分析の原理 24

電子顕微鏡②走査型プローブ顕微鏡の原理と応用
大田昌弘（株式会社島津製作所）

1. はじめに

2. 走査型プローブ顕微鏡の原理

走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Micro-

一般的な SPM では、カンチレバーと呼ばれるscope：SPM）は走査型トンネル顕微鏡（Scanning

小さな片持ち梁を使用し、その反りや振動を検出

Tunneling Microscope：STM ）や原子間力顕して試料形状や表面物性を観察する。

微 鏡（Atomic Force Microscope：AFM）に 代

典型的な SPM の基本構成を 図２に示す。通常、表される、微小な針（探針：プローブ）で試料をSPM では探針が先端に形成されたカンチレバーなぞって、その形状や性質を観察することができを使用し、探針と試料との間に働く微小な力：原る新しい顕微鏡の総称である。探針先端を試料表子間力によるカンチレバーの反りや振動の変化を、面に近づけ、試料 ‐ 探針間の力学的・電磁気的カンチレバーに照射したレーザー光により感度良相互作用を検出しながら走査することで、試料表く検出する。カンチレバー背面に焦点をむすんだ面の拡大像や物性の情報を得ることができる（図レーザー光の反射光は、ミラーを経てフォトディ１）。SPM は、1980 年代に発明された新しい装置テクターへ入射する。フォトディテクターは二分である。従来の光学顕微鏡や電子顕微鏡と異なり、割または四分割されており、カンチレバーの変位

撮像自体にはビームやレンズを使用しないが、一（たわみ）により変化する反射光の角度を、各ディ定の条件と試料に対して原子・分子レベルの分解テクターの入射光の相対値として検出する。これ能を持ち、拡大能力では透過型電子顕微鏡に並ぶ。

は光てこ法と呼ばれ、文字通り光の反射方向が梃

また、真空環境を必ずしも必要とせず、大気中や子のように拡大されることを利用した方式で、高溶液中で使用できるのも大きな特長である。さら性能 AFM の定石手法となっている。このようにに最近では、表面観察だけでなく、試料表面の各してカンチレバーの動きを監視しつつ、一方、カ

種物性を画像化することができるようになってき

ンチレバー・試料のいずれかは、ピエゾ素子等をており、ナノテクノロジー研究に必須の顕微鏡装用いたスキャナにより三次元的に精密走査・制御置として一層の応用の拡がりが期待されている。

される。
これらの検出および制御はいずれも原子・分子レベルの分解能（サブナノメートル以下）を実現するのに十分な性能が達成されている。

図１ SPM の概要

図２ SPM の基本構成

JAIMA SEASON 2013 Summer

3一般に、カンチレバーは試料表面：XY 平面上着力（メニスカスフォース）の影響を受け、横にを走査しつつ、反りが一定になるように試料から引きずり線のようなノイズが入った画像が得られの距離：Z（高さ）をフィードバック制御する（コる場合がある。また、動きやすい試料、柔らかいンタクトモード）。あるいは、振動の変化が一定表面の撮像には不向きである。になるように、やはり Z 軸を制御する（ダイナダイナミックモードでは、カンチレバーに縦方ミックモード）。走査のそれぞれの位置（X，Y向の励振を加え、共振周波数付近で振動させる。

座標）に対応した Z 軸のフィードバック量（ス

この状態で探針が試料に接近すると振幅が変化すキャナへの出力電圧）を計算機に取り込み、三次る。この現象を利用して振動振幅が一定になるよ

元画像として再生処理することにより、試料表面うにフィードバック制御を行なう。走査時に探針の三次元凹凸像（試料表面の形状観察像）を得る

が試料を引っかくことが少ないため、動きやすいことができる。凹凸像は、濃淡表示や疑似カラー試料や吸着性のある試料に向いている。また、ダ表示、三次元鳥瞰図で表現され、画像解析処理（オイナミックモード用カンチレバーはコンタクトフラインソフトウェア）で、任意の断面形状を解モード用と比べて硬い（バネ定数が大きい）ため、析したり、面の粗さ解析を行なったりすることが静電気等の影響も受けにくいとされている。最近できる。

ではダイナミックモードが SPM の標準的なモー

SPM の観察モードにはいくつかの種類があるドとなっている。

が、大きくは、コンタクトモード（DC モード）と、多くの市販 SPM 装置では、基本となる形状観ダイナミックモード（共振モード、AC モード）察と同時に、電流や電位、硬さや粘弾性といったに分類される。両モードの比較を、表 1 に示す。

試料表面の物性を反映した信号の画像を取得する

表１ SPM の概要

ことができ、各種の SPM 手法が利用できるようになっている。本稿ではそれらの詳細は省略する
1)
が、興味のある方は各文献を参照頂きたい 。

3. 走査型プローブ顕微鏡の応用
SPM は以下のような幅広い分野で使用されており、その応用例は非常に多くある 2)。
・ 金属、半導体、セラミックス、ガラスなどの工業材料の表面観察、粗さの精密測定
コンタクトモードでは、カンチレバーを試料表面に近づけた際の静的な原子間力を検出する。試料 ‐ 探針間の微小な斥力によってカンチレバーがたわむ。
その斥力が一定、すなわちカンチレバーのたわみ（反り具合）が一定になるようにフィードバック制御を行ない、そのフィードバック量を計算機に取り込み、表面の凹凸を画像化する。原

4・ 液晶、高分子、樹脂、結晶、触媒、LB 膜などの観察
・ 生体膜、微生物、細菌、細胞、タンパク質、DNA など生体試料の観察、検査・ 潤滑膜、摩耗表面、腐食面、破断面などの観察、
実験
・ 雰囲気ガス中、加熱冷却、湿度制御、化学反応

理的にシンプルであり、従来は SPM で最も標準中などのリアルタイム観察的に用いられたモードである。しかし、大気中で

図３に、SPM による高分解能観察例を示す。(a)は、探針が試料表面の吸着水膜（コンタミ層）にはマイカ（白雲母）へき開面をコンタクトモード浸かっている状態で走査していることが多い。こで観察した例であり、表面の結晶構造を反映したのため、カンチレバーは試料からの斥力以外に凝格子周期が観察されている。マイカはへき開しや

JAIMA SEASON 2013 Summer

すく、容易に原子的平坦面を得られることから、SPM は発明からまだ四半世紀しか経っていな

SPM で原子分解能観察が可能である。(b) は環状いが、その手法の進歩、応用の拡がりには目を見のプラスミド DNA を大気中、ダイナミックモー張るものがある。これからも SPM は、「ものをドで観察した例である。このプラスミド DNA は拡大して見る」という基本的な科学・工学的手段

約 3000 塩基対からなり、画像上から計測されるを飛躍させる可能性のある装置として、幅広い技

約 1μm の周囲長は、X 線回折等による解析から術や理論を巻き込んで、さらに発展を続けていく

良く知られている基本単位長（0.34 nm/ 塩基対）ことが期待される。

3)からの計算した値と良く一致する 。
◉参考文献
1) 例えば、「ナノテクノロジーのための走査型プローブ顕微鏡」日本表面科学会編2) その他の応用例については、以下を参照
http://www.shimadzu.co.jp/surface/products/sol/sp̲
index.html（SPM 資料室）
http://www.shimadzu.com/products/lab/surface/spmd.html（SPM Data Room）
3) 島津アプリケーションニュース No.D9
図３ SPM による高分解能観察例(a) マイカへき開面 (4 n m x 4 nm)(b) プラスミド DNA (1.5μm x 1.5μm)（C147-3018：上記 SPM 資料室にて閲覧可）

JAIMA SEASON 2013 Summer5