(57)【要約】  試料をそのままの状態で高分解能に観察できる画像形成方法の提供。  絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置する配置ステップと、対向電極に交流電位信号を入力するとともに、絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していく測定ステップと、照射位置に対するインピーダンス値から画像を形成させる画像形成ステップと、を含むことを特徴とする。
2019244468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置する配置ステップと、
前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していく測定ステップと、
前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させる画像形成ステップと、を含むことを特徴とする画像形成方法。
【請求項２】
前記試料は溶液中に与えられ、
前記対向電極は、前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向させた第２絶縁性薄膜を含み、
前記測定ステップにおいて前記第２絶縁性薄膜に接する前記溶液との界面に電気双極子を形成させることを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
【請求項３】
前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極を含み、
前記測定ステップにおいて前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を入力させることを特徴とする請求項２記載の画像形成方法。
【請求項４】
前記交流電位信号は複数の周波数成分を含む正弦波又はノイズであり、
前記測定ステップにおいて検出した交流信号より周波数スペクトルを得ることを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
【請求項５】
前記測定ステップにおいて前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加し、直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出し、インピーダンス情報に併せ位相情報を得ることを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
【請求項６】
前記測定ステップにおいて前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するとともに、前記導電性薄膜電極へもバイアス電圧を加え、前記導電性薄膜の交流信号成分を抽出し、インピーダンス情報に併せて位相情報を得ることを特徴とする請求項３記載の画像形成方法。
【請求項７】
前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿ってアレイ状に金属パターン電極を配置し、
前記測定ステップにおいて前記金属パターン電極毎に異なる周波数成分の交流電位信号を入力し、
前記画像形成ステップにおいて前記金属パターン電極の位置と前記照射位置との相互角度に基づく傾斜画像から３次元構造情報を得ることを特徴とする請求項２記載の画像形成方法。
【請求項８】
絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置し、前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していき、前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させることを特徴とするインピーダンス顕微鏡。
【請求項９】
前記試料は溶液中に与えられ、
前記対向電極は、前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向させた第２絶縁性薄膜を含み、これに接する前記溶液との界面に電気双極子を形成させることを特徴とする請求項８記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１０】
前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極を含み、前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を入力させることを特徴とする請求項９記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１１】
前記交流電位信号として複数の周波数成分を含む正弦波又はノイズを与え、検出した交流信号より周波数スペクトルを得ることを特徴とする請求項８記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１２】
