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JP2017044664A - Liquid atomic force microscope - Google Patents

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JP2017044664A
JP2017044664A JP2015169504A JP2015169504A JP2017044664A JP 2017044664 A JP2017044664 A JP 2017044664A JP 2015169504 A JP2015169504 A JP 2015169504A JP 2015169504 A JP2015169504 A JP 2015169504A JP 2017044664 A JP2017044664 A JP 2017044664A
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剛士 福間
佳甫 宮澤
Kaho Miyazawa
佳甫 宮澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an in-liquid atomic force microscope having improved force detection performance.SOLUTION: An in-liquid atomic force microscope 10 for observing a sample placed in liquid comprises: a cantilever 11 having a probe part 12 at a tip; a displacement measuring part 13 which measures displacement of the cantilever 11 which is caused by interaction force between the sample 20 and a tip of the probe part 12; a feedback control part 14 which performs control of maintaining a distance between the sample 20 and the tip of the probe part 12 at a constant level based on a displacement measured by the displacement measuring part 13; and a thin film 23 which has an opening 23a, and covers a liquid surface of liquid 21, in which the probe part 12 is fixed to the cantilever 11 so as to penetrate the opening 23a and such that only the tip is immersed in the liquid 21 of the probe part 12.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、液体の中に置かれた試料を観測するための液中原子間力顕微鏡に関する。   The present invention relates to an in-liquid atomic force microscope for observing a sample placed in a liquid.

原子間力顕微鏡(以下、AFM(Atomic Force Microscope)ともいう)は、ナノスケールの空間分解能で表面形状や表面物性を測定できる分析技術である。AFMは、試料の導電性を問わず分析が行える点や、液中環境での動作が可能である点などから、特に、固液界面における構造や現象の分析へと応用するための研究開発が盛んに実施されてきた(例えば、特許文献1参照)。   An atomic force microscope (hereinafter also referred to as an AFM (Atomic Force Microscope)) is an analysis technique that can measure surface shapes and surface properties with nanoscale spatial resolution. AFM can be used for analysis of structures and phenomena at the solid-liquid interface, especially because it can be analyzed regardless of the conductivity of the sample, and it can be operated in a liquid environment. It has been actively implemented (see, for example, Patent Document 1).

特開平8−129017号公報JP-A-8-129017

しかしながら、液中AFMでは、カンチレバーを液中に浸漬させていることに起因して、カンチレバーによる力検出性能を低下させる問題が生じる場合があり、液中AFM技術の発展が妨げられている。   However, in the submerged AFM, there is a case where a problem of lowering the force detection performance by the cantilever occurs due to the dipping of the cantilever in the liquid, which hinders the development of the submerged AFM technique.

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、従来よりも力検出性能を向上させた液中原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide an in-liquid atomic force microscope having improved force detection performance as compared with the prior art.

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る液中原子間力顕微鏡は、液体の中に置かれた試料を観察するための液中原子間力顕微鏡であって、先端に探針部を有するカンチレバーと、前記試料と前記探針部の先端との相互作用力による前記カンチレバーの変位を計測する変位計測部と、前記変位計測部で計測された変位に基づいて前記試料と前記探針部の先端との距離を一定に維持する制御を行うフィードバック制御部と、開口部を有し、前記液体の液面を覆う薄膜とを備え、前記探針部は、前記開口部を貫通し、当該探針部の先端だけが前記液体に浸漬するように、前記カンチレバーに固定されている。   In order to achieve the above object, an atomic force microscope in liquid according to an aspect of the present invention is an atomic force microscope in liquid for observing a sample placed in a liquid, and a probe at the tip. A cantilever having a portion, a displacement measuring unit for measuring displacement of the cantilever due to an interaction force between the sample and the tip of the probe unit, and the sample and the probe based on the displacement measured by the displacement measuring unit. A feedback control unit that performs control to maintain a constant distance from the tip of the needle unit, and a thin film that has an opening and covers the liquid surface of the liquid, and the probe unit penetrates the opening. The tip of the probe portion is fixed to the cantilever so that only the tip is immersed in the liquid.

