(57)【要約】【課題】ｓ偏光成分の電場の増強が可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、ならびに近接場ラマン分光システムを提供する。【解決手段】本発明に係る近接場プローブ１０は、先端部分１０ａがヘラ状に加工されて、プローブの長軸に対して垂直な平面を有し、その平面の形状が短辺ａと長辺ｂとからなる長方形状である。そして、使用時には、短辺ａに平行な偏光方向の光が入射される。近接場ラマン分光システムのカンチレバー１５は、一般的な原子間力顕微鏡のカンチレバーであって、その自由端の先端に近接場プローブ１０を備えている。近接場ラマン分光システム４０は、カンチレバー１５と、当該カンチレバー１５の近接場プローブ１０における短辺ａに平行な偏光方向の光を入射させる光学系とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部分においてプローブの長軸に対して垂直な平面を有し、その平面の形状が短辺と長辺とからなる長方形状であり、
プローブの使用時に、上記短辺に平行な偏光方向の光が入射されることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項２】
上記長辺の長さは上記入射光の波長に基づいて決定するとともに、上記短辺の長さは上記入射光の波長に基づいて決定する上記長辺の長さの０．１倍とすることを特徴とする請求項１に記載の近接場プローブ。
【請求項３】
上記長辺の長さは０ｎｍ＜上記長辺の長さ≦上記入射光の波長であることを特徴とする請求項２に記載の近接場プローブ。
【請求項４】
上記長辺の長さは０ｎｍ＜上記長辺の長さ≦５００ｎｍであり、上記短辺の長さは０ｎｍ＜上記短辺の長さ≦５０ｎｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の近接場プローブ。
【請求項５】
上記長辺の長さは上記入射光の波長の整数倍であり、
プローブの使用時に、上記入射光として上記長辺に平行な偏光方向の光が入射されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の近接場プローブ。
【請求項６】
上記近接場プローブはシリコンで形成され、さらにその上記先端部分表面に金もしくは銀を薄膜として設けていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の近接場プローブ。
【請求項７】
上記入射光は、波長が４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の近接場プローブ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の近接場プローブを備えていることを特徴とする近接場ラマン分光システムのカンチレバー。
【請求項９】
請求項８に記載のカンチレバーと、
上記カンチレバーの上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における短辺に平行な偏光方向の光を入射させる光学系とを備えていることを特徴とする近接場ラマン分光システム。
【請求項１０】
請求項５に記載の近接場プローブを備える請求項８に記載のカンチレバーを備え、
上記光学系により、上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における長辺に平行な偏光方向の光を入射させることを特徴とする請求項９に記載の近接場ラマン分光システム。
【請求項１１】
請求項８に記載のカンチレバーを配備する配備工程と、
上記カンチレバーの上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における短辺に平行な偏光方向の光を入射させる第１入射工程とを有することを特徴とする近接場ラマン分光システムの制御方法。
【請求項１２】
上記配備工程において、請求項５に記載の近接場プローブを備える請求項８に記載のカンチレバーを配備し、