前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加し、直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出し、インピーダンス情報に併せ位相情報を得ることを特徴とする請求項８記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１３】
前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するとともに、前記導電性薄膜電極へもバイアス電圧を加え、前記導電性薄膜の交流信号成分を抽出し、インピーダンス情報に併せて位相情報を得ることを特徴とする請求項１０記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１４】
前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿ってアレイ状に金属パターン電極を配置し、前記金属パターン電極毎に異なる周波数成分の交流電位信号を入力し、前記金属パターン電極の位置と前記照射位置との相互角度に基づく傾斜画像から３次元構造情報を得ることを特徴とする請求項９記載のインピーダンス顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液中の有機物試料をそのままの状態で高い分解能で観察できる画像形成方法及び顕微鏡に関し、特に、インピーダンス測定により有機物試料の画像を高い分解能で得る画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液中の有機物試料を観察する装置として、光学顕微鏡が広く用いられている。光学顕微鏡は、その光の回折限界のために分解能を２００ｎｍ程度に抑制されてしまう。これに対し、電子線を用いた電子顕微鏡であれば、１０ｎｍ以下の高い分解能を得られる。一方で、電子線を用いるためには顕微鏡の鏡体内部を真空にする必要があり、溶液中の有機物試料の観察においては大気圧を維持できるカプセルなどにこれを封入することも必要となる。また、電子線照射による有機物試料のダメージを低下させるとともにコントラストの高い画像を得るには、試料をホルムアルデヒドなどで固定させた上で、金などをコーティングし、また、重金属により染色するなどの煩雑な前処理を必要とすることもある。【０００３】
ここで、特許文献１及び非特許文献１では、Ｘ線顕微鏡の一種であって、金属薄膜に電子線を照射して発生する特性Ｘ線である軟Ｘ線を用いた溶液中の有機物試料（生物試料）の観察方法が開示されている。かかる方法では、電子線は、直接、試料に照射されず、照射ダメージを生じさせないとともに、生物試料の観察のための染色などの前処理なしに高いコントラストで観察をすることができる。【０００４】
また、特許文献２及び非特許文献２では、重金属薄膜に電子線を照射して局所的に電位変化を生じさせ、対向側の電位を検出することで生物試料を観察する変動電位透過観察方法を提案している。一般的に、有機物試料（生物試料）は、２〜３程度の比誘電率を有し、約８０程度である溶液（水溶液）よりも非常に低い比誘電率である。そのため、有機物試料（生物試料）は、溶液（水溶液）中よりも電位変化の透過をより阻害することになる。つまり、生物試料を透過する際の電位変化の減衰を画像化することで生物試料を観察できるのである。ここでも、溶液中の生物試料を染色などの前処理なしに高いコントラストで観察することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７４７８４号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０３７３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Ogura, “Direct observation of unstained wet biological samples by scanning-electron generation X-ray microscopy”, Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol.391, pp.198-202 (2010)
【非特許文献２】T. Ogura, "Direct observation of unstained biological specimens in water by the frequency transmission electric-field method using SEM”, PLOS ONE Vol.9, e92780(6pp) (2014)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した変動電位透過による顕微鏡観察方法では、溶液中の生物試料を生きたまま電子線のダメージを与えることなしに、高いコントラスト且つ高い分解能で観察できる。その一方で、試料の組成分析まではできず、これを３次元的に分析できれば、生物試料の構造やその機能の解明、有機材料の開発などに適用できる。