出信号を得た時刻までの時間を、前記イオンが前記クーロン爆発から前記イオン位置検出部に到達するまでの飛行時間として求め、求めた前記飛行時間と前記位置検出信号の到達位置とからイオンの運動量分布を求め、求めた前記運動量分布からクラスタ内の電荷拡散距離を求めることで電気伝導特性を求めること
を特徴とする請求項４に記載のクラスタ電気伝導特性測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載のクラスタに前記第１の原子又は分子に吸収されると共に前記第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせる第１工程と、
前記クーロン爆発により前記クラスタから生じた電子を検出する第２工程と、
前記クーロン爆発により前記クラスタから生じたイオンを加速する第３工程と、
加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出する第４工程と、
前記第１工程の検出信号及び前記第４工程の位置検出信号に基づいて前記クラスタの電気伝導特性を求める第５工程とを備えること
を特徴とするクラスタ電気伝導特性測定方法。
【請求項７】
請求項１に記載のクラスタに前記第１の原子又は分子に吸収されると共に前記第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じた電子を検出し、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じたイオンを加速し、加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出し、前記電子の検出を示す検出信号及び前記イオンの検出位置を示す位置検出信号に基づいて前記電子の検出から前記イオンの検出までの時間をイオンの飛行時間として求め、前記飛行時間及び前記位置検出信号に基づいて前記クラスタの電気伝導特性を求める、コンピュータに実行させるクラスタ電気伝導特性演算プログラムにおいて、
前記飛行時間及び前記２次元平面内の位置に基づいて前記クーロン爆発直後における前記イオンの運動量を求めるステップと、
前記ステップで求めた運動量に基づいて前記イオンの前記クラスタにおける初期配置を求めるステップと、
前記ステップで求めた前記イオンの初期配置に基づいて前記Ｘ線の吸収開始からクーロン爆発までに要する時間を求めるステップと、
前記第３の原子又は分子がイオンとして検出される場合の前記クラスタの大きさに基づいて電荷の拡散距離を求め、前記ステップで求めた時間に基づいてホールの拡散係数を求めるステップと、
前記ステップで求めたホールの拡散係数に基づいて、電気伝導特性を表す前記ホールの移動度を求めるステップとを備えること
を特徴とするクラスタ電気伝導特性演算プログラム。
【請求項８】
請求項７に記載のクラスタ電気伝導特性演算プログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体。
【請求項９】
互いに異なる第１乃至第３の原子を少なくとも含み、前記第１の原子と前記第３の原子との間に少なくとも前記第２の原子が存在する分子構造を有する分子に前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記分子から生じた電子を検出する電子検出部と、
前記クーロン爆発により前記分子から生じたイオンを加速するイオン加速部と、
前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出するイオン位置検出部と、
前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記分子の電気伝導特性を求める処理部とを備えること
を特徴とする分子電気伝導特性測定装置。
【請求項１０】
前記処理部は、前記電子検出部から検出信号を得た時刻から前記イオン位置検出部から位置検出信号を得た時刻までの時間を、前記イオンが前記クーロン爆発から前記イオン位置検出部に到達するまでの飛行時間として求め、求めた前記飛行時間と前記位置検出信号の到達位置とからイオンの運動量分布を求め、求めた前記運動量分布から分子内の電荷拡散距離を求めることで電気伝導特性を求めること
を特徴とする請求項９に記載の分子電気伝導特性測定装置。
【請求項１１】
互いに異なる第１乃至第３の原子を少なくとも含み、前記第１の原子と前記第３の原子との間に少なくとも前記第２の原子が存在する分子構造を有する分子に、前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせる第１工程と、
前記クーロン爆発により前記分子から生じた電子を検出する第２工程と、
前記クーロン爆発により前記分子から生じたイオンを加速する第３工程と、
前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出する第４工程と、
前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記分子の電気伝導特性を求める第５工程とを備えること
を特徴とする分子電気伝導特性測定方法。
【請求項１２】
互いに異なる第１乃至第３の原子を少なくとも含み、前記第１の原子と前記第３の原子との間に少なくとも前記第２の原子が存在する分子構造を有する分子に、前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記分子から生じた電子を検出し、前記クーロン爆発により前記分子から生じたイオンを加速し、前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出し、前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記電子の検出から前記イオンの検出までの時間をイオンの飛行時間として求め、前記飛行時間及び前記位置検出信号に基づいて前記分子の電気伝導特性を求める、コンピュータに実行させる分子電気伝導特性演算プログラムにおいて、
前記飛行時間及び前記２次元平面内の位置に基づいて前記クーロン爆発直後における前記イオンの運動量を求めるステップと、
前記ステップで求めた運動量に基づいて前記イオンの前記分子における初期配置を求めるステップと、
前記ステップで求めた前記イオンの初期配置に基づいて前記Ｘ線の吸収開始からクーロン爆発までに要する時間を求めるステップと、
前記第３の原子がイオンとして検出される場合の前記分子の大きさに基づいて電荷の拡散距離を求め、前記ステップで求めた時間に基づいてホールの拡散係数を求めるステップと、
前記ステップで求めたホールの拡散係数に基づいて、電気伝導特性を表す前記ホールの移動度を求めるステップとを備えること
を特徴とする分子電気伝導特性演算プログラム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の分子電気伝導特性演算プログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で電気伝導特性を測定することに好適なクラスタに関する。このようなクラスタを生成するためのクラスタ生成装置及びクラスタ生成方法に関する。そして、このようなクラスタを用いたクラスタの電気伝導特性を測定するためのクラスタ電気伝導特性測定装置及びクラスタ電気伝導特性測定方法に関する。さらに、クラスタのクーロン爆発から生じたイオンの飛行時間及び２次元到達位置からクラスタの電気伝導特性を求めるクラスタ電気伝導特性演算プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
そして、本発明は、分子の電気伝導特性を測定するための分子電気伝導特性測定装置及び分子電気伝導特性測定方法に関する。さらに、分子のクーロン爆発から生じたイオンの飛行時間及び２次元到達位置から分子の電気伝導特性を求める分子電気伝導特性演算プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００３】
数個から数万個の原子又は分子（以下、「原子等」と略記する。）が集合した系であってバルク（凝縮相）の性質と異なる性質を備える系は、一般に、クラスタと呼ばれている。クラスタは、それを形成している原子等の数が少ないため、一般のバルク材料では、得ることができなかった物理的及び化学的な特性を有することが近年分かってきた。このため、クラスタは、多くの技術分野でその応用が期待されており、近年、その研究、開発が盛んになりつつある。そのため、クラスタの特性、特に、基本的な物理量である電気伝導特性を測定することが要請されている。
【０００４】
このようなクラスタは、例えば、特許文献１に開示のクラスタ生成装置によって生成され得る。図１１は、特許文献１に開示のクラスタ生成装置の構成を示す図である。図１１において、特許文献１に開示のクラスタ生成装置１０００は、共に排気系を接続した試料蒸気発生室１０１０とクラスタ生成室１０３０とを備えおり、試料蒸気発生室１０１０とクラスタ生成室１０３０とがスキマ１０４０を介して連結されている。試料蒸気発生室１０１０は、試料ロッド１０１４を前進回転自在に支持する前進回転駆動機構１０１５と、試料ロッド１０１４の表面へレーザビーム１０１６を導くためのレーザ照射窓１０１７と、キャリアガス及び反応ガスを流入させるガス供給系１０１８とを備えている。このような構成のクラスタ生成装置１０００では、まず、集光したレーザビームがレーザ照射窓１０１７を介して試料ロッド１０１４に照射され、これにより試料ロッド１０１４が加熱されて蒸発し、試料蒸気としての高温のプラズマが生成される。一方、このプラズマを冷却するためのキャリアガス、及び、クラスタを生成するための反応性ガスがガス供給系１０１８から試料蒸気発生室１０１０に流入される。これら試料蒸気、キャリアガス及び反応性ガスは、試料蒸気発生室１０１０とクラスタ生成室１０３０との圧力差により差動排気されることにより、超高速ジェットとなってスキマ１０４０から噴出する。この噴出の際に、断熱膨張が生じ、これら混合ガスが冷却され、凝縮現象により様々なクラスタが生成される。
【０００５】
また、分子材料を集積したバルク材料をデバイスとして利用する際に、単一分子での特性、特に基本的な物理量である電気伝導特性を測定することができれば、バルク材料の特性発現における分子内と分子間の寄与が明らかとなり、より精密な材料特性の予測が可能になると考えられる。
【特許文献１】特開平５−２５６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、クラスタや分子の電気伝導特性を測定する測定手法そのものが確立されていないという事情にある。
【０００７】