上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における長辺に平行な偏光方向の光を入射させる第２入射工程をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の近接場ラマン分光システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場ラマン分光法を利用した近接場ラマン分光システムの近接場プローブに関し、特にｓ偏光成分の電場の増強を可能として近接場ラマン分光法における偏光測定の信頼性と自由度とを飛躍的に向上させた近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質を構成する分子種のケミカルマッピングを、光の回折限界を超えたナノメートルの空間分解能で測定する手法として、近接場ラマン分光法は強力な手法である。この近接場ラマン分光法は、散乱型近接場プローブに外部から光を入射し、先鋭なプローブ先端に誘起される局所表面プラズモン共鳴を利用して光増強電場を形成する。そして、この光増強電場を微小光源として用い、散乱断面積の小さい微弱なラマン散乱を効率よく励起して、ナノスケールの空間分解能をもつラマン分光を実現する。
【０００３】
ところで、上述した近接場ラマン分光法に偏光測定を組み合わせると、分子の配向方向に関する知見が得られるため、その測定手法は、脂質膜やポリマーブレンド中の分子配向を高分解能で調べる手法として注目されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近接場で偏光測定を行うためには、通常の顕微分光とは異なり、観測したい偏光成分の電場を近接場プローブを用いて選択的に増強する必要がある。しかしながら、従来の近接場ラマン分光システムにおけるカンチレバー１１０の近接場プローブ１００は、通常図５（ａ）に示すように円錐状であって偏光測定に適した形状ではないため、主に、プローブ軸（プローブの長軸）に平行な成分（ｐ偏光成分）には感度が高いが、プローブ軸に垂直な成分（ｓ偏光成分）には感度が低かった。
【０００５】
図５（ｂ）および図５（ｃ）はその様子を示す図であって、共に近接場プローブ１００の先端部分における電場の強度分布を示しており、図５（ｂ）は近接場プローブ１００への入射光の偏光をｐ偏光（試料表面に対し、矢印がその偏光方向を示している）とした場合であって、図５（ｃ）は入射光の偏光をｓ偏光（試料表面に対し、矢印がその偏光方向を示している）とした場合である。同図から明らかであるように、近接場プローブ１００では、ｐ偏光成分の電場は適切に増強されているが、ｓ偏光成分の電場は増強されていない。
【０００６】
したがって、従来の近接場プローブ１００では、プローブ軸に垂直な面内に配向した分子に対しては、ラマン散乱を効率よく励起することができず、不完全な情報しか得ることができないという問題を生じていた。また、その構成により、ｘ，ｙ偏光成分を分解して検出することもできないという問題を生じていた。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、ｓ偏光（ｘ偏光またはｙ偏光）成分の電場の増強が可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法を提供することにある。また、ｘ，ｙ偏光成分を分解して検出することが可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書では、近接場プローブの長軸（換言すれば、試料面に垂直）に対して平行な偏光方向がｐ偏光、垂直な偏光方向がｓ偏光である。
【０００９】
本発明に係る近接場プローブは、上記課題を解決するために、先端部分においてプローブの長軸に対して垂直な平面を有し、その平面の形状が短辺と長辺とからなる長方形状であり、プローブの使用時に、上記短辺に平行な偏光方向の光が入射されることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムのカンチレバーは、上記課題を解決するために、上記近接場プローブを備えていることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムは、上記課題を解決するために、上記カンチレバーと、上記カンチレバーの上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における短辺に平行な偏光方向の光を入射させる光学系とを備えていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムの制御方法は、上記課題を解決するために、上記カンチレバーを配備する配備工程と、上記カンチレバーの上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における短辺に平行な偏光方向の光を入射させる第１入射工程とを有することを特徴としている。
【００１３】