【０００８】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、有機物等の試料をそのままの状態で高い分解能で観察でき、且つ、組成分析をも可能とする画像形成方法及び顕微鏡の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、有機物試料に交流電位信号を伝搬させるように交流を印加したときのインピーダンスを測定して試料を観察するインピーダンス顕微鏡を着想した。特に、絶縁性薄膜を覆う導電性薄膜に電子線を集束照射すると絶縁性薄膜に局所的で微小な領域での絶縁性の低下が生じる。このとき、対向する導電性電極との間で交流を印加してインピーダンスを測定することで、極めて高い分解能の情報を得られると考えたのである。【００１０】
具体的には、本発明による画像形成方法は、絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置する配置ステップと、前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していく測定ステップと、前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させる画像形成ステップと、を含むことを特徴とする。【００１１】
かかる発明によれば、試料をそのままの状態としてインピーダンス値を測定し高い分解能の画像を形成させることができる。【００１２】
また、本発明によるインピーダンス顕微鏡は、絶縁性薄膜の第１主面と対向電極との間に試料を配置し、前記対向電極に交流電位信号を入力するとともに、前記絶縁性薄膜の第２主面を覆って与えられた導電性薄膜に物理線を集束照射しつつ走査して直下の前記絶縁性薄膜の絶縁性を低下させてこの照射位置に前記交流電位信号を導いてインピーダンス値を測定していき、前記照射位置に対する前記インピーダンス値から画像を形成させることを特徴とする。【００１３】
かかる発明によれば、試料をそのままの状態としてインピーダンス値を測定し高い分解能の画像を得ることができる。【００１４】
上記した発明において、前記試料は溶液中に与えられることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、試料との交流電位信号の伝搬に差を簡単に与えて高い分解能の画像を簡単に得ることができる。【００１５】
上記した発明において、前記対向電極は、前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向させた第２絶縁性薄膜を含み、これに接する前記溶液との界面に電気双極子を形成させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば電気双極子によって絶縁性薄膜を越えて交流電位信号が伝搬されて、高い分解能での観察を可能とする。【００１６】
上記した発明において、前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極を含み、前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を入力させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、物理線の走査に対応して導電性薄膜電極の表面に沿って交流電位信号を入力させることができる。【００１７】
上記した発明において、前記対向電極は、前記溶液中に向けたプローブを含み、前記プローブに前記交流電位信号を入力させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、対向電極側の位置を制限できて高い分解能での観察を可能とするのである。【００１８】
上記した発明において、前記物理線は、電子線又はレーザー光であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、照射源を従来装置から流用できてコストを低減でき、高い分解能での観察を可能とするのである。【００１９】
上記した発明において、前記交流電位信号として複数の周波数成分を含む正弦波又はノイズを与え、検出した交流信号より周波数スペクトルを得ることを特徴としてもよい。さらに、検出した前記交流信号の周波数成分を同期検波して分離し、前記周波数スペクトルを求めることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、周波数スペクトルに基づいて試料の組成を分析でき、さらに、微小な交流電位信号を検出できてより精確な組成の分析を可能とする。【００２０】
上記した発明において、前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加し、直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出し、インピーダンス情報に併せ位相情報を得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、高感度に交流電位信号を得ることができる。【００２１】