ここで、前記探針部は、前記カンチレバーの先端に接着されたガラスプローブと、前記ガラスプローブの先端に形成された探針とで構成され、前記探針部は、当該探針部のうち、前記探針を含む先端部分だけが前記液体に浸漬するように、前記カンチレバーに固定されていてもよい。   Here, the probe portion is composed of a glass probe bonded to the tip of the cantilever and a probe formed at the tip of the glass probe, and the probe portion is, of the probe portion, The tip of the cantilever may be fixed so that only the tip including the probe is immersed in the liquid.

また、前記薄膜は、窒化シリコンで構成されたメンブレンであってもよい。   The thin film may be a membrane made of silicon nitride.

また、さらに、前記薄膜と前記試料との間に挟まれ、かつ、前記液体に接するスペーサを備えてもよい。   Furthermore, a spacer that is sandwiched between the thin film and the sample and is in contact with the liquid may be provided.

これによれば、液中原子間力顕微鏡は、薄膜により、探針部の先端が液中に浸漬し、かつ、探針部の先端を除く部分が大気中に位置するように配置することができる。よって、液中原子間力顕微鏡は、力検出性能を向上させることができる。このように、従来よりも力検出性能を向上させた液中原子間力顕微鏡が提供される。   According to this, the atomic force microscope in liquid can be arranged by a thin film so that the tip of the probe part is immersed in the liquid and the part other than the tip of the probe part is located in the atmosphere. it can. Therefore, the submerged atomic force microscope can improve the force detection performance. Thus, an in-liquid atomic force microscope with improved force detection performance than before is provided.

本発明により、従来よりも力検出性能を向上させた液中原子間力顕微鏡が提供される。   According to the present invention, an in-liquid atomic force microscope with improved force detection performance than before is provided.

AFMの動作原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the operation principle of AFM. 探針と試料との間に働く相互作用力の説明図である。It is explanatory drawing of the interaction force which acts between a probe and a sample. AFMによる変位検出方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the displacement detection method by AFM. 従来技術における液中AFMの問題点を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the problem of the submerged AFM in a prior art. 従来技術における液中原子間力顕微鏡による変位検出方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the displacement detection method by the atomic force microscope in a liquid in a prior art. 実施の形態における液中原子間力顕微鏡による変位検出方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the displacement detection method by the atomic force microscope in liquid in embodiment. 実施の形態における液中原子間力顕微鏡の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the atomic force microscope in a liquid in embodiment. 実施の形態における液中原子間力顕微鏡の特殊探針を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the special probe of the atomic force microscope in a liquid in embodiment. 実施の形態における液中原子間力顕微鏡により取得されたマイカの液中原子像を示す画像図である。It is an image figure which shows the atomic image in the liquid of the mica acquired by the atomic force microscope in liquid in embodiment.

本発明の実施の形態を説明する前に、上記背景技術で説明した従来技術における問題点を詳細に説明し、その後で、本発明に係る液中原子間力顕微鏡を詳細に説明する。   Before describing the embodiments of the present invention, the problems in the prior art described in the background art will be described in detail, and then the submerged atomic force microscope according to the present invention will be described in detail.

[走査型プローブ顕微鏡の原理]
走査型プローブ顕微鏡(SPM(Scanning Probe Microscope))では、鋭くとがった探針を試料に接近させて、探針と試料との間に働く相互作用(トンネル電流又は相互作用力など)を検出し、この相互作用を一定に保つように探針と試料との間の距離(探針のz位置)をフィードバック制御する。さらに、このフィードバック制御を維持した状態で、探針(または試料)を水平方向(xy方向)に走査すれば、探針(または試料)が試料表面の凹凸に応じて上下する。この探針の上下動の軌跡を水平位置に対して記録すれば試料表面の凹凸像が得られる。
[Principle of scanning probe microscope]
In a scanning probe microscope (SPM (Scanning Probe Microscope)), a sharply sharpened probe is brought close to a sample to detect an interaction (such as a tunnel current or an interaction force) acting between the probe and the sample, The distance between the probe and the sample (z position of the probe) is feedback-controlled so as to keep this interaction constant. Further, when the probe (or sample) is scanned in the horizontal direction (xy direction) while maintaining this feedback control, the probe (or sample) moves up and down according to the unevenness of the sample surface. If the locus of the vertical movement of the probe is recorded with respect to the horizontal position, an uneven image on the sample surface can be obtained.