上記の構成および方法によれば、上記近接場プローブの先端部分における短辺により、上記近接場プローブに入射した入射光の上記短辺に平行な偏光方向の電場が局在化されて増強される。すなわち、ｓ偏光（ｘ偏光またはｙ偏光）成分の電場を局在化させて増強させることができる。以上により、ｓ偏光（ｘ偏光またはｙ偏光）成分の電場の増強が可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法を提供することができるという効果を奏する。
【００１４】
また、上記の構成および方法によれば、上記近接場プローブの先端部分における構成により、ｘ偏光成分とｙ偏光成分とをそれぞれ分離して検出することができる。以上により、ｘ，ｙ偏光成分を分解して検出することが可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法を提供することができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る近接場プローブは、上記長辺の長さは上記入射光の波長に基づいて決定するとともに、上記短辺の長さは上記入射光の波長に基づいて決定する上記長辺の長さの０．１倍とすることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る近接場プローブは、上記長辺の長さは０ｎｍ＜上記長辺の長さ≦上記入射光の波長であることが好ましい。また、本発明に係る近接場プローブは、上記長辺の長さは０ｎｍ＜上記長辺の長さ≦５００ｎｍであり、上記短辺の長さは０ｎｍ＜上記短辺の長さ≦５０ｎｍであることが好ましい。基本的には、電場の局在化がより顕著となるため、上記近接場プローブの先端部分のサイズは小さければ小さいほど好ましい。
【００１７】
本発明に係る近接場プローブは、上記長辺の長さは上記入射光の波長の整数倍であり、プローブの使用時に、上記入射光として上記長辺に平行な偏光方向の光が入射されることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムは、上記長辺の長さが上記入射光の波長の整数倍であり、プローブの使用時に、上記入射光として上記長辺に平行な偏光方向の入射光が入射される上記近接場プローブを備えるカンチレバーを備え、上記光学系により、上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における長辺に平行な偏光方向の光を入射させることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムの制御方法は、上記配備工程において、上記長辺の長さが上記入射光の波長の整数倍であり、プローブの使用時に、上記入射光として上記長辺に平行な偏光方向の入射光が入射される上記近接場プローブを備えるカンチレバーを配備し、上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における長辺に平行な偏光方向の光を入射させる第２入射工程をさらに有することが好ましい。
【００２０】
上記の構成および方法によれば、定在波を生じさせることができるため、正確に数十ｎｍの距離を置いて２ヶ所以上で同時に強い光源を生じさせることができる。具体的には、金属表面上または結晶上で上述のような光励起を行い、２つの光源の干渉を利用して、新規光学特性発現の研究を行うことができる。
【００２１】
本発明に係る近接場プローブは、シリコンで形成され、さらにその上記先端部分表面に金もしくは銀を薄膜として設けていることが好ましい。
【００２２】
上記の構成のようにプローブの先端部分表面が金属であれば、プローブによる電場増強効果をより高めることができる。
【００２３】
本発明に係る近接場プローブは、上記入射光は、波長が４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る近接場プローブは、先端部分においてプローブの長軸に対して垂直な平面を有し、その平面の形状が短辺と長辺とからなる長方形状であり、プローブの使用時に、上記短辺に平行な偏光方向の光が入射されることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムのカンチレバーは、上記近接場プローブを備えていることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムは、上記カンチレバーを備え、上記カンチレバーの上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における短辺に平行な偏光方向の光を入射させることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明に係る近接場ラマン分光システムの制御方法は、上記カンチレバーを配備する配備工程と、上記カンチレバーの上記近接場プローブに、上記近接場プローブの先端部分における短辺に平行な偏光方向の入射光を入射させる第１入射工程とを有することを特徴としている。