上記した発明において、前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するとともに、前記導電性薄膜電極へもバイアス電圧を加え、前記導電性薄膜の交流信号成分を抽出し、インピーダンス情報に併せて位相情報を得ることを特徴としてもよい。さらに、前記バイアス電圧を変化させながら前記交流信号成分を抽出し、ＳＮ比を所定とするように前記バイアス電圧を設定させる事前制御を与えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、交流電位信号の位相情報を得てより広範な観察を可能とし、良好なＳＮ比でより精確な分析を可能とできる。【００２２】
上記した発明において、前記導電性薄膜電極に入力する前記交流電位信号の周波数を画像のピクセル総数から撮像時間の秒数で割った値以上に制御する画像制御部を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、全てのピクセルに対して確実にインピーダンス値を得ることができる。【００２３】
上記した発明において、前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜の背面に沿ってアレイ状に金属パターン電極を配置し、前記金属パターン電極毎に異なる周波数成分の交流電位信号を入力し、前記金属パターン電極の位置と前記照射位置との相互角度に基づく傾斜画像から３次元構造情報を得ることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、有機物試料を３次元で観察できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による１つの実施例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図２】本発明による１つの実施例における画像形成方法のフロー図である。
【図３】実施例２におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図４】実施例２の改変例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図５】実施例３におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図６】実施例３の改変例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図７】実施例４におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図８】実施例４の改変例におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図９】実施例５におけるインピーダンス顕微鏡のブロック図である。
【図１０】インピーダンス顕微鏡による５００ｎｍ径のビーズサンプル（ａ）２００倍の振幅画像、（ｂ）５００倍の振幅画像、（ｃ）５０００倍の位相画像である。
【図１１】インピーダンス顕微鏡による５００ｎｍ径のビーズサンプルの（ａ）２００倍、（ｂ）５００倍、（ｃ）２０００倍、（ｄ）１００００倍の振幅画像である。
【図１２】インピーダンス顕微鏡による５００ｎｍ径のビーズサンプルの１００００倍の位相画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［実施例１］
以下に、本発明による有機物試料を観察する画像形成方法及びインピーダンス顕微鏡の１つの実施例について、図１及図２を用いて説明する。
【００２６】
図１に示すように、インピーダンス顕微鏡１００は、上側の第１絶縁性薄膜１１と、その下方に向けた主面に下側から対向する対向電極１５とを含む。第１絶縁性薄膜１１はその上側面を導電性薄膜１３に覆われている。また、対向電極１５は、上側面を第１絶縁性薄膜１１の下側面に対向するように位置する第２絶縁性薄膜１２を含む。対向電極１５は、さらに、第２絶縁性薄膜１２の背面に沿って与えられた導電性薄膜電極１４を含む。第１絶縁性薄膜１１及び対向電極１５の間には有機物試料９が配置されて、これは溶液８によって保持されている。典型的には、溶液８が第１絶縁性薄膜１１及び第２絶縁性薄膜１２の間に挟まれて、これを満たしている。
【００２７】
導電性薄膜１３は、その上方から物理線１を集束照射できる電子銃などの図示しない物理線照射器を備え、導電性薄膜１３の表面に沿って物理線１を走査可能としている。物理線１としては、電子線やレーザー光を用い得るが、導電性薄膜１３に照射して照射位置の直下において第１絶縁性薄膜１１の絶縁を破壊し絶縁性の低下した絶縁性低下領域１１ａを形成させることのできるものである。例えば、電子線を照射した場合に入射電子２が照射位置の直下において第１絶縁性薄膜１１へと散乱し吸収されることで絶縁性低下領域１１ａを形成させるのである。物理線１としては、その他にイオンビーム、中性子線、陽電子線などの他の荷電粒子線なども用い得る。
【００２８】