仮に、既存の電気伝導特性を測定する測定装置を利用しようとすれば、クラスタに測定用電極を接触させる必要がある。ところが、クラスタは、例えば数十ｎｍの大きさなので、測定用電極のクラスタへの取り付けに非常な困難が伴う。また、測定用電極がクラスタに較べて非常に大きく、そして、クラスタに接触させて測定するので、測定用電極の影響を受け、測定用電極を含めた系で電気伝導特性を測定していることとなり、クラスタのみの電気伝導特性を測定することが困難である。
【０００８】
また、分子も非常に小さいため、単一分子の電気伝導特性測定はクラスターと同様の困難が伴うため、測定に際して別途の手法を考案する必要がある。
【０００９】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、非接触で電気伝導特性を測定することができるクラスタを提供することを目的とする。このようなクラスタを製造するクラスタ生成装置及びクラスタ生成方法を提供することを目的とする。このようなクラスタの電気伝導特性を測定するクラスタ電気伝導特性測定装置及びクラスタ電気伝導特性測定方法を提供することを目的とする。このようなクラスタのクーロン爆発から生じたイオンの飛行時間及び２次元到達位置からクラスタの電気伝導特性を求めるクラスタ電気伝導特性演算プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、分子の電気伝導特性を測定する分子電気伝導特性測定装置及び分子電気伝導特性測定方法を提供することを目的とする。分子のクーロン爆発から生じたイオンの飛行時間及び２次元到達位置から分子の電気伝導特性を求める分子電気伝導特性演算プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、種々検討した結果、以下の原理によってクラスタや分子の電気伝導特性を非接触で測定し得ることを見出した。
【００１２】
図１は、クラスタの電気伝導特性を測定する測定原理を説明するための図である。図１（Ａ）は、Ｘ線照射によるクラスタのクーロン爆発の過程を説明するための図であり、図１（Ｂ）は、電気伝導特性測定装置の概念を説明するための図である。
【００１３】
まず、第１の原子等Ａと第３の原子等Ｃとの間に、電気伝導特性の測定対象である第２の原子等Ｂが存在するクラスタαを用意する。次に、第１の原子等Ａに吸収されると共に第２及び第３の原子等Ｂ、Ｃには吸収されない波長のＸ線、例えば硬Ｘ線をクラスタαに照射する。特に、第１の原子等Ａに吸収されると共に第２及び第３の原子等Ｂ、Ｃには吸収されない波長であって、第１の原子等ＡのＸ線吸収端近傍の波長に相当すると共に第２及び第３の原子等Ｂ、ＣのＸ線吸収端近傍の波長に相当しない波長のＸ線は、第１の原子Ａ等のみに効率よく吸収されるため、より好ましい。
【００１４】
このＸ線の照射により第１の原子等Ａに内殻励起が起こり、オージェ電子を放出する非輻射過程により第１の原子等Ａで多数のホール（正孔）が生成され、第１の原子等Ａは、選択的に多価イオン化される（図１（Ａ）の左側参照）。なお、図１（Ａ）において、イオン化している原子を網目模様で表示している。このホールは、第１の原子等Ａからクラスタα中に拡散して行く（図１（Ａ）の中央参照）。このクラスタα内におけるホールの拡散現象は、後述の実験によって確認されている。このホールがクラスタα内を拡散して行くと、やがて、イオン化された原子等間に働くクーロン斥力がクラスタαの凝縮力より大きくなり、クラスタαは、解離を起こし、種々の価数ｚを持った原子状のイオンを放出する（図１（Ａ）の右側参照）。この現象は、「クーロン爆発」と呼ばれている。また、本明細書では、このクーロン爆発によって放出されたイオンを「子イオン」と呼称することとする。
【００１５】
このクーロン爆発により生じた子イオンを図１（Ｂ）に示すように飛行時間型質量分析器を流用して測定し、電界Ｅによって加速された子イオンにおける、クーロン爆発から２次元ポジションセンサ（２次元位置検出装置）に到達するまでの飛行時間Ｔｊと、電界Ｅの方向（加速方向）に直交する２次元平面内に配置された２次元ポジションセンサにおける子イオンの到達位置（検出位置）Ｘｊ、Ｙｊを測定する。なお、添え字ｊは、子イオンｊにおける飛行時間Ｔ及び到達位置Ｘ、Ｙであることを示す。添え字ｊは、以下も同様である。
【００１６】
子イオンに働くクーロン斥力は、クーロン爆発直前におけるクラスタαの電荷分布に対応するので、検出した子イオンの飛行時間Ｔｊと到達位置Ｘｊ、Ｙｊとから子イオンの運動量分布を求め、クラスタα内の電荷拡散距離を求めることで電気伝導特性を求めることができる。
【００１７】
以下に、この子イオンの飛行時間Ｔｊ及び到達位置Ｘｊ、Ｙｊから電気伝導特性の求め方についてより詳細に説明する。
【００１８】
電気伝導度σは、一般に式１で表され、本発明では、ｎは、ホールの電荷密度であり、ｅは、素電荷であり、μは、移動度である。
【００１９】
【数１】
2007248456.tif 000003
【００２０】
式１にアインシュタインの関係式を用いると、移動度μは、式２で表される。
【００２１】
【数２】
2007248456.tif 000004
【００２２】
ここで、Ｄは、拡散係数であり、ｋＢは、ボルツマン定数であり、Ｔは、絶対温度である。
【００２３】
クラスタαにおけるＸ線を吸収する第１の原子等Ａの位置の座標を位置ベクトルｒ０とし、クラスタαのクーロン爆発直前における第２及び第３の原子等Ｂ、Ｃの座標を位置ベクトルｒとすると、平均二乗変位ｌ２≡＜｜ｒ−ｒ０｜２＞は、式３によってこの拡散係数Ｄと関係付けられる。
【００２４】
【数３】
2007248456.tif 000005
【００２５】
ここで、τは、Ｘ線の吸収開始からクーロン爆発までに要する時間であり、サブピコ秒の時間スケールである。なお、子イオンが複数検出される場合には、これらの平均を取る。
【００２６】
ｌは、クラスタαの大きさをＬとすると、このＬと式４の関係にある。
【００２７】
【数４】
2007248456.tif 000006
【００２８】
ここで、第３の原子等Ｃがイオン化して検出されれば、第１の原子等Ａから第２の原子等Ｂを介して第３の原子等Ｃまでホール（電荷）が移動したことになる。そのため、第２の原子等Ｂの厚みを変えながら測定を行い、第３の原子等Ｃが子イオンとして検出される最大のクラスタαの大きさＬを求める。この最大のクラスタαの大きさＬをＬｍａｘとすると、式５となるので、第３の原子等Ｃがイオン化される場合における拡散係数Ｄや移動度μを正確に求めることができ、第２の原子等Ｂにおける拡散係数Ｄや移動度μ等の電気伝導特性をより精度よく測定することができる。
【００２９】
【数５】
2007248456.tif 000007
【００３０】
このクラスタαのクーロン爆発直前における第２及び第３の原子等Ｂ、Ｃの座標の位置ベクトルｒは、ｚ＝ｚＤに配置された２次元ポジションセンサで検出される子イオンの飛行時間Ｔｊ及び到達位置Ｘｊ、Ｙｊから以下のようにして求めることができる。
【００３１】
クーロン爆発直後の子イオンｊにおける運動量Ｐｊ（ｘ）（０＋）、Ｐｊ（ｙ）（０＋）、Ｐｊ（ｚ）（０＋）は、式６（式６−１、式６−２、式６−３）で表される。
【００３２】
【数６】
2007248456.tif 000008
【００３３】
ここで、０＋は、クーロン爆発直後の時刻であり、一方、後述の０−は、クーロン爆発直前の時刻である。そして、Ｍｊは、子イオンｊの質量であり、ｔｊは、子イオンｊが電界Ｅによって加速を終了した時刻（後述の実施形態における飛行管６２の引き込み電極６２ｄに到達した時刻）である。なお、この加速開始点（実施形態における飛行管６２の引き込み電極６２ｄの配置位置）をｚの座標原点ｚ０としている。
【００３４】
そして、この運動量のｚ成分Ｐｊ（ｚ）（ｔｊ）は、式７（式７−１、式７−２）を満たす。
【００３５】
【数７】
2007248456.tif 000009
【００３６】
ここで、Ｑｊは、子イオンの電荷であり、Ｅｊは、クーロン爆発によって生じた子イオンを加速する電界Ｅである。
【００３７】
Ｑｊは、測定結果から求めることができ、Ｅｊは、既知であるから、式６及び式７からｔｊ及びＰｊ（ｚ）（ｔｊ）を求めることができる。
【００３８】
また、時刻ｔにおける子イオンの運動量Ｐｊ（ｘ）（ｔ）、Ｐｊ（ｙ）（ｔ）、Ｐｊ（ｚ）（ｔ）と位置ベクトルｒｊ＝（ｘｊ（ｔ）、ｙｊ（ｔ）、ｚｊ（ｔ））との関係は、クーロン爆発直前の運動量をゼロとすると、式８で与えられる。
【００３９】
【数８】
2007248456.tif 000010
【００４０】
ここで、ベクトルΦは、系の全ポテンシャルエネルギーであり、式９によって与えられる。
【００４１】
【数９】
2007248456.tif 000011
【００４２】
ここで、εは、誘電率である。ｎは、１回のクーロン爆発で生じる子イオンの個数であり、最終的に求められる移動度μに要求される精度を満たす程度に２次元ポジションセンサの検出精度が充分な場合には、２次元ポジションセンサのヒット数ｎｈｉｔで置き換えることができる。
【００４３】
そして、クーロン爆発直前における子イオンｊの位置ベクトルｒｊ（０−）＝（ｘｊ（０−）、ｙｊ（０−）、ｚｊ（０−））を式８及び式９によって近似的に求めるために、クーロン反発が有効に働く時間をｔＥとおくと、式１０を満たす。この時間ｔＥは、式１１に示すように、原子の直径ａを用いてｊについての平均によって与えられる。
【００４４】
【数１０】
2007248456.tif 000012
【００４５】
【数１１】
2007248456.tif 000013
【００４６】
現実の測定において、子イオンは、ほとんど１価のイオンであるので、式１０のＱｊ及びＱｉは、Ｑｊ＝Ｑｉ＝ｅとおけ、簡単化のために｜ｒＩ（０−）−ｒｊ（０−）｜＝ａとおくと、式１０は、式１２に近似することができる。
【００４７】
【数１２】
2007248456.tif 000014
【００４８】
ここで、式１２の両辺をｊで和を取ることと分かるように、式１２は、クーロン爆発前後で運動量保存則を自動的に満たしている。そして、このことは、｛ｒｊ（０−）｝が一次従属であることも意味している。｛ｒｊ（０−）｝に関する連立１次方程式が不定となることを避けるため、ｒｎ（０−）＝ｒ０とおく。式１２を書き直すと、式１３となる。
【００４９】
【数１３】
2007248456.tif 000015
【００５０】
なお、近似の精度を向上させるためには、式１３の解｛ｒｊ（０−）｝をＱｊ＝ＱＩ＝ｅとした式１０の右辺分母に代入して逐次的に求めればよい。
【００５１】
式３における上記時間τは、フェムト秒分光等の他の実験から得ても良いが、子イオンｊの飛行時間Ｔｊ及び到達位置Ｘｊ、Ｙｊの測定から得られるイオンの初期配置を用いて求めることもできる。上記時間τは、クラスタα中のイオンが初期位置のベクトルＲ０から電荷の移動が不可能となる位置のベクトルＲまで移動するのに要する時間と考えることができる。換算質量ｍｅｆｆの原子の速度をｖ（ｒ）、その運動エネルギーをＴ（ｒ）とすると、初期位置のベクトルＲ０から電荷の移動が不可能となる位置のベクトルＲまでに動くのに要する時間ｔ（Ｒ）は、式１４で表される。
【００５２】
【数１４】
2007248456.tif 000016
【００５３】