【００２８】
上記の構成および方法によれば、上記近接場プローブの先端部分における短辺により上記近接場プローブに入射した入射光の上記短辺に平行な偏光方向の電場が局在化されて増強される。すなわち、ｓ偏光（ｘ偏光またはｙ偏光）成分の電場を局在化させて増強させることができる。以上により、ｓ偏光（ｘ偏光またはｙ偏光）成分の電場の増強が可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法を提供することができるという効果を奏する。
【００２９】
また、上記の構成および方法によれば、上記近接場プローブの先端部分における構成により、ｘ偏光成分とｙ偏光成分とをそれぞれ分離して検出することができる。以上により、ｘ，ｙ偏光成分を分解して検出することが可能な近接場プローブ、それを用いた近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明すると以下の通りである。なお、本実施形態では、近接場プローブの長軸に対して平行な偏光方向がｐ偏光、垂直な偏光方向がｓ偏光である。
【００３１】
図１は、本実施形態に係る近接場プローブ１０の先端部分を示しており、図１（ａ）はその斜視図であり、図１（ｂ）はその平面図であり、図１（ｃ）はその側面図である。
【００３２】
近接場プローブ１０は、ＦＩＢ（focused ion beam，集束イオンビーム）加工技術を用いて、図１に示すように、図５（ａ）に示した従来の円錐状のプローブ１００の先端部分をヘラ状（図１の参照番号１０ａ）に加工したものである。近接場プローブ１０のヘラ状先端部分１０ａは、図１（ｂ）に示すように、プローブの長軸に対して垂直な平面を有し、その平面の形状が短辺ａと長辺ｂとからなる長方形状である。近接場プローブ１０では、この短辺ａに平行な偏光方向の光が入射されることで、その偏光方向の電場が短辺ａにより局在化して増強される。すなわち、近接場プローブ１０では、プローブの長軸に垂直な成分であるｓ偏光（ｘ偏光およびｙ偏光）成分の電場を局在化させて増強させることができる。また、近接場プローブ１０では、そのヘラ状先端部分１０ａにおける構成により、ｘ偏光成分とｙ偏光成分とをそれぞれ分離して検出することができる。なお、ヘラ状先端部分１０ａの周囲の部分（例えば、図１（ａ）に示すような星形の部分）は、加工によってそのような形状となったものであり、上述の電場増強には特に寄与しない。
【００３３】
図２は、近接場プローブ１０による電場増強のシミュレーション結果を示している。このシミュレーションは、近接場プローブ１０のヘラ状先端部分１０ａの短辺ａを約５０ｎｍ、長辺ｂを約５００ｎｍとし、その長辺ｂがｘ方向となるように近接場プローブ１０を配置した。そして、この状態の近接場プローブ１０に、波長が５３２ｎｍで、ｘ，ｙ方向の偏光（図中では、偏光方向は矢印によって示している）のレーザ光を入射させて行った。
【００３４】
図２は、近接場プローブ１０のヘラ状先端部分１０ａ付近における電場の強度分布をＦＤＴＤ（finite-difference time-domain，有限差分時間領域法）によって計算した結果を示しており、図２（ａ）〜図２（ｃ）はｘ方向の偏光のレーザ光を入射させた場合であり、図２（ｄ）〜図２（ｆ）はｙ方向の偏光のレーザ光を入射させた場合である。また、図２（ａ）および図２（ｄ）はｘ方向成分の電場（Ｅｘ）を示しており、図２（ｂ）および図２（ｅ）はｙ方向成分の電場（Ｅｙ）を示しており、図２（ｃ）および図２（ｆ）はｚ方向成分の電場（Ｅｚ）を示している。
【００３５】
図２から、ヘラ状先端部分１０ａの短辺ａに平行なｙ方向の偏光の光が入射された場合にのみ、その偏光方向の電場（Ｅｙ）が増強されていることが明らかである。ｘ方向成分の電場（Ｅｘ）を増強したい場合には、近接場プローブ１０をその長辺ｂがｙ方向となるように配置して、ｘ方向の偏光の光を入射させればよい。以上により、近接場プローブ１０によって、上述したｓ偏光（ｘ偏光およびｙ偏光）成分の電場増強が可能であること、ならびにｘ偏光成分とｙ偏光成分とをそれぞれ分離して検出することが可能であることが明らかである。
【００３６】