他方、対向電極１５の導電性薄膜電極１４には、ファンクションジェネレータなどの信号出力機３１が接続され、交流電位信号を入力される。交流電位信号は、第２絶縁性薄膜１２と溶液８との界面に電気双極子３を形成し、電気双極子３の形成によって伝搬される。また、導電性薄膜１３には、検出した交流信号を増幅する交流アンプ３２が接続され、バンドパスフィルタ３３を介して出力信号３４を得ることができる。つまり、物理線１の照射領域の直下の位置において絶縁性の低下された第１絶縁性薄膜の絶縁性低下領域１１ａに交流電位信号を導き、導電性薄膜１３を介して導く過程で減衰した交流信号を交流アンプ３２で検出するとともに増幅し、バンドパスフィルタ３３で不要な周波数帯域をカットして必要な範囲の周波数の出力信号３４として取り出すことができるのである。
【００２９】
これによって、取り出した出力信号３４からインピーダンス値を測定し、上記した物理線１の走査によるそれぞれの照射位置に対応するインピーダンス値から画像を形成させるのである。なお、導電性薄膜１３には交流アンプ３２を介してバイアス電圧３５を印加して検出する交流信号の感度を高めるようにするとよい。
【００３０】
ところで図１（ａ）に示すように、絶縁性低下領域１１ａと導電性薄膜電極１４との間に（第２絶縁性薄膜１２、及び）溶液８のみが存在するとき、例えばこの溶液を水とすると比誘電率を約８０程度と高くして電位信号をよく伝搬させるため、絶縁性低下領域１１ａに導かれる交流電位信号の減衰を小さくする。そのため、水のコンダクタンス成分を反映して出力信号３４ａの振幅を大きくし、インピーダンス値を小さくする。
【００３１】
これに対して、図１（ｂ）に示すように、例えば、有機物試料９をアミノ酸や脂質等から構成される生物試料とすると、比誘電率を２〜５程度と低くして電位信号の伝搬を阻害するため、絶縁性低下領域１１ａに導かれる交流電位信号の減衰を大きくする。そのため、出力信号３４ｂの振幅を小さくし、インピーダンス値を大きくする。
【００３２】
このように、出力信号３４から測定されるインピーダンス値は、溶液８のみの場合に小さく、有機物試料９に電位信号を伝搬させる場合に大きくなり、このインピーダンス値から物理線１の走査による照射位置に対応した画像を形成させることで、有機物試料９を画像として観察することができる。また、絶縁性低下領域１１ａの大きさは照射される物理線１の照射径に依存する。そこで、物理線１を小さく絞ることで極めて高分解能の画像を得ることができる。また、絶縁性薄膜の絶縁性を低下させるための物理線１の照射と、インピーダンス値を測定するための交流電位信号の入力とは互いに独立しており、また絶縁性低下領域１１ａを伝搬すればよいため交流電位信号を微弱なものとし得る。よって、有機物試料９は何らかの前処理を必要とせず、交流電位信号によってほとんど影響を与えられない。このように、溶液８中の有機物試料９をそのままの状態でインピーダンス値から形成した極めて高分解能の画像によって観察できる。なお、溶液８と有機物試料９との組み合わせは水と生物試料とに限られず、互いに異なる誘電率であれば有機物試料９の画像を得ることができる。
【００３３】
すなわち、図２を併せて参照すると、本実施例による画像形成方法では、まず、配置ステップ（Ｓ１）において、第１絶縁性薄膜１１及び対向電極１５の間に溶液８によって保持された有機物試料９を配置させる。次いで、測定ステップ（Ｓ２）では、対向電極１５の導電性薄膜電極１４に交流電位信号を入力するとともに、導電性薄膜１３の上方から物理線１を集束照射しつつ走査し、上記したようにインピーダンス値を測定する。詳細には、物理線１を照射した照射位置の直下において第１絶縁性薄膜１１の絶縁性を低下させて絶縁性低下領域１１ａを形成させる。絶縁性低下領域１１ａには対向電極１５の導電性薄膜電極１４に入力される交流電位信号が導かれる。導かれた交流電位信号は、溶液８や有機物試料９を伝搬し、導電性薄膜１３を介して出力信号３４とされる。そして、それぞれの照射位置に対応する出力信号３４からインピーダンス値を得ていく。最後に、画像形成ステップ（Ｓ３）では、照射位置に対するインピーダンス値に基づいて上記したように画像を形成させる。
【００３４】
なお、インピーダンスは、レジスタンス、インダクタンス、コンダクタンスを含むので、これらの成分を個別に測定して画像化してもよい。また、出力信号の位相を求めてこれを画像化してもよい。これらの測定結果は交流電位信号の伝搬する溶液８及び有機物試料９の組成や距離に依存するため、得られる画像は形状のみならず、有機物試料９の組成についての情報を含む。
【００３５】
また、上記した実施例では交流アンプ３２を導電性薄膜１３に接続させているが、例えば、導電性薄膜電極１４に接続して、同様にインピーダンス値から画像を得るようにすることもできる。
【００３６】