エネルギー保存則から運動エネルギーの増加分は、ポテンシャルエネルギーの減少分に等しいと考えられるため、クーロン爆発初期におけるイオンの配置から運動エネルギーを直接求めることができる。そして、積分の上限値のベクトルＲは、ホール（電荷）の移動が事実上終了する距離であり、｜Ｒ・Ｒ０｜の目安としては、式１１のｔＥの間に原子が移動することができる距離を考慮することで見積もることができる。
【００５４】
以上により、子イオンの飛行時間Ｔｊ及び到達位置Ｘｊ、Ｙｊから拡散係数Ｄや移動度μ等の電気伝導特性を求めることができる。
【００５５】
なお、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃは、Ｘ線吸収端の波長が異なれば、任意の原子等でよい。そして、第１及び第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃは、１又は複数個でよいが、第１の原子等Ａから第３の原子等Ｃへの電気伝導を特定することができ、また、測定結果と対応させることができるので、現象をより明瞭に解明することができるから、１個ずつであることが好ましい。
【００５６】
また、クラスタα内におけるホールの拡散現象を確認する実験について説明する。図２は、クラスタ内における電荷の移動を示す実験結果の図である。図２（Ａ）は、アルゴン−クリプトンクラスタ（Ｋ吸収領域、Ｌ吸収領域）のＰＥＰＩＣＯスペクトルを示す図であり、図２（Ｂ）は、アルゴン原子のＰＥＰＩＣＯスペクトルを示す図であり、図２（Ｃ）は、１４．３３ｋｅＶ付近におけるアルゴン及びクリプトンの吸収断面積を示す図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）の横軸は、ミクロン秒（μｓｅｃ）単位で示す飛行時間（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）であり、その縦軸は、個数／秒（ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ）単位で示すＰＥＰＩＣＯシグナル（ＰＥＰＩＣＯ  ｓｉｇｎａｌ）である。図２（Ｃ）の横軸は、ｋｅＶ単位で示すＸ線エネルギーであり、その縦軸は、吸収断面積である。
【００５７】
実験は、アルゴン（Ａｒ）とクリプトン（Ｋｒ）との混合クラスタに、クリプトンにおけるＸ線吸収端の波長の前後における各波長のＸ線をそれぞれ照射し、その光電子−光イオン同期（Photoelectron-Photoion-Coincidence、以下、「ＰＥＰＩＣＯ」と略記する。）スペクトルを測定した。このＰＥＰＩＣＯスペクトル測定は、所定の真空度の真空雰囲気中で混合クラスタにＸ線を照射することによりクーロン爆発を生じさせ、このクーロン爆発によって生じた電子を光電子検出器で検出すると共に、クーロン爆発によって生じた子イオンに所定の一定電界を作用させて加速し、この一定電界中を飛行した後（加速後）の子イオンの個数を光イオン検出器で検出する。そして、光電子検出器で電子を検出した時刻と光イオン検出器で子イオンを検出した時刻との差を計測することによって、クーロン爆発から光イオン検出器に到達するまでの子イオンの飛行時間を計測し、子イオンの光イオン検出器に到達した個数とを計測する。
【００５８】
クリプトンは、１４．３３ｋｅＶ（＝ｈν、ｈはプランク定数、νは周波数）でＫ吸収端のＸ線吸収端を持つことから、図２（Ｃ）のアルゴンとクリプトンとの吸収断面積の比較に示すように、アルゴン及びクリプトンが吸収しない１４．０８ｋｅＶのＸ線と、クリプトンは吸収するがアルゴンは吸収しない１４．５０ｋｅＶのＸ線とを混合クラスタにそれぞれ照射した。
【００５９】
この図２（Ａ）の実験結果に示されているように、Ｘ線エネルギーが１４．０８ｋｅＶである場合に較べてＸ線エネルギーが１４．５０ｋｅＶである場合では、アルゴンイオンＡｒ＋が著しく増加しており、クリプトンで生成されたホールがアルゴンに拡散していることが分かる。
【００６０】
そして、本発明者らは、分子の電気伝導特性を測定するに当たって、所定の分子構造を有した所定の分子に対しては、上述のクラスタの電気伝導特性を測定する手法が適用可能であることを見出した。
【００６１】
図３は、Ｘ線照射による分子のクーロン爆発の過程を説明するための図である。この所定の分子γは、図３（Ａ）に示すように、互いに異なる第１乃至第３の原子Ｕ、Ｖ、Ｗを少なくとも含み、前記第１の原子Ｕと前記第３の原子Ｗとの間に少なくとも前記第２の原子Ｖが存在する分子構造、より詳細には、一方端に第１の原子Ｕ又は第１の原子Ｕを含む基を備え、他方端に第１の原子Ｕとは異なる第３の原子Ｗ又は第３の原子Ｗを含む基を備え、前記第１の原子Ｕ又は第１の原子Ｕを含む基と前記第３の原子Ｗ又は第３の原子Ｗを含む基との間に、第１及び第３の原子Ｕ、Ｗとは異なる第２の原子Ｖ又は第２の原子Ｖを含む構造体を備えた分子構造を有している。なお、第１および第３の原子Ｕ、Ｗは、必ずしも分子γの末端に位置する必要はない。
【００６２】
このような分子γに対して、第１の原子Ｕに吸収されると共に分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子（もちろん、第２および第３の原子Ｖ、Ｗも含まれる。）には吸収されない波長のＸ線を照射する。特に、第１の原子Ｕに吸収されると共に分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子には吸収されない波長であって、第１の原子ＵのＸ線吸収端近傍の波長に相当すると共に分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子のＸ線吸収端近傍の波長に相当しない波長のＸ線は、第１の原子Ｕのみに効率よく吸収されるため、より好ましい。
【００６３】
このＸ線の照射により第１の原子Ｕに内殻励起が起こり、オージェ電子を放出する非輻射過程により第１の原子Ｕで多数のホール（正孔）が生成され、第１の原子Ｕは、選択的に多価イオン化される（図３の左側参照）。このホールは、第１の原子Ｕから分子γ中に拡散して行く（図３の左側及び中央参照）。この分子γ内におけるホールの拡散現象は、後述の実験によって確認されている。このホールが分子γ内を拡散して行くと、やがて、イオン化された原子等間に働くクーロン斥力が分子γの結合力より大きくなり、分子γは、クラスタαの場合と同様に、解離を起こし、種々の価数ｚを持った原子状のイオンを放出する（図３の右側参照）。
【００６４】
このクーロン爆発により生じた子イオンを、クラスタαの場合と同様に、図１（Ｂ）に示すように飛行時間型質量分析器を流用して測定し、電界Ｅによって加速された子イオンにおける、クーロン爆発から２次元ポジションセンサ（２次元位置検出装置）に到達するまでの飛行時間Ｔｊと、電界Ｅの方向（加速方向）に直交する２次元平面内に配置された２次元ポジションセンサにおける子イオンの到達位置（検出位置）Ｘｊ、Ｙｊを測定する。
【００６５】
以下、第１ないし第３の原子Ｕ、Ｖ、Ｗを上述のクラスタαにおける第１ないし第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃとそれぞれみなすことによって、上述したクラスタαの電気伝導特性を求める手法と同様の手法により、分子γの電気伝導特性を求めることができる。
【００６６】
また、分子γ内におけるホールの拡散現象を確認する実験について説明する。図４は、分子内における電荷の移動を示す実験結果の図である。図４（Ａ）は、ｐブロモフェノールの実験結果を示し、図４（Ｂ）は、ｐブロモフェニールフェノールの実験結果を示す。図４（Ａ）および（Ｂ）の横軸は、単位電荷当たりの原子質量を示し、その縦軸は、密度（個数）を示す。また図４（Ａ）および（Ｂ）には、単位電荷当たりの原子質量が４乃至１２である範囲において、横軸および縦軸をそれぞれ拡大した拡大図も略右上にそれぞれ示されている。
【００６７】
実験は、分子γとしてｐブロモフェノールおよびｐブロモフェニールフェノールのそれぞれについて行った。実験は、分子γ（ｐブロモフェノールの分子γまたはｐブロモフェニールフェノール）に、臭素（Ｂｒ）におけるＸ線吸収端の波長の前後における波長のＸ線を、所定の真空度の真空雰囲気中で照射することによりクーロン爆発を生じさせ、クーロン爆発によって生じた子イオンの個数を光イオン検出器で検出した。
【００６８】
ｐブロモフェノールは、下記に示すように、フェノールのパラ位置の水素がブロム基に置換した分子構造を有し、臭素（Ｂｒ）、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）及び酸素（Ｏ）の各元素から構成されている。そして、ｐブロモフェニールフェノールは、下記に示すように、フェノールのパラ位置の水素がブロモフェニール基に置換した分子構造を有し、臭素、炭素、水素及び酸素の各元素から構成されている。
【００６９】
【化１】
2007248456.tif 000017
【００７０】
【化２】
2007248456.tif 000018
【００７１】
これらｐブロモフェノール及びｐブロモフェニールフェノールは、臭素、炭素、水素及び酸素の各元素から構成されていることから、臭素は吸収するが水素、炭素及び酸素は吸収しない１３．５ｋｅＶのＸ線が分子γに照射された。
【００７２】
この図４（Ａ）の実験結果に示されているように、ｐブロモフェノールにＸ線を照射した場合には、単位電荷当たりの原子質量が８のところにＯ２＋のピークが存在するが（図４（Ａ）の拡大図参照）、ｐブロモフェニールフェノールにＸ線を照射した場合には、単位電荷当たりの原子質量が８のところにＯ２＋のピークが存在しない（図４（Ｂ）の拡大図参照）。従って、ｐブロモフェノールの場合では、臭素の内殻励起で生じたホールが水酸基まで多数拡散し、水酸基の酸素がＯ２＋となって検出されたと考えられ、一方、ｐブロモフェニールフェノールの場合では、臭素の内殻励起で生じたホールが水酸基まで拡散できるのは高々、１個であるため、水酸基がそのまま検出されたと考えられる。これは、ｐブロモフェニールフェノールは、ブロム基と水酸基との間に、ｐブロモフェノールの場合よりも１個多く、ベンゼン環が２個あるため、臭素の内殻励起で生じたホールが水酸基まで十分に拡散できなかったものと考えられる。
【００７３】
このようにＸ線の照射によってブロム基に生じたホールが分子γ内を拡散していることが分かる。そして、この結果からベンゼン環に対するホールの透過特性を見積もることもできる。
【００７４】
なお、図４において、Ｃ２＋のピークがダブルピークになっており、Ｘ線の照射によって分子γにクーロン爆発が生じたことを示している。
【００７５】
本発明者らは、上記目的を達成するために、上述の原理に基づき以下の発明を為すに至った。
【００７６】