近接場プローブ１０は、長軸方向の長さ（図３（ｂ）中の参照符号ｄ４）が約１０μｍ程度であり、その全体がシリコンもしくは窒化シリコンで形成されている。また、ヘラ状先端部分１０ａ表面には、電場増強効果をより高めるために、銀もしくは金を蒸着している。特に、後述する近接場プローブ１０に入射される入射光の波長が４００ｎｍ〜約５５０ｎｍであれば、銀を蒸着したものを用い、入射光の波長が約５５０ｎｍ〜７００ｎｍであれば、金を蒸着したものを用いる。
【００３７】
ヘラ状先端部分１０ａの長辺ｂの長さは試料に最適な入射光の波長に基づいて決定し、短辺ａの長さはその長辺ｂの長さの０．１倍とする。より具体的には、長辺ｂの長さは０ｎｍ＜長辺ｂの長さ≦入射光の波長であることが好ましい。もしくは、長辺ｂの長さは０ｎｍ＜長辺ｂの長さ≦５００ｎｍであり、短辺ａの長さは０ｎｍ＜短辺ａの長さ≦５０ｎｍであることが好ましい。もしくは、それらの条件を適宜組み合わせたものでもよい。なお、この短辺ａおよび長辺ｂの長さの具体的な数値は、本発明者らがＦＩＢを用いてプローブを加工したため、その加工限界による数値である。基本的に、電場の局在化がより顕著となるため、また、近接場プローブ１０を用いる近接場ラマン分光システムの空間分解能を考慮すれば、ヘラ状先端部分１０ａのサイズは小さければ小さいほど好ましい。
【００３８】
また、近接場プローブ１０に入射される入射光は、波長が４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光であることが好ましい。また、ラマンの散乱断面積を考慮すれば、波長は短いほうが好ましい。
【００３９】
また、ヘラ状先端部分１０ａにおける長辺ｂを入射される入射光の波長の整数倍（短辺ａは長辺ｂの０．１倍以下）とし、上記入射光として長辺ｂに平行な偏光方向の光を入射させる構成としてもよい。この構成の場合、定在波を生じさせることができるため、正確に数十ｎｍの距離を置いて２ヶ所以上で同時に強い光源を生じさせることができる。図２（ｂ）が上記構成の場合のヘラ状先端部分１０ａ付近における電場の強度分布を示している。上記構成によって、金属表面上または結晶上で上述のような光励起を行い、２つの光源の干渉を利用して、新規光学特性発現の研究を行うことができる。
【００４０】
次に、図３（ａ）は本実施形態に係る近接場プローブ１０を備えたカンチレバー１５を示しており、図３（ｂ）は本実施形態に係る近接場ラマン分光システム４０を示している。
【００４１】
カンチレバー１５は、一般的な原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、不図示）のカンチレバーであって、その自由端の先端に近接場プローブ１０を備えている。カンチレバー１５は、図３（ａ）に示すように、その縦幅（同図の参照符号ｄ１）は５０μｍ程度であり、その横幅（同図の参照符号ｄ２）は４５０μｍ程度であり、その厚み（同図の参照符号ｄ３）は４μｍ程度であって、シリコンで形成されている。
【００４２】
近接場ラマン分光システム４０は、近接場ラマン分光法による測定（以下、「測定１」と称する）と、近接場ラマン分光法に偏光測定を組み合わせた測定（以下、「測定２」と称する）との双方を行えるものであって、図３（ｂ）に示すように、光源２１と、ビームエキスパンダ２２と、偏光子２３と、ビームスプリッタ２４と、対物レンズ２５と、ピエゾステージ２６と、カンチレバー１５と、ＡＦＭコントローラ２８と、偏光解消子２９と、ノッチフィルタ３０と、集光レンズ３１と、分光器３２と、液体窒素冷却ＣＣＤカメラ３３と、解析装置３４とを備えて構成されている。参照番号２７は試料である。なお、図３（ｂ）に示した近接場ラマン分光システム４０の構成は、カンチレバー１５を用いて測定２を行う場合のものであって、単なる一例に過ぎない。また、近接場ラマン分光システム４０は、その構成を適宜変更することによって、近接場光学顕微鏡として利用することもできる。
【００４３】
光源２１は、半導体レーザによって構成され、複数の波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）ならびに複数の偏光（ｐ偏光、ｓ偏光、もしくはその双方）でレーザ光を出射する。ビームエキスパンダ２２は、光源２１から出射されたレーザ光の光径を２０倍に拡大する。偏光子２３は、着脱可能であって、設置されている場合にはビームエキスパンダ２２を通過したレーザ光の偏光を変換する。ビームスプリッタ２４は、偏光子２３を通過したレーザ光をピエゾステージ２６へ導くとともに、ピエゾステージ２６からの反射光を偏光解消子２９へ導く。
【００４４】