ここで、導電性薄膜電極１４に入力する交流電位信号の周波数は、得ようとする画像のピクセル総数から撮像時間の秒数で割った値以上にすることが好ましい。つまり、全てのピクセルに対して１波長以上の交流電位信号を入力し、その出力を得るのである。例えば、１００×１００ピクセルの画像を１０秒の走査で得ようとする場合は、１ピクセル当たりの物理線１の照射時間を１ｍｓｅｃとするため、交流電位信号としてはその逆数である１ｋＨＺ以上の周波数を必要とする。これによって、全てのピクセルに対して確実にインピーダンス値を得ることができる。例えば、交流電位信号として周波数を１ＭＨｚとする正弦波を加えて、バンドパスフィルタ３３として周波数を１ＭＨｚとするものを用いることが好ましいが、周波数としては数ｋＨｚから数ＧＨｚまでを使用可能である。
【００３７】
なお、上記したようにインピーダンス顕微鏡は有機物試料の観察に適しているが、有機物に限らず溶液と異なる誘電率を有する材料であれば観察できる。例えば、試料は、セラミックスや金属などを材料とするものであってもよい。また、試料の周囲は溶液で満たされている必要はなく、試料と異なる誘電率を有する物質や真空であってもよい。例えば、大気やその他の雰囲気であれば比較的簡単に用い得る。
【００３８】
[実施例２]
次に、インピーダンス顕微鏡の他の実施例について図３及び図４を用いて説明する。
【００３９】
図３に示すように、インピーダンス顕微鏡１０１は、導電性薄膜電極１４に入力させる交流電位信号を複数の周波数成分を重畳させたものとしている。例えば、信号出力機３１によって予め定めた複数の周波数の正弦波を重畳させ、交流アンプ３２で増幅した交流信号をバンドパスフィルタ３３でそれぞれの周波数成分に分けて各周波数についてのインピーダンス値を求め、スペクトル測定装置３６で周波数スペクトル成分３６ａを検出するのである。有機物試料９の組成の違いがインピーダンス値の周波数スペクトル成分３６ａの違いとなり得るため、有機物試料９の組成も推定できる。なお、その他については実施例１と同様である。
【００４０】
また、図４に示すように、インピーダンス顕微鏡１０２は、導電性薄膜電極１４に入力させる交流電位信号を複数の周波数成分を含むノイズとしている。例えば、ホワイトノイズ３１ａを交流電位信号として入力することができる。この場合、交流アンプ３２で増幅された交流信号から得た出力信号３４をフーリエスペクトル分析装置３７によって分析し、インピーダンス値の周波数スペクトル３７ａを求めるのである。これについても同様に、有機物試料９の組成を推定できる。なお、周波数スペクトルは、交流信号の周波数成分を同期検波して分離しで求めてもよい。
【００４１】
［実施例３］
インピーダンス顕微鏡のさらに他の実施例について図５及び図６を用いて説明する。
【００４２】
図５に示すように、インピーダンス顕微鏡１０３は、交流アンプ３２で増幅された交流信号をロックインアンプ３７’に入力し、出力信号３４を得て、インピーダンス測定装置３９ａ、振幅測定装置３９ｂ、位相測定装置３９ｃのそれぞれで出力信号のインピーダンス情報、振幅情報、位相情報を得ることができる。ロックインアンプ３７’では、印加されたバイアス電圧３５による直流成分を遮断した後に交流信号成分のみを抽出することでノイズを大幅にカットできて、極めて高いＳＮ比とした出力信号を得て、高精細な画像を非常にクリアに得ることができる。なお、ホルダ１９を含む有機物試料９を保持する構成は公知であるとともに、基本的な部分において上記した他の実施例と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【００４３】
図６に示すように、インピーダンス顕微鏡１０４は、導電性薄膜１３にバイアス電圧３５を印加するとともに、導電性薄膜電極１４へも第２のバイアス電圧３５ａを印加する。バイアス電圧３５及び第２のバイアス電圧３５ａは、ともにバイアス調整回路３８によって調整可能とされる。そして、導電性薄膜１３から検出される交流信号から交流信号成分のみを抽出して出力信号を得て、この出力信号からインピーダンス情報及び位相情報を併せて得るのである。位相情報もまた、交流電位信号の伝搬する有機物試料９の組成に依存するから、有機物試料９の組成情報を含む。また、これらに先立って、このバイアス電圧３５と第２のバイアス電圧３５ａとを変化させながら出力信号を測定し、出力信号のＳＮ比を所定値以上として、かかる出力信号を最適とするように事前制御しておくことが好ましい。このとき、かかる調整を自動で行うようバイアス調整回路３８を制御してもよい。
【００４４】
［実施例４］
インピーダンス顕微鏡のさらに他の実施例について図７及び図８を用いて説明する。
【００４５】
図７に示すように、インピーダンス顕微鏡１０５は、対向電極１５ａとして針状のプローブ１４ａを含み、これに交流電位信号を入力させる。プローブ１４ａは、第２絶縁性薄膜１２に対して空隙を有し、溶液８中に向けられている。このように空隙があっても交流電位信号はこれを伝搬し、インピーダンス値などによる画像を得ることができる。なお、交流電位信号の経路は、プローブ１４ａの先端から走査に基づき位置を変える物理線１の照射位置に対応する絶縁性低下領域１１ａまでを含むため、傾斜した経路に基づく傾斜画像を得ることになる。
【００４６】
また、図８に示すように、インピーダンス顕微鏡１０６は、対向電極１５ｂとして針状のプローブ１４ａを含み、その先端を溶液８内に突出させて配置されている。すなわち、ホルダ１９内において、第２絶縁性薄膜を取り除いており、これによって第１絶縁性薄膜１１の下方を溶液８で満たしている。この場合においても、インピーダンス顕微鏡１０５の場合と同様に、インピーダンス値による画像を得ることができる。