本発明に係る一態様では、互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子から成るクラスタであって、前記第２の原子又は分子が前記第１の原子又は分子と前記第３の原子又は分子との間に存在していることを特徴とする。このクラスタは、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃが全て原子であっても、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃが全て分子であっても、例えば第１及び第３の原子等Ａ、Ｃが原子であって第２の原子等Ｂが分子であるように、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃが原子及び分子の混在であってもよく、この意味で上記「又は」を用いている。
【００７７】
この構成によれば、第２の原子又は分子が第１の原子又は分子と第３の原子又は分子との間に存在しているので、上述したように非接触でクラスタの電気伝導特性が測定され得る。
【００７８】
本発明の他の一態様に係る、上述のクラスタを生成するクラスタ生成装置は、原子又は分子の蒸気ビームを生成する蒸気ビーム生成部と、前記蒸気ビームを断熱膨張させることにより初期クラスタを生成する初期クラスタ生成部と、前記初期クラスタを構成する原子又は分子よりも沸点の高い互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子の蒸気を前記初期クラスタに順に供給する第１乃至第３蒸気供給部とを備えることを特徴とする。
【００７９】
本発明の他の一態様に係る、上述のクラスタを生成するクラスタ生成方法は、原子又は分子の蒸気ビームを生成する第１工程と、前記蒸気ビームを断熱膨張させることにより初期クラスタを生成する第２工程と、前記初期クラスタを構成する原子又は分子よりも沸点の高い互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子の蒸気を前記初期クラスタに順に供給する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００８０】
この構成によれば、蒸気ビーム生成部で初期クラスタを構成する原子又は分子の蒸気ビームが生成され、初期クラスタ生成部でこの蒸気ビームを断熱膨張させることによりジェット法で初期クラスタが生成され得る。そして、第１乃至第３蒸気供給部で初期クラスタを構成する原子又は分子よりも沸点の高い互いに異なる第１乃至第３の原子又は分子の蒸気を初期クラスタに順に供給することによりピックアップ法で上述のクラスタが生成され得る。
【００８１】
本発明の他の一態様に係る、上述のクラスタを用いてクラスタの電気伝導特性を測定するクラスタ電気伝導特性測定装置は、上述のクラスタに前記第１の原子又は分子に吸収されると共に前記第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じた電子を検出する電子検出部と、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じたイオンを加速するイオン加速部と、前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出するイオン位置検出部と、前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記クラスタの電気伝導特性を求める処理部とを備えることを特徴とする。
【００８２】
そして、上述のクラスタ電気伝導特性測定装置において、前記処理部は、前記電子検出部から検出信号を得た時刻から前記イオン位置検出部から位置検出信号を得た時刻までの時間を、前記イオンが前記クーロン爆発から前記イオン位置検出部に到達するまでの飛行時間として求め、求めた前記飛行時間と前記位置検出信号の到達位置とからイオンの運動量分布を求め、求めた前記運動量分布からクラスタ内の電荷拡散距離を求めることで電気伝導特性を求めることを特徴とする。
【００８３】
本発明の他の一態様に係る、上述のクラスタを用いてクラスタの電気伝導特性を測定するクラスタ電気伝導特性測定方法は、上述のクラスタに前記第１の原子又は分子に吸収されると共に前記第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせる第１工程と、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じた電子を検出する第２工程と、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じたイオンを加速する第３工程と、加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出する第４工程と、前記第１工程の検出信号及び前記第４工程の位置検出信号に基づいて前記クラスタの電気伝導特性を求める第５工程とを備えることを特徴とする。
【００８４】
この構成によれば、上述のクラスタに第１の原子又は分子に吸収されると共に第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、電子検出部でこのクーロン爆発によりクラスタから生じた電子を検出する。また、イオン加速部でこのクーロン爆発によりクラスタから生じたイオンを加速し、イオン位置検出部でこの加速したイオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出する。そして、処理部で電子検出器の検出信号及びイオン位置検出部の位置検出信号に基づいてクラスタの電気伝導特性を求める。
【００８５】
本発明の他の一態様に係る、上述のクラスタに前記第１の原子又は分子に吸収されると共に前記第２及び第３の原子又は分子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じた電子を検出し、前記クーロン爆発により前記クラスタから生じたイオンを加速し、加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出し、前記電子の検出を示す検出信号及び前記イオンの検出位置を示す位置検出信号に基づいて前記電子の検出から前記イオンの検出までの時間をイオンの飛行時間として求め、前記飛行時間及び前記位置検出信号に基づいて前記クラスタの電気伝導特性を求める、コンピュータに実行させるクラスタ電気伝導特性演算プログラムにおいて、前記飛行時間及び前記２次元平面内の位置に基づいて前記クーロン爆発直後における前記イオンの運動量を求めるステップと、前記ステップで求めた運動量に基づいて前記イオンの前記クラスタにおける初期配置を求めるステップと、前記ステップで求めた前記イオンの初期配置に基づいて前記Ｘ線の吸収開始からクーロン爆発までに要する時間を求めるステップと、前記第３の原子又は分子がイオンとして検出される場合の前記クラスタの大きさに基づいて電荷の拡散距離を求め、前記ステップで求めた時間に基づいてホールの拡散係数を求めるステップと、前記ステップで求めたホールの拡散係数に基づいて、電気伝導特性を表す前記ホールの移動度を求めるステップとを備えることを特徴とする。
【００８６】
本発明の他の一態様では、上述のクラスタ電気伝導特性演算プログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体である。
【００８７】
この構成によれば、上述のクラスタのクーロン爆発から生じたイオンの飛行時間及び２次元到達位置からクラスタの電気伝導特性を求めることができ、このようなクラスタ電気伝導特性演算プログラムが記録媒体によって提供され得る。
【００８８】
本発明の他の一態様に係る分子電気伝導特性測定装置は、互いに異なる第１乃至第３の原子を少なくとも含み、前記第１の原子と前記第３の原子との間に少なくとも前記第２の原子が存在する分子構造を有する分子に、前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記分子から生じた電子を検出する電子検出部と、前記クーロン爆発により前記分子から生じたイオンを加速するイオン加速部と、前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出するイオン位置検出部と、前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記分子の電気伝導特性を求める処理部とを備えることを特徴とする。
【００８９】
そして、上述の分子電気伝導特性測定装置において、前記処理部は、前記電子検出部から検出信号を得た時刻から前記イオン位置検出部から位置検出信号を得た時刻までの時間を、前記イオンが前記クーロン爆発から前記イオン位置検出部に到達するまでの飛行時間として求め、求めた前記飛行時間と前記位置検出信号の到達位置とからイオンの運動量分布を求め、求めた前記運動量分布から分子内の電荷拡散距離を求めることで電気伝導特性を求めることを特徴とする。
【００９０】
本発明の他の一態様に係る分子電気伝導特性測定方法は、互いに異なる第１乃至第３の原子を少なくとも含み、前記第１の原子と前記第３の原子との間に少なくとも前記第２の原子が存在する分子構造を有する分子に、前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせる第１工程と、前記クーロン爆発により前記分子から生じた電子を検出する第２工程と、前記クーロン爆発により前記分子から生じたイオンを加速する第３工程と、前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出する第４工程と、前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記分子の電気伝導特性を求める第５工程とを備えることを特徴とする。
【００９１】
この構成によれば、上述の所定の分子に対して、前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、電子検出部でこのクーロン爆発により分子から生じた電子を検出する。また、イオン加速部でこのクーロン爆発により分子から生じたイオンを加速し、イオン位置検出部でこの加速したイオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出する。そして、処理部で電子検出器の検出信号及びイオン位置検出部の位置検出信号に基づいて分子の電気伝導特性を求める。
【００９２】