対物レンズ２５は、倍率６０倍、開口数（ＮＡ）１．４、油芯であって、ビームスプリッタ２４を通過したレーザ光をピエゾステージ２６上の試料２７に集光する。ＡＦＭコントローラ２８は、カンチレバー１５の動作とピエゾステージ２６の動作とを制御する。分光器３２は、偏光解消子２９によって偏光が解除され、ノッチフィルタ３０を通過し、集光レンズ３１によって集光されたレーザ光を分光する。液体窒素冷却ＣＣＤカメラ３３は、分光器３２にて分光されたラマンスペクトルを検出する。解析装置３４は、近接場プローブ１０を試料２７に接近させた場合と、接近させていない場合とのスペクトルの差を算出し、近接場ラマンスペクトルを検出する。
【００４５】
近接場ラマン分光システム４０は、測定１を行う場合、また、ｐ偏光成分を用いた測定２を行う場合には、図５（ａ）に示した従来のカンチレバー１１０を用いて測定を行う。この測定は、一般的なものであるから、ここではその詳細についての説明を省略する。次に、ｓ偏光成分を用いた測定２を行う場合には、上述した構成に対し、カンチレバー１５を用いるとともに（配備工程）、光源２１から出射されるレーザ光の偏光方向を、偏光子２３によってカンチレバー１５の近接場プローブ１０のヘラ状先端部分１０ａにおける短辺ａに平行な偏光方向として、近接場プローブ１０に入射させる（第１入射工程）。
【００４６】
また、ｓ偏光成分を用いた測定２であって、上述した、定在波を生じさせて、正確に数十ｎｍの距離を置いて２ヶ所以上で同時に強い光源を生じさせる場合には、入射されるレーザ光の波長の整数倍の長さの長辺ｂを有する近接場プローブ１０を備えたカンチレバー１５を用いるとともに（配備工程）、光源２１から出射されるレーザ光の偏光方向を、偏光子２３によって上記レーザ光の波長の整数倍の長さの長辺ｂに平行な偏光方向として、近接場プローブ１０に入射させる（第２入射工程）。
【００４７】
なお、以上説明した近接場ラマン分光システム４０の構成は、単なる一例に過ぎず、例えば、ビームエキスパンダ２２の倍率および対物レンズ２５の倍率は、それぞれ２０倍および６０倍以外の値であっても良いし、また、対物レンズ２５の油芯は水芯であっても良い。このように、当業者によって適宜変更可能な構成も、本実施形態の近接場ラマン分光システム４０に含まれる。
【００４８】
図４は、近接場ラマン分光システム４０を用いてｓ偏光成分を用いた測定２を行った結果を示している。この測定では、試料２７として２種類の互いに異なる配向状態のカーボンナノチューブを用意し、光源２１から出射されるレーザ光の波長を５１４ｎｍとした。このカーボンナノチューブは、フッ素アルコールに溶解し、ピエゾステージ２６上にスピンコートして真空乾燥させている。
【００４９】
図４（ａ）および図４（ｂ）は試料２７である各カーボンナノチューブのＡＦＭ画像であって、近接場プローブ１０のヘラ状先端部分１０ａとこの近接場プローブ１０に入射しているレーザ光の偏光方向（矢印）とを重ねて示している。図４（ｃ）は、ラマンシフト（ｃｍ−１）を横軸に、ラマン強度（カウント）を縦軸にとって、この測定によって得られた近接場ラマンスペクトルを示している。
【００５０】
試料２７であるカーボンナノチューブのG-band（１５９２ｃｍ−１）は、チューブ軸の方向に沿って強い遷移モーメントを有するラマン振動モードである。したがって、チューブ軸に平行な偏光方向で光励起を行えば効率よくラマンスペクトルを得られるが、チューブ軸に垂直な偏光方向で光励起を行えばラマンスペクトルはほとんど得られない。上記測定では、近接場プローブ１０による電場増強とカーボンナノチューブの配向状態とが垂直になる場合（図４（ａ））と、平行になる場合（図４（ｂ））とを作り出し、その各場合の近接場ラマンスペクトルを測定した。
【００５１】
図４（ｃ）において、参照符号Ａ１を付した近接場ラマンスペクトルが、上記平行の場合であって、大きく増強されており、参照符号Ａ２を付した近接場ラマンスペクトルが、上記垂直の場合であって、ほとんど増強されていない。これにより、近接場プローブ１０によって、ｘｙ面内（試料面に平行）に遷移モーメントを有する試料を効率よく励起することが可能であることが明らかである。また、ｘ偏光成分とｙ偏光成分とをそれぞれ分離して検出することが可能であることも明らかである。
【００５２】
以上のように、本発明では、近接場プローブの先端部分の形状を変化させることで、電場とその先端部分における金属系との境界条件を変化させ、従来の近接場プローブでは得られない増強電場の偏光状態を作り出した。すなわち、本実施形態における近接場プローブ１０のように、先端部分をヘラ状に加工して、プローブの長軸に垂直な平面の形状を長方形状とし、この長方形の短辺に平行な偏光方向の光を入射させることで、プローブの長軸に垂直な方向に偏光したｓ偏光成分を効率良く増強させた。そして、この近接場プローブ１０を試料表面で走査することで、試料表面内方向に配向したダイポールを持つラマンモードを選択的に増強できる。