【００４７】
［実施例５］
インピーダンス顕微鏡のさらに他の実施例について図９を用いて説明する。
【００４８】
図９に示すように、インピーダンス顕微鏡１０７は、対向電極１５ｃとして第２絶縁性薄膜１２の背面（下側面）に沿ってアレイ状に複数の金属パターン電極１４−１〜１４−５を配置している。図示の関係上、金属パターン電極を５つとしているが、実際にはこれより多くしたり、２次元状に広げて配置したりすることもできる。金属パターン電極１４−１〜１４−５のそれぞれには信号出力機３１から異なる周波数成分の交流電位信号が入力される。交流アンプ３２で増幅された交流信号は、バンドパスフィルタ３３で周波数分離され、周波数成分ごとにインピーダンス値や位相による画像を形成させることができる。この画像のそれぞれは、特定の金属パターン電極（例えば１４−１）の位置と物理線１の走査による照射位置との相互角度に基づく傾斜画像となっている。また、このような傾斜画像を金属パターン電極１４−１〜１４−５のそれぞれで得ることができる。つまり、１回の走査でこれら複数の傾斜画像を得ることができる。さらに、これらの複数の傾斜画像を組み合わせることでインピーダンス値の３次元の位置情報を得ることができ、傾斜画像を３次元に再構成することができる。これにより、１回の走査（撮像）で、すなわち非常に短時間で、有機物試料９の３次元構造情報を得て、３次元構造解析を可能とする。
【００４９】
［画像形成結果］
実施例３で示したインピーダンス顕微鏡１０３を用いて、画像を形成させた結果について図１０乃至図１２を用いて説明する。
【００５０】
図１０に示すように、溶液８を水、有機物試料９を５００ｎｍ径のビーズサンプルとして、振幅測定装置３９ｂ及び位相測定装置３９ｃ（図５参照）から得た振幅と位相のそれぞれについて画像を形成させた。例えば、振幅から５０００倍の高精細な画像をクリアに形成させることもできた（図１０（ｂ）参照）。また、振幅からと同様の画像を位相から得ることもできた（図１０（ｃ）参照）。
【００５１】
図１１に示すように、溶液８を水として空気を混合させ、水及び空気の界面近傍の画像を形成させた。上記と同様に、有機物試料９を５００ｎｍ径のビーズサンプルとして、振幅測定装置３９ｂから得た振幅について画像を形成させた。図１１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）中の点線はそれぞれ図１１（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）の視野を示す。ここでは、１００００倍の高精細な画像をクリアに形成させることが確認できた。
【００５２】
図１２に示すように、位相測定装置３９ｃから得た位相についての画像においても同様に１００００倍の高精細なものをクリアに形成させることができた。
【００５３】
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００５４】
１    物理線
８    溶液
９    有機物試料
１１    第１絶縁性薄膜
１２    第２絶縁性薄膜
１３    導電性薄膜
１４    導電性薄膜電極
１５    対向電極
３１    信号出力機
３２    交流アンプ
１００    インピーダンス顕微鏡
【図１】
2019244468.tif 000003
【図２】
2019244468.tif 000004
【図３】
2019244468.tif 000005
【図４】
2019244468.tif 000006
【図５】
2019244468.tif 000007
【図６】
2019244468.tif 000008
【図７】
2019244468.tif 000009
【図８】
2019244468.tif 000010
【図９】
2019244468.tif 000011
【図１０】
2019244468.tif 000012
【図１１】
2019244468.tif 000013
【図１２】
2019244468.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和2年12月7日(2020.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の画像を形成する画像形成方法であって、
対向電極に交流電位信号を印加するステップであり、前記試料が絶縁性薄膜の第１主面と前記対向電極の間に配置される、該ステップと、
前記絶縁性薄膜の第２主面上に配置された導電性薄膜に物理線を照射しつつ走査して局所的に絶縁性が低下した領域を前記絶縁性薄膜に形成するステップと、
前記領域を介して前記導電性薄膜に導かれた前記交流電位信号に応じた出力信号を取得するステップと、
前記出力信号に基づいて前記領域に対応するインピーダンス値を測定するステップと、
前記インピーダンス値に基づいて前記試料の画像を形成するステップと、
を含む、画像形成方法。
【請求項２】