本発明の他の一態様に係る、互いに異なる第１乃至第３の原子を少なくとも含み、前記第１の原子と前記第３の原子との間に少なくとも前記第２の原子が存在する分子構造を有する分子に、前記第１の原子に吸収されると共に前記分子における前記第１の原子を除く残余の原子には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、前記クーロン爆発により前記分子から生じた電子を検出し、前記クーロン爆発により前記分子から生じたイオンを加速し、前記イオン加速部で加速した前記イオンを検出すると共に加速方向に直交する２次元平面内の位置を検出し、前記電子検出器の検出信号及び前記イオン位置検出部の位置検出信号に基づいて前記電子の検出から前記イオンの検出までの時間をイオンの飛行時間として求め、前記飛行時間及び前記位置検出信号に基づいて前記分子の電気伝導特性を求める、コンピュータに実行させる分子電気伝導特性演算プログラムにおいて、前記飛行時間及び前記２次元平面内の位置に基づいて前記クーロン爆発直後における前記イオンの運動量を求めるステップと、前記ステップで求めた運動量に基づいて前記イオンの前記分子における初期配置を求めるステップと、前記ステップで求めた前記イオンの初期配置に基づいて前記Ｘ線の吸収開始からクーロン爆発までに要する時間を求めるステップと、前記第３の原子がイオンとして検出される場合の前記分子の大きさに基づいて電荷の拡散距離を求め、前記ステップで求めた時間に基づいてホールの拡散係数を求めるステップと、前記ステップで求めたホールの拡散係数に基づいて、電気伝導特性を表す前記ホールの移動度を求めるステップとを備えることを特徴とする。
【００９３】
本発明の他の一態様では、上述の分子電気伝導特性演算プログラムを記録したコンピュータに読み取り可能な記録媒体である。
【００９４】
この構成によれば、上述の分子のクーロン爆発から生じたイオンの飛行時間及び２次元到達位置から分子の電気伝導特性を求めることができ、このような分子電気伝導特性演算プログラムが記録媒体によって提供され得る。
【発明の効果】
【００９５】
上記構成のクラスタは、非接触で電気伝導特性の測定を可能とすることができる。上記構成のクラスタ生成装置及びクラスタ生成方法は、この上記構成のクラスタを生成することができる。上記構成のクラスタ電気伝導特性測定装置及びクラスタ電気伝導特性測定方法は、上記構成のクラスタを用いることによって、非接触で電気伝導特性を測定することができる。上記構成のクラスタ電気伝導特性演算プログラムは、上記構成のクラスタをクーロン爆発させることによって得られた子イオンの飛行時間及び２次元到達位置から電気伝導特性を演算することができ、このようなクラスタ電気伝導特性演算プログラムが記録媒体で提供され得る。
【００９６】
また、上記構成の分子電気伝導特性測定装置及び分子電気伝導特性測定方法は、上述の所定の分子に対して、非接触で電気伝導特性を測定することができる。上記構成の分子電気伝導特性演算プログラムは、上述の所定の分子をクーロン爆発させることによって得られた子イオンの飛行時間及び２次元到達位置から電気伝導特性を演算することができ、このような分子電気伝導特性演算プログラムが記録媒体で提供され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９７】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（第１の実施形態の構成）
図５は、第１の実施形態に係るクラスタ電気伝導特性測定システムの構成を示す一部断面図である。図６は、実施形態に係る飛行時間型２次元イオン検出装置の構成を示す一部断面図である。図７は、実施形態に係る制御情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【００９８】
図５において、クラスタ電気伝導特性測定システム１は、クラスタを生成するクラスタ生成装置２と、クラスタの電気伝導特性を測定するクラスタ電気伝導特性測定装置３とを備えて構成される。
【００９９】
クラスタ生成装置２は、初期クラスタの原材料を供給するための初期クラスタ原材料供給室１０と、初期クラスタに基づいて目的クラスタを生成するクラスタ生成室３０とを備えて構成されており、初期クラスタ原材料供給室１０とクラスタ生成室３０とがスキマ２０を介して連結されている。スキマ２０は、中心に所定の開口径の開口を備えた、所定の開き角で、初期クラスタ原材料供給室１０からクラスタ生成室３０の方向に向けて徐々に径が大きくなるコーン形状（円錐形状）をしたコリメータである。スキマ２０の開口径及び開き角は、生成すべき目的クラスタに応じて適宜設定されるが、例えば本実施形態ではそれぞれ約１ｍｍ及び約６０度である。スキマ２０は、後述のスキマ４０も同様に、ビームの擾乱を抑制するために、先端が鋭く加工されている。
【０１００】
初期クラスタは、電気伝導特性の測定対象である本発明に係る目的クラスタを生成するための核（基礎）となるクラスタである。
【０１０１】
初期クラスタ原材料供給室１０は、初期クラスタ蒸気ビーム生成部１１と、冷却源１２と、真空ポンプ１３とを備えた真空チャンバで構成されている。
【０１０２】
初期クラスタ蒸気ビーム生成部１１は、蒸気ビーム生成部の一例であり、初期クラスタを構成する原子等の蒸気ビームを生成する装置である。初期クラスタ蒸気ビーム生成部１１は、例えば、本実施形態では、初期クラスタの原材料のガス（気体）を貯留するガス溜１１を備えて構成されている。ガス溜１１は、例えば、本実施形態では、外形略直方体であって内部に所定の内容積を持った略円筒形状の空間を有した金属製容器であり、この略円筒形状空間の一方面には、初期クラスタの原材料のガスをこの空間に流入させるためのガス供給開口部１１ａが穿設されており、この一方面に対向する他方面には、この空間から蒸気ビームを噴出させるための所定寸法の直径を持つ略円筒形状をしたノズルとしての貫通孔１１ｂが穿設されている。ガス供給開口部１１ａには、初期クラスタの原材料のガスを導入する配管１４が接続されており、配管１４には、配管１４によって導入される初期クラスタの原材料のガスにおける流量を制御する流量調整バルブ１５が配設されている。このように本実施形態では、初期クラスタの原材料がガス状態で流量調整バルブ１５によって流量制御されながらガス溜１１に導入されるように構成されている。ガス溜１１は、例えば、本実施形態では、内径約１０ｍｍ、長さ約１０ｍｍの略円筒形状であり、その貫通孔１１ｂの直径が約５μｍである。
【０１０３】
冷却源１２は、初期クラスタを構成する原子等の蒸気ビームが所定の温度となるように、初期クラスタの原材料を冷却する装置である。冷却源１２は、例えば、本実施形態では、金属筐体内に配設された冷却配管内を不図示の配管によって外部から流入された液体ヘリウムが循環することによって冷却するヘリウム冷却装置であり、その冷却部がガス溜１１の外面に接するように配置されてガス溜１１を冷却することで、初期クラスタの原材料を冷却するようになっている。
【０１０４】
これら初期クラスタ蒸気ビーム生成部１１及び冷却源１２は、初期クラスタ原材料供給室１０内に収納されており、初期クラスタ蒸気ビーム生成部１１で生成された蒸気ビームがスキマ２０から噴出されるように、より具体的には本実施形態ではガス溜１１の貫通孔１１ｂの中心軸とスキマ２０の中心軸とが一致するように、配置されている。
【０１０５】
真空ポンプ１３は、初期クラスタ原材料供給室１０と連通されており、排気して初期クラスタ原材料供給室１０内を減圧し、初期クラスタ原材料供給室１０内を所定気圧の真空状態（所定の真空度）とする装置である。真空ポンプ１３は、例えば、本実施形態は、高真空に引くために、ターボ分子ポンプが用いられており、後述の真空ポンプ３２、５４、６４も同様である。
【０１０６】
クラスタ生成室３０は、第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３と、真空ポンプ３２とを備えた真空チャンバで構成されている。
【０１０７】
第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３は、第１乃至第３蒸気供給部の一例であり、目的クラスタを構成する原子等の蒸気を生成しこの生成した蒸気を初期クラスタに供給するための装置である。第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３は、それぞれ生成した第１乃至第３の原子等の各蒸気を順に初期クラスタに供給することができるように、第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３における蒸気を吐出する第１乃至第３吐出口３１ａ−１〜３１ａ−３が初期クラスタの飛行経路ＦＰに臨むようにクラスタ生成室３０にそれぞれ配設されている。第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３は、目的クラスタの原材料を坩堝に入れ坩堝を抵抗加熱することによって蒸気を生成する抵抗加熱蒸発源や、目的クラスタの原材料を坩堝に入れ電子ビームを原材料に照射することによって蒸気を生成する電子ビーム蒸発源や、真空中で一対の電極間に高電圧を印加することにより放電を起こしてこの放電により生じた正イオンを目的クラスタの原材料に衝突させることによって蒸気を生成するスパッタ蒸発源等の任意の蒸発源を利用することができるが、例えば、本実施形態では、例えばアルカリ金属やアルミニウム（Ａｌ）等の比較的低融点の原材料から、例えばタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の比較的高融点の原材料まで、蒸気を生成することができるように、磁石により磁界を組み込んだマグネトロンスパッタ装置（Angstrom Science社製、ＯＮＹＸ−１型）を用いている。
【０１０８】
真空ポンプ３２は、クラスタ生成室３０と連通されており、排気してクラスタ生成室３０内を減圧し、クラスタ生成室３０内を所定気圧の真空状態（所定の真空度）とする装置である。
【０１０９】
クラスタ電気伝導特性測定装置３は、測定室５０と、制御情報処理装置５５とを備えて構成されている。クラスタ電気伝導特性測定装置３の測定室５０とクラスタ生成装置２のクラスタ生成室３０とは、スキマ４０を介して連結されている。スキマ４０は、中心に所定の開口径の開口を備えた、所定の開き角でクラスタ生成室３０から測定室５０の方向に向けて徐々に径が大きくなるコーン形状（円錐形状）をしたコリメータであり、その中心軸がスキマ２０の中心軸に一致するように配置される。スキマ４０の開口径及び開き角は、測定すべき目的クラスタに応じて適宜設定されるが、例えば本実施形態ではそれぞれ約２ｍｍ及び約４０度である。
【０１１０】
測定室５０は、所定の真空度の真空雰囲気中で目的クラスタにＸ線を照射することによりクーロン爆発を生じさせ、このクーロン爆発によって生じた電子を検出すると共に、クーロン爆発によって生じた子イオンに所定の一定電界を作用させて加速させ、この一定電界中を飛行した後の子イオンを電界の方向（加速方向）と直交する２次元平面におけるその到達位置を含めて検出するものであり、例えば、本実施形態では、電子検出装置５１と、飛行時間型２次元イオン検出装置５２と、Ｘ線導入用窓５３と、真空ポンプ５４とを備えた真空チャンバで構成されている。
【０１１１】
真空ポンプ５４は、測定室５０と連通されており、排気して測定室５０内を減圧し、測定室５０内を所定気圧の真空状態（所定の真空度）とする装置である。
【０１１２】