【００５３】
以上のことから、ｘ，ｙ，ｚすべての方向の偏光測定をそれぞれ分離して観測することが可能となったため、完全な偏光情報を得ることができるようになり、近接場ラマン分光における偏光測定の信頼性と自由度とが飛躍的に向上した。具体的には、従来の顕微分光技術による偏光測定では、空間分解能がサブミクロンに押さえられていた評価方法が、一桁以上改善されることになる。これにより、観測できる試料およびラマンモードの種類が広がり、試料中の分子配向について詳しい情報が得ることができる。このような技術は、有機薄膜をベースに作製する有機半導体材料の評価に強く必要とされている。
【００５４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る近接場プローブ、近接場ラマン分光システムのカンチレバー、近接場ラマン分光システム、ならびに近接場ラマン分光システムの制御方法は、近接場ラマン分光と偏光測定とを組み合わせた近接場ラマン分光システムの近接場プローブ、上記近接場ラマン分光システムのカンチレバー、上記近接場ラマン分光システム、ならびに上記近接場ラマン分光システムの制御方法として好適であり、近接場ラマン分光における偏光測定の信頼性と自由度とを飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に係る近接場プローブを示しており、（ａ）はその斜視図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）はその側面図である。
【図２】上記近接場プローブによる電場増強のシミュレーション結果を示しており、（ａ）はｘ方向の偏光のレーザ光が入射された場合の、上記近接場プローブのヘラ状先端部分付近における、ｘ方向成分の電場の強度分布を示す図であり、（ｂ）はｘ方向の偏光のレーザ光が入射された場合の、上記近接場プローブのヘラ状先端部分付近における、ｙ方向成分の電場の強度分布を示す図であり、（ｃ）はｘ方向の偏光のレーザ光が入射された場合の、上記近接場プローブのヘラ状先端部分付近における、ｚ方向成分の電場の強度分布を示す図であり、（ｄ）はｙ方向の偏光のレーザ光が入射された場合の、上記近接場プローブのヘラ状先端部分付近における、ｘ方向成分の電場の強度分布を示す図であり、（ｅ）はｙ方向の偏光のレーザ光が入射された場合の、上記近接場プローブのヘラ状先端部分付近における、ｙ方向成分の電場の強度分布を示す図であり、（ｆ）はｙ方向の偏光のレーザ光が入射された場合の、上記近接場プローブのヘラ状先端部分付近における、ｚ方向成分の電場の強度分布を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態に係る、上記近接場プローブを備えた近接場ラマン分光システムのカンチレバーを示す図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る、上記近近接場ラマン分光システムの構成を示す図である。
【図４】上記近接場ラマン分光システムを用いて偏光測定を行った結果を示しており、（ａ）および（ｂ）は試料であるカーボンナノチューブのＡＦＭ画像であり、（ｃ）は、上記測定によって得られた近接場ラマンスペクトルを示すグラフである。
【図５】従来技術を示すものであり、（ａ）は従来の近接場プローブを示す図であり、（ｂ）は従来の近接場プローブへの入射光の偏光をｐ偏光とした場合の従来の近接場プローブの先端部分における電場の強度分布を示す図であり、（ｃ）は従来の近接場プローブへの入射光の偏光をｓ偏光とした場合の従来の近接場プローブの先端部分における電場の強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、１００    近接場プローブ
１０ａ          近接場プローブの先端部分
１５、１１０    カンチレバー
４０            近接場ラマン分光システム
ａ              近接場プローブの先端部分の短辺
ｂ              近接場プローブの先端部分の長辺
【図３】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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