前記対向電極は、第２絶縁性薄膜に沿って設けられた導電性薄膜電極を含み、前記絶縁性薄膜の前記第１主面は前記第２絶縁性薄膜に対向し、
前記交流電位信号は前記導電性薄膜電極に対して印加される、請求項１に記載の画像形成方法。
【請求項３】
前記対向電極は、針状のプローブを含み、
前記交流電位信号は前記プローブに対して印加される、請求項１に記載の画像形成方法。
【請求項４】
前記対向電極に印加される前記交流電位信号は複数の周波数成分を含み、
前記複数の周波数成分を含む前記出力信号に基づいて前記インピーダンス値の周波数スペクトルを生成するステップを更に含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の画像形成方法。
【請求項５】
前記対向電極に前記交流電位信号としてホワイトノイズを印加する、請求項４に記載の画像形成方法。
【請求項６】
前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加するステップを更に含む、請求項１〜５の何れか一項に記載の画像形成方法。
【請求項７】
前記出力信号を取得するために前記物理線の照射によって前記導電性薄膜に導かれた前記交流電位信号から直流成分を除去するステップを更に含む、請求項６に記載の画像形成方法。
【請求項８】
前記対向電極に第２バイアス電圧を印加するステップと、
前記出力信号のＳＮ比が所定値以上になるように前記導電性薄膜に印加される前記バイアス電圧及び前記対向電極に印加される前記第２バイアス電圧を調整するステップと、
を更に含む、請求項６又は７に記載の画像形成方法。
【請求項９】
前記対向電極は、第２絶縁性薄膜の表面にアレイ状に配置された複数の金属パターン電極を含み、
前記出力信号から測定された複数のインピーダンス値に基づいて、前記第２絶縁性薄膜に沿った前記複数の金属パターン電極の各々の位置に応じた異なる角度で撮像された前記試料の複数の画像を生成し、
前記複数の画像に基づいて３次元構造情報を生成する、請求項１に記載の画像形成方法。
【請求項１０】
前記複数の金属パターン電極には、異なる周波数成分を有する複数の交流電位信号がそれぞれ印加され、
前記複数のインピーダンス値を測定するために前記出力信号を前記異なる周波数成分に分離するステップを更に含む、請求項９に記載の画像形成方法。
【請求項１１】
前記インピーダンス値が、レジスタンス、インダクタンス及びコンダクタンスを含み、
前記レジスタンス、前記インダクタンス及び前記コンダクタンスに基づいて、前記試料の画像を個別に形成する、請求項１〜１０の何れか一項に記載の画像形成方法。
【請求項１２】
前記出力信号の位相情報を測定するステップと、
前記位相情報に基づいて前記試料の画像を形成するステップと、
を更に含む、請求項１〜１１の何れか一項に記載の画像形成方法。
【請求項１３】
前記交流電位信号が、前記画像のピクセル総数を前記画像を走査する秒数で割った値以上の周波数を有する、請求項１〜１２の何れか一項に記載の画像形成方法。
【請求項１４】
第１主面及び第２主面を有する絶縁性薄膜と、
前記絶縁性薄膜の前記第１主面と対向する対向電極と、
前記絶縁性薄膜の前記第２主面上に配置された導電性薄膜と、
前記導電性薄膜に物理線を照射しつつ走査して、局所的に絶縁性が低下した領域を前記絶縁性薄膜に形成する物理線照射器と、
前記対向電極に交流電位信号を印加する信号出力機と、
前記領域を介して前記導電性薄膜に導かれた前記交流電位信号に応じた出力信号を取得し、前記出力信号に基づいて前記領域に対応するインピーダンス値を測定するインピーダンス測定装置と、
を備え、
前記インピーダンス値に基づいて画像を形成する、インピーダンス顕微鏡。
【請求項１５】
前記絶縁性薄膜の前記第１主面に対向する第２絶縁性薄膜を更に備え、
前記対向電極は、前記第２絶縁性薄膜に沿って配置された導電性薄膜電極を含み、
前記信号出力機は、前記導電性薄膜電極に前記交流電位信号を印加する、請求項１４に記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１６】
前記対向電極は、針状のプローブを含み、
前記信号出力機は、前記プローブに対して前記交流電位信号を印加する、請求項１４に記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１７】
前記導電性薄膜にバイアス電圧を印加する電源を更に備える、請求項１４〜１６の何れか一項に記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１８】
前記対向電極に第２バイアス電圧を印加する第２電源を更に備える、請求項１７に記載のインピーダンス顕微鏡。
【請求項１９】
前記出力信号のＳＮ比が所定値以上になるように前記導電性薄膜に印加される前記バイアス電圧及び前記対向電極に印加される前記第２バイアス電圧を調整するバイアス調整回路を更に備える、請求項１８に記載のインピーダンス顕微鏡。
【国際調査報告】
2019244468.tif 000015
2019244468.tif 000016
2019244468.tif 000017
2019244468.tif 000018