Ｘ線導入用窓５３は、外部から測定室５０内にＸ線を導入するためのベリリウム窓であり、スキマ４０を通過してクラスタ生成室３０から測定室５０に飛来してきた目的クラスタにＸ線を照射することができる位置に測定室５０に配設されている。
【０１１３】
電子検出装置５１は、電子検出部の一例であり、Ｘ線が照射されることによりクーロン爆発を起こした目的クラスタから生じた電子を検出し検出信号を制御情報処理装置５５に出力する装置である。電子検出装置５１は、例えば本実施形態では、２次電子倍増管チャンネルトロン（Ｇａｌｉｌｅｏ社製、４８２３Ｇ）が用いられており、検出した荷電粒子に対して１０７〜１０８程度の増幅率を備え、単一の電子の検出が可能である。この２次電子倍増管チャンネルトロンは、電子を引き込むべく、荷電粒子の引き込み面（前面電極）が＋２００Ｖの電位に保持されている。
【０１１４】
飛行時間型２次元イオン検出装置５２は、Ｘ線が照射されることによりクーロン爆発を起こした目的クラスタから生じた子イオンに所定の一定電界を作用させて加速させ、この一定電界中を飛行した後の子イオンを電界の方向（加速方向）と直交する２次元平面における到達位置を含めて検出しその位置検出信号を制御情報処理装置５５に出力する装置である。
【０１１５】
より具体的には、飛行時間型２次元イオン検出装置５２は、図６に示すように、真空チャンバである検出器容器６１と、飛行管６２と、２次元位置検出器６３と、真空ポンプ６４とを備えて構成されている。
【０１１６】
真空ポンプ６４は、検出器容器６１と連通されており、排気して検出器容器６１内を減圧し、検出器容器６１内を所定気圧の真空状態（所定の真空度）とする装置である。
【０１１７】
飛行管６２は、イオン加速部の一例であり、Ｘ線が照射されることによりクーロン爆発を起こした目的クラスタから生じた子イオンを補足し、子イオンを所定強度の電界Ｅで加速させる部材である。飛行管６２は、所定の長さの略円筒形状であり、その長尺方向の両端面には、飛行管６２の内部を電界０に保持すべく、同電位にされた一対のメッシュリング６２ａ−１、６２ａ−２が取り付けられている。飛行管６２の長さは、例えば本実施形態では２１５ｍｍである。メッシュリング６２ａ−１、６２ａ−２は、子イオンが通過することができるように、金属製の格子状となっている。飛行管６２は、メッシュリング６２ａ−１が取り付けられている端部外周、及び、中央よりメッシュリング６２ａ−２が取り付けられている端部に寄った位置の外周にそれぞれ環装された一対のリング形状の固定リング６２ｂ−１、６２ｂ−２によって、飛行管６２の外径よりやや大径の略円筒形状の飛行管カバー６２ｃに固定されており、飛行管カバー６２ｃに覆われている。飛行管６２は、この飛行管カバー６２ｃによって検出器容器６１に取り付けられている。そして、固定リング６２ｂ−１は、飛行管６２におけるメッシュリング６２ａ−１が取り付けられている端部端面よりも外側に端面があり、メッシュリング６２ａ−１が取り付けられている端部端面に対向するように、引き込み電極６２ｄが固定リング６２ｂ−１のこの端面に取り付けられている。固定リング６２ｂ−１は、引き込み電極６２ｄを支持する支持部材を兼ねている。検出器容器６１、飛行管６２、メッシュリング６２ａ−１、６２ａ−２、飛行管カバー６２ｃ及び引き込み電極６２ｄは、導電材料の金属や合金、例えばステンレス鋼で形成されており、固定リング６２ｂ−１、６２ｂ−２は、絶縁材料、例えば商品名「テフロン（登録商標）」で形成されている。検出器容器６１は、接地されており、これに対し、引き込み電極６２ｄ及びメッシュリング６２ａ−１、６２ａ−２は、不図示の配線によって所定の電位にされている。例えば、本実施形態では、引き込み電極６２ｄは、プラス（正）電荷の子イオンを引き込むために−２００Ｖにされており、メッシュリング６２ａ−１、６２ａ−２は、引き込んだプラス（正）電荷の子イオンを加速するために−２ｋＶにされている。一方、電子検出装置５１の前面電極は、上記のように、電子を引き込むために＋２００Ｖにされている。これにより、電子検出装置５１の前面電極と飛行時間型２次元イオン検出装置５２における飛行管６２の電極６２ｄとの間に引き込み電界Ｅｉｎが形成され、そして、この電極６２ｄとメッシュリング６２ａ−１との間に加速電界Ｅａｃｃが形成される。また、飛行管６２の内部は、メッシュリング６２ａ−１とメッシュリング６２ａ−２とによって電界が０に保持されている。
【０１１８】
２次元位置検出器６３は、イオン位置検出部の一例であり、飛行管６２におけるメッシュリング６２ａ−２が取り付けられている端部端面に対向するように、そして、加速電界Ｅａｃｃの方向（加速方向）に直交する２次元平面内にその検出面６３ａが配置されるように、検出器容器６１に配設されており、飛行管６２で加速され飛行管６２内を飛行して来た子イオンを検出すると共にその到達位置を検出し検出結果を制御情報処理装置５５に出力する２次元ポジションセンサであり、例えば、本実施形態では、２次元ディレイライン検出器（例えば、Ｒｏｅｎｔｄｅｋ社製、ＤＬＤ４０）が用いられている。
【０１１９】
これら電子検出装置５１及び飛行時間型２次元イオン検出装置５２は、目的クラスタのクーロン爆発により生じた電子及び子イオンをそれぞれ補足することができるように、図２に×印で示す目的クラスタにＸ線が照射される位置を挟んで互いに対向するように測定室５０に配設されている。そして、飛行管６２は、いわゆるウィレイ−マクラーレン（Wiley-Mclaren）型の飛行時間型質量分析器を構成しており、引き込み電極６２ｄとメッシュリング６２ａ−１との間に形成される電界、及び、メッシュリング６２ａ−１とメッシュリング６２ａ−２との間に形成される電界は、それぞれ、イオンの空間的な広がりによって生じる飛行時間の誤差を低減するための収束条件を満たしている。特に、本飛行時間型２次元イオン検出装置５２では、散乱Ｘ線が電極に照射されることに起因するノイズを低減するために、電子検出装置５１の前面電極と飛行時間型２次元イオン検出装置５２の引き込み電極６２ｄとの間隔が約２０ｍｍと広くなっており、図２に×印で示すその中間位置でＸ線が照射される。
【０１２０】
制御情報処理装置５５は、処理部の一例であり、電子検出装置５１の検出信号及び飛行時間型２次元イオン検出装置５２の位置検出信号に基づいて目的クラスタの電気伝導特性を求めるものであり、例えば、図７に示すように、中央処理部５５１と、インタフェース部５５２と、入力部５５３と、出力部５５４と、記憶部５５５と、バス５５６とを備えて構成される。
【０１２１】
中央処理部５５１は、例えば、マイクロプロセッサ及びその周辺回路等を備えて構成され、電気伝導特性演算部５５１１を機能的に備え、制御情報処理装置５５の各部を当該機能に応じて制御するものである。
【０１２２】
電気伝導特性演算部５５１１は、電子検出装置５１の検出信号及び飛行時間型２次元イオン検出装置５２の位置検出信号に基づいて目的クラスタの電気伝導特性を求めるものであり、より具体的には、電子検出装置５１で電子を検出した時刻を時間原点に飛行時間型２次元イオン検出装置５２で子イオンの飛行時間を計測し、この計測した子イオンの飛行時間と、飛行時間型２次元イオン検出装置５２で検出した子イオンの到達位置とから子イオンの運動量分布を求めて目的クラスタ内の電荷拡散距離を求めることによって電気伝導特性を求めるものである。
【０１２３】
インタフェース部５５２は、電子検出装置５１及び飛行時間型２次元イオン検出装置５２等に接続され、これら電子検出装置５１及び飛行時間型２次元イオン検出装置５２等から検出信号を受信するためのインタフェース回路であり、この受信した検出信号を中央処理部５５１が処理可能な形式のデータに変換する。
【０１２４】
入力部５５３は、電気伝導特性の演算開始を指示する演算開始コマンド等の各種コマンドや各種データ等を制御情報処理装置５５に入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。出力部５５４は、入力部５５３から入力されたコマンドやデータ等を出力する機器であり、例えばＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイ又はプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印字装置等である。
【０１２５】
記憶部５５５は、電子検出装置５１の検出信号及び飛行時間型２次元イオン検出装置５２の位置検出信号に基づいて目的クラスタの電気伝導特性を求める電気伝導特性演算プログラム等の各種プログラム、及び、各種プログラムの実行に必要なデータやその実行中に生じるデータ等の各種データを記憶するものである。記憶部５５５は、例えば、中央処理部５５１の所謂ワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性の記憶素子、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性の記憶素子、及び、比較的容量の大きいデータを記憶するハードディスク等を備えて構成される。
【０１２６】
そして、これら中央処理部５５１、インタフェース部５５２、入力部５５３、出力部５５４及び記憶部５５５は、データを相互に交換することができるようにバス５５６でそれぞれ接続される。
【０１２７】
このような構成の制御情報処理装置５５は、例えばディスクトップ型やノート型のパーソナルコンピュータによって構成可能である。
【０１２８】
なお、必要に応じて制御情報処理装置５５は、破線で示すように、外部記憶部５５７をさらに備えてもよい。外部記憶部５５７は、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc Recordable）及びＤＶＤ−Ｒ（Digital Versatile DiscRecordable）等の記録媒体との間でデータを読み込み及び／又は書き込みを行う装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＣＤ−Ｒドライブ及びＤＶＤ−Ｒドライブ等である。ここで、電気伝導特性演算プログラムが格納されていない場合には、これを記録した記録媒体から外部記憶部５５７を介して記憶部５５５に電気伝導特性演算プログラムがインストールされるように構成されてもよく、また、この電気伝導特性演算プログラムを管理するサーバ（不図示）からネットワーク（不図示）を介して電気伝導特性演算プログラムがダウンロードされるように構成されてもよい。
【０１２９】
次に、本実施形態の動作について説明する。
（第１の実施形態の動作）
このような構成のクラスタ電気伝導特性測定システム１では、クラスタ生成装置２で目的クラスタが生成され、この生成された目的クラスタの電気伝導特性がクラスタ電気伝導特性測定装置３で測定される。以下に、クラスタ生成装置２の動作及びクラスタ電気伝導特性測定装置３の動作を順に説明する。
【０１３０】
まず、クラスタ生成装置２における真空ポンプ１３、３２及びクラスタ電気伝導特性測定装置３における真空ポンプ５４、６４をそれぞれ稼働し、初期クラスタ原材料供給室１０、クラスタ生成室３０、測定室５０及び検出器容器６１を所定の真空度となるまでそれぞれ排気する。所定の真空度は、例えば、本実施形態では、例えば、初期クラスタ原材料供給室が約１０−２Ｐａであり、クラスタ生成室３０が約１０−４Ｐａであり、測定室５０及び検出器容器６１が約１０−５〜１０−６Ｐａである。このように初期クラスタ原材料供給室１０、クラスタ生成室３０及び測定室５０の順に段階的に高い真空度（低いガス圧）に維持され、真空度に勾配が設けられている。
【０１３１】
次に、流量調整バルブ１５により流量を調整しながら、配管１４を通して、初期クラスタの原材料のガスを初期クラスタ蒸気ビーム生成部（ガス溜）１１に導入する。
【０１３２】
図８は、目的クラスタの生成過程を説明するための模式図である。○は、初期クラスタを構成する原子等を示し、●は、第１の原子等Ａを示し、図中右上から左下に流れる斜線で塗りつぶされた○は、第２の原子等Ｂを示し、そして、図中左上から右下に流れる斜線で塗りつぶされた○は、第３の原子等Ｃを示す。
【０１３３】
図８において、初期クラスタ蒸気ビーム生成部（ガス溜）１１に導入された初期クラスタβの原材料のガスは、冷却源１２によって所定の温度に冷却され、初期クラスタ蒸気ビーム生成部（ガス溜）１１と初期クラスタ原材料供給室１０とのガス圧差により、初期クラスタβを構成する原子等の蒸気ビームとなって初期クラスタ蒸気ビーム生成部（ガス溜）１１の貫通孔１１ｂから噴出される。この蒸気ビームは、スキマ２０によってそのビーム中心が切り出され、初期クラスタ原材料供給室１０とクラスタ生成室３０とのガス圧差によりスキマ２０からクラスタ生成室３０に超音速ジェットとなって噴出される。この噴出の際に、断熱膨張が生じ、冷却され、凝縮現象により、初期クラスタβが生成される（図８（Ａ））。このように初期クラスタβが生成されるので、その前後に真空度の勾配が設けられているスキマ２０が初期クラスタ生成部の一例に相当する。
【０１３４】
この生成された初期クラスタβは、クラスタ生成室３０と測定室５０とのガス圧差により、スキマ２０からスキマ４０へ飛行する。
【０１３５】
次に、第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３を同時に駆動し、目的クラスタαを構成する第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの蒸気をそれぞれ生成し、スキマ２０からスキマ４０へ飛行中の初期クラスタβ、β’、β”に、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの蒸気を供給する。
【０１３６】
スキマ２０からスキマ４０へ飛行中の初期クラスタβは、まず、第１目的クラスタ蒸気生成部３１−１から第１の原子等Ａの蒸気が供給され、第１の原子等Ａをピックアップする（取り込む）（図８（Ｂ））。次に、この第１の原子等Ａを取り込んだ初期クラスタβ’は、第２目的クラスタ蒸気生成部３１−２から第２の原子等Ｂの蒸気が供給され、第２の原子等Ｂをピックアップする（図８（Ｃ））。そして、この第１及び第２の原子等Ａ、Ｂを取り込んだ初期クラスタβ”は、第３目的クラスタ蒸気生成部３１−３から第３の原子等Ｃの蒸気が供給され、第３の原子等Ｃをピックアップする（図８（Ｄ））。この初期クラスタβ、β’、β”が第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃを取り込む際に、凝集熱により初期クラスタβを構成する物質が徐々に初期クラスタβ、β’、β”から離脱し、目的クラスタαが生成される。このため、初期クラスタβを構成する原子等は、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃよりも低沸点の材料が選択される。即ち、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃは、初期クラスタβを構成する原子等よりも沸点が高い。初期クラスタβを構成する原子等は、例えば本実施形態では、ヘリウム（Ｈｅ）が用いられる。また、極めて低温のヘリウム初期クラスタβを用いることで、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃを初期クラスタβ、β’、β”がピックアップしても、ピックアップされた第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃが初期クラスタβ、β’、β”内で熱拡散することが抑制され、ピックアップした順に積層される。
【０１３７】
このように生成された目的クラスタαは、第２の原子等Ｂが第１の原子等Ａと第３の原子等Ｃとの間に存在する構造をしている。特に、本実施形態のクラスタ生成装置２によって生成された目的クラスタαは、第１の原子等Ａの周囲に第２の原子等Ｂが存在し、第２の原子等Ｂの外周上に第３の原子等Ｃが存在する構造をしている。
【０１３８】
初期クラスタβの大きさは、初期クラスタ原材料供給室１０とクラスタ生成室３０とのガス圧差と初期クラスタβを構成する原子等の蒸気ビームの温度とに依存し、初期クラスタβは、ガス圧差を大きくすると大きくなり、蒸気ビームの温度を下げると大きくなる。ガス圧差は、真空ポンプ１３、３２の駆動を制御することによって調整され、蒸気ビームの温度は、冷却源１２の駆動を制御することによって調整される。
【０１３９】
目的クラスタαの大きさは、第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３による第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの供給量に依存し、目的クラスタαは、供給量を多くすると大きくなる。第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの供給量は、それぞれ第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３の駆動を制御することによって調整される。そして、目的クラスタαにおける第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの組成比は、第１乃至第３目的クラスタ蒸気生成部３１−１〜３１−３による第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの供給量比率によって調整される。
【０１４０】
このように動作することにより、クラスタ生成装置２は、クラスタの電気伝導特性を非接触で測定するために好適なクラスタ（目的クラスタα）を生成することができる。そして、このクラスタの大きさ及びクラスタを構成する第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、Ｃの組成比を制御することができる。
【０１４１】
こうして生成された目的クラスタαのビームは、スキマ４０によってそのビーム中心が切り出され、測定室５０内に噴出される。測定室５０内に噴出した目的クラスタαのビームは、Ｘ線導入用窓５３を介して測定室５０内に導かれたＸ線に図２に示す×印の位置で照射される。Ｘ線は、例えば、ＳＰｒｉｎｇ８のＢＬ１０ＸＵアンジュレータビームラインから得られる高輝度で高分解能な硬Ｘ線が用いられる。Ｘ線の波長は、第１乃至第３の原子等Ａ、Ｂ、ＣのＸ線吸収端の波長に基づいて決定され、第１の原子等Ａは、吸収するが、第２及び第３の原子等Ｂ、Ｃは、吸収しない波長に決定される。特に、第１の原子等Ａに吸収されると共に第２及び第３の原子等Ｂ、Ｃには吸収されない波長であって、第１の原子等ＡのＸ線吸収端近傍の波長に相当すると共に第２及び第３の原子等Ｂ、ＣのＸ線吸収端近傍の波長に相当しない波長のＸ線は、第１の原子等のみに効率よく吸収されるため、より好ましい。
【０１４２】
Ｘ線が照射されると、上述したように、目的クラスタαは、クーロン爆発を起こし、このクーロン爆発によって生成された電子は、電子検出装置５１に引き込まれ、検出される。一方、このクーロン爆発によって生成された子イオンは、飛行時間型２次元イオン検出装置５２に引き込まれる。
【０１４３】
電子検出装置５１は、電子を検出すると検出信号を制御情報処理装置５５に出力する。飛行時間型２次元イオン検出装置５２は、子イオンを検出すると位置検出信号を制御情報処理装置５５に出力する。制御情報処理装置５５の中央処理部５５１は、電子検出装置５１から検出信号を受信し、飛行時間型２次元イオン検出装置５２から位置検出信号を受信すると、電子検出装置５１からの検出信号を計時開始信号とし、飛行時間型２次元イオン検出装置５２からの位置検出信号を計時終了信号として、これら２つの信号間の時間差を測定する。即ち、この電子が電子検出装置５１に到達した時刻を時間の原点（基準）に子イオンｊの飛行時間Ｔｊを計測する。目的クラスタαのクーロン爆発からこれにより生じた電子が電子検出装置５１に到達するまでの時間は、ナノ秒のオーダであり、一方、目的クラスタのクーロン爆発からこれにより生じた子イオンが飛行時間型２次元イオン検出装置５２の２次元位置検出器６３に到達するまでの時間は、マイクロ秒のオーダであるので、本電気伝導特性の測定において電子が電子検出装置５１に到達する時間は、無視することができる。
【０１４４】
図９は、実施形態に係る飛行時間及び到達位置に基づいて電気伝導特性を演算する演算方法を示すフローチャートである。
【０１４５】
図９において、こうして子イオンの飛行時間Ｔｊと到達位置（検出位置）Ｘｊ、Ｙｊとが測定されると、制御情報処理装置５５における中央処理部５５１の電気伝導特性演算部５５１１は、まず、クーロン爆発直後の子イオンｊにおける運動量Ｐｊ（ｘ）（０＋）、Ｐｊ（ｙ）（０＋）、Ｐｊ（ｚ）（０＋）を上記式６を用いて演算する（Ｓ１１）。
【０１４６】
次に、電気伝導特性演算部５５１１は、この求めた運動量Ｐｊ（ｘ）（０）、Ｐｊ（ｙ）（０）、Ｐｊ（ｚ）（０）と上記式１０を用いて、クラスタαにおけるイオンｊの初期配置ｘｊ（０）、ｙｊ（０）、ｚｊ（０））を求める（Ｓ１２）。
【０１４７】
次に、電気伝導特性演算部５５１１は、イオンｊの初期配置ｘｊ（０）、ｙｊ（０）、ｚｊ（０））と上記式１４を用いて、Ｘ線の吸収開始からクーロン爆発までに要する時間τを求める（Ｓ１３）。
【０１４８】
次に、電気伝導特性演算部５５１１は、上記式５からホール（電荷）の拡散距離を求め、上記時間τと上記式８を用いてホールの拡散係数Ｄを求める（Ｓ１４）。
【０１４９】
次に、電気伝導特性演算部５５１１は、アインシュタインの関係式、上記式２を用いて移動度μを求める（Ｓ１５）。
【０１５０】
そして、電気伝導特性演算部５５１１は、この求めた移動度μを電気伝導特性として出力に５５４に出力する（Ｓ１６）。また、電気伝導特性演算部５５１１は、拡散係数Ｄを出力部５５４に出力するように構成してもよい。
【０１５１】
このように動作することにより、クラスタ電気伝導特性測定装置３は、非接触でクラスタαの電気伝導特性を精度よく測定することができる。
【０１５２】
なお、互いに異なる第１及び第２の原子等から成るクラスタであって第２の原子等が第１の原子等を包み込んでいるクラスタに、第１の原子等は吸収するが第２の原子等には吸収されない波長のＸ線を照射することによってクーロン爆発を生じさせ、第２の原子等の電気伝導特性を測定する場合には、本発明のクラスタと同様に測定を行って、上記処理Ｓ１４において、上記式５から電荷の拡散距離を求め上記時間τと上記式８を用いてホールの拡散係数Ｄを求める代わりに、初期配置ｘｊ（０）、ｙｊ（０）、ｚｊ（０））から電荷の拡散距離を推定し、上記時間τと上記式３を用いてホールの拡散係数Ｄを求めればよい。
【０１５３】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態の構成）
第１の実施形態では、クラスタαの電気伝導特性が測定されたが、第２の実施形態では、所定の分子構造を備えた所定の分子γの電気伝導特性が測定される。
【０１５４】
図１０は、第２の実施形態に係る分子電気伝導特性測定システムの構成を示す一部断面図である。図１０（Ａ）は、上面図であり、図１０（Ｂ）は、側面図である。
【０１５５】
図１０において、分子電気伝導特性測定システム７は、分子の蒸気ビームを生成する分子蒸気ビーム生成装置８と、分子の電気伝導特性を測定する分子電気伝導特性測定装置９とを備えて構成される。
【０１５６】
分子蒸気ビーム生成装置８は、上述した所定の分子構造を備えた所定の分子γの蒸気ビームＭＢを生成する分子蒸気ビーム生成室８０を備えて構成されている。分子蒸気ビーム生成室８０は、試料容器８１と、真空ポンプ８２とを備えた真空チャンバで構成されている。
【０１５７】
試料容器８１は、分子γの原材料の液体乃至固体の試料を収容すると共に分子γの蒸気ビームＭＢを生成するための容器であり、分子蒸気ビーム生成室８０に収納されている。試料容器８１は、例えば、本実施形態では、外形略直方体であって内部に所定の内容積を持った略円筒形状の空間を有した金属製容器であり、その一面には、この空間から蒸気ビームＭＢを噴出させるための所定寸法の直径を持つ略円筒形状をしたノズルとしての貫通孔８１ａが穿設されている。そして、試料容器８１の外面には、試料容器８１を加熱する図略の加熱部が設けられており、試料容器８１は、加熱部により加熱されることによって試料容器８１内の固体試料が加熱され、分子γの蒸気が生成されるようになっている。加熱部は、例えば、試料容器８１の外周に環巻きされた例えばニクロム線等の電熱線を備えて構成される。試料容器８１は、例えば、本実施形態では、内径約２７ｍｍ、長さ約９０ｍｍの略円筒形状であり、その貫通孔１１ａの直径が約６００μｍである。
【０１５８】
真空ポンプ８２は、分子蒸気ビーム生成室８０と連通されており、排気して分子蒸気ビーム生成室８０内を減圧し、分子蒸気ビーム生成室８０内を所定気圧の真空状態（所定の真空度）とする装置である。真空ポンプ８２は、上述の真空ポンプ１３、３２、５４、６４と同様に、例えば、高真空に引くために、ターボ分子ポンプが用いられている。
【０１５９】
分子電気伝導特性測定装置９は、第１の実施形態におけるクラスタ電気伝導特性測定装置３と同様に構成されており、測定室５０と、制御情報処理装置５５とを備えて構成されている。分子電気伝導特性測定装置９の測定室５０と分子蒸気ビーム生成装置８の分子蒸気ビーム生成室８０とは、スキマ４０を介して連結されている。そして、試料容器８１の貫通孔８１ａから噴出した分子γの蒸気ビームＭＢがスキマ４０から噴出されるように、試料容器８１の貫通孔８１ａの中心軸とスキマ４０の中心軸とが一致するように、配置されている。分子電気伝導特性測定装置９は、目的クラスタαの代わりに分子γの分子蒸気ビームＭＢが用いられる点を除き、第１の実施形態におけるクラスタ電気伝導特性測定装置３と同様に構成されているため、その説明を省略する。
【０１６０】
次に、本実施形態の動作について説明する。
（第２の実施形態の動作）
このような構成の分子電気伝導特性測定システム７では、分子蒸気ビーム生成装置８で分子γの蒸気ビームＭＢが生成され、この生成された分子γの電気伝導特性が分子電気伝導特性測定装置９で測定される。以下に、分子蒸気ビーム生成装置８の動作及び分子電気伝導特性測定装置９の動作を順に説明する。
【０１６１】
まず、分子蒸気ビーム生成装置８における真空ポンプ８２及び分子電気伝導特性測定装置９における真空ポンプ５４、６４をそれぞれ稼働し、分子蒸気ビーム生成室８０、測定室５０及び検出器容器６１を所定の真空度となるまでそれぞれ排気する。所定の真空度は、例えば、本実施形態では、例えば、分子蒸気ビーム生成室が約１０−３Ｔｏｒｒであり、測定室５０及び検出器容器６１が約１０−５〜１０−６Ｔｏｒｒである。このように分子蒸気ビーム生成室８０及び測定室５０の順に段階的に高い真空度（低いガス圧）に維持され、真空度に勾配が設けられている。
【０１６２】
次に、試料容器８１が図略の加熱部によって加熱され、試料容器８１内の液体乃至固体の試料が加熱される。この加熱によって試料が気化し、分子γの蒸気が生成される。そして、分子蒸気ビーム生成室８０と測定室５０とのガス圧差により、分子γが蒸気ビームＭＢとなって試料容器８１の貫通孔８１ａから噴出される。この分子γの蒸気ビームＭＢは、スキマ４０によってそのビーム中心が切り出され、スキマ４０から測定室５０に噴出される。
【０１６３】
この分子γの蒸気ビームＭＢは、Ｘ線導入用窓５３を介して測定室５０内に導かれたＸ線に図１０に示す×印の位置で照射される。Ｘ線は、例えば、ＳＰｒｉｎｇ８のＢＬ１０ＸＵアンジュレータビームラインから得られる高輝度で高分解能な硬Ｘ線が用いられる。
Ｘ線の波長は、第１の原子Ｕ及び分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子（第２及び第３の原子Ｖ、Ｗも含まれる。）のＸ線吸収端の波長に基づいて決定され、第１の原子Ｕは、吸収するが、分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子は、吸収しない波長に決定される。特に、第１の原子Ｕに吸収されると共に分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子には吸収されない波長であって、第１の原子ＵのＸ線吸収端近傍の波長に相当すると共に分子γにおける第１の原子Ｕを除く残余の原子のＸ線吸収端近傍の波長に相当しない波長のＸ線は、第１の原子Ｕのみに効率よく吸収されるため、より好ましい。
【０１６４】
Ｘ線が照射されると、上述したように、分子γは、クーロン爆発を起こし、このクーロン爆発によって生成された電子は、第１の実施形態と同様に、電子検出装置５１に引き込まれ、検出される。一方、このクーロン爆発によって生成された子イオンは、第１の実施形態と同様に、飛行時間型２次元イオン検出装置５２に引き込まれる。
【０１６５】
電子検出装置５１は、電子を検出すると検出信号を制御情報処理装置５５に出力する。飛行時間型２次元イオン検出装置５２は、子イオンを検出すると位置検出信号を制御情報処理装置５５に出力する。制御情報処理装置５５の中央処理部５５１は、電子検出装置５１から検出信号を受信し、飛行時間型２次元イオン検出装置５２から位置検出信号を受信すると、電子検出装置５１からの検出信号を計時開始信号とし、飛行時間型２次元イオン検出装置５２からの位置検出信号を計時終了信号として、これら２つの信号間の時間差を測定する。即ち、この電子が電子検出装置５１に到達した時刻を時間の原点（基準）に子イオンｊの飛行時間Ｔｊを計測する。分子γのクーロン爆発からこれにより生じた電子が電子検出装置５１に到達するまでの時間は、ナノ秒のオーダであり、一方、分子γのクーロン爆発からこれにより生じた子イオンが飛行時間型２次元イオン検出装置５２の２次元位置検出器６３に到達するまでの時間は、マイクロ秒のオーダであるので、本電気伝導特性の測定において電子が電子検出装置５１に到達する時間は、無視することができる。
【０１６６】
こうして子イオンの飛行時間Ｔｊと到達位置（検出位置）Ｘｊ、Ｙｊとが測定されると、制御情報処理装置５５における中央処理部５５１の電気伝導特性演算部５５１１は、図９に示す処理手順と同様の処理手順によって、子イオンの飛行時間Ｔｊと到達位置（検出位置）Ｘｊ、Ｙｊとに基づいて、例えば移動度μや拡散係数Ｄなどを分子γの電気伝導特性として求める。
【０１６７】
このように動作することにより、分子電気伝導特性測定装置９は、非接触で分子γの電気伝導特性を精度よく測定することができる。
【０１６８】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】クラスタの電気伝導特性を測定する測定原理を説明するための図である。
【図２】クラスタ内における電荷の移動を示す実験結果の図である。
【図３】Ｘ線照射による分子のクーロン爆発の過程を説明するための図である。
【図４】分子内における電荷の移動を示す実験結果の図である。
【図５】第１の実施形態に係るクラスタ電気伝導特性測定システムの構成を示す一部断面図である。
【図６】実施形態に係る飛行時間型２次元質量分析装置の構成を示す一部断面図である。
【図７】実施形態に係る制御情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【図８】目的クラスタの生成過程を説明するための模式図である。
【図９】実施形態に係る飛行時間及び到達位置に基づいて電気伝導特性を演算する演算方法を示すフローチャートである。
【図１０】第２の実施形態に係る分子電気伝導特性測定システムの構成を示す一部断面図である。
【図１１】特許文献１に開示のクラスタ生成装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１  クラスタ電気伝導特性測定システム
２  クラスタ生成装置
３  クラスタ電気伝導特性測定装置
７  分子電気伝導特性測定システム
８  分子蒸気ビーム生成装置
９  分子電気伝導特性測定装置
１０  初期クラスタ原材料供給室
１１  初期クラスタ蒸気ビーム生成部（ガス溜）
１１ａ  ガス供給開口部
１１ｂ、８１ａ  貫通孔
１２  冷却源
１３、３２、５４、６４、８２  真空ポンプ
１４  配管
１５  流量調整バルブ
２０、４０  スキマ１０
３０  クラスタ生成室
３１  目的クラスタ蒸気生成部
５０  測定室
５１  電子検出装置５１
５２  飛行時間型２次元イオン検出装置
５３  Ｘ線導入用窓
５５  制御情報処理装置
６２  飛行管
６２ａ  メッシュリング
６３  ２次元位置検出器
８０  分子蒸気ビーム生成室
８１  試料容器
５５１  中央処理部
５５１１  電気伝導特性演算部
【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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