[原子間力顕微鏡(AFM)]
図1は、AFMの動作原理を示す模式図である。図2は、探針と試料との間に働く相互作用力の説明図である。
[Atomic Force Microscope (AFM)]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the operating principle of the AFM. FIG. 2 is an explanatory diagram of the interaction force acting between the probe and the sample.

原子間力顕微鏡(AFM)は、SPMの一種であり、探針と試料との間に働く相互作用力を検出して、探針と試料との間の距離を一定に保つよう探針のz位置を制御する(図1)。AFMでは、鋭くとがった探針を先端に備えたカンチレバー(片持ち梁)を力検出器として用いる。通常、探針を試料に接近させると、大気中又は真空中では、図2に示したように、まずはファンデアワールス力と静電気力とに起因する引力的相互作用力が働く。そして、探針を試料にさらに接近させると、化学的相互作用力に起因する強い斥力がこれらの力を上回る。AFMでは、探針を試料表面に近づけた時に、探針が受ける引力(または斥力)の変化を一定に保つように探針のz位置をフィードバック制御する。この状態で探針を水平方向に走査することで、前述のとおり、試料表面の凹凸像を得る。   An atomic force microscope (AFM) is a type of SPM that detects the interaction force acting between a probe and a sample and keeps the distance between the probe and the sample constant. The position is controlled (FIG. 1). In AFM, a cantilever (cantilever beam) provided with a sharply pointed tip is used as a force detector. Normally, when a probe is brought close to a sample, an attractive interaction force caused by a van der Waals force and an electrostatic force acts in the atmosphere or in a vacuum as shown in FIG. When the probe is further brought closer to the sample, the strong repulsive force due to the chemical interaction force exceeds these forces. In the AFM, the z position of the probe is feedback-controlled so that the change in attractive force (or repulsive force) applied to the probe when the probe is brought close to the sample surface is kept constant. By scanning the probe in the horizontal direction in this state, an uneven image on the sample surface is obtained as described above.

[AFMの力検出手法の問題(従来技術)]
図3は、AFMによる変位検出方法を示す模式図である。
[Problems of AFM force detection method (prior art)]
FIG. 3 is a schematic diagram showing a displacement detection method by AFM.

AFMは、図3に示すように、カンチレバーの背面に照射したレーザの反射光をフォトダイオードで検出することにより、カンチレバーの変位(たわみ量)から、カンチレバーが探針の先端から受けた相互作用力を計測する。従来、AFMを用いた原子分解能計測は、真空中でのみ達成されていた。しかしながら、近年、力検出器や力検出手法を大幅に改良することにより、高分解能観察が難しいと考えられていた液中環境下における原子分解能AFM観察が可能となった。これにより、固液界面現象をAFMで直接可視化することが可能となり、幅広い研究分野の発展に貢献すると考えられている。しかしながら、液中AFMには、以下のような問題点があり、液中AFM技術の発展を妨げている。   As shown in FIG. 3, the AFM detects the reflected light of the laser irradiated on the back surface of the cantilever with a photodiode, and thereby the interaction force received by the cantilever from the tip of the probe from the displacement (deflection amount) of the cantilever. Measure. Conventionally, atomic resolution measurement using AFM has been achieved only in a vacuum. However, in recent years, by greatly improving force detectors and force detection techniques, it has become possible to perform atomic resolution AFM observation in a liquid environment where high resolution observation is considered difficult. This makes it possible to directly visualize the solid-liquid interface phenomenon with AFM, and is considered to contribute to the development of a wide range of research fields. However, submerged AFM has the following problems, which hinders the development of submerged AFM technology.

(1)AFM計測の安定性の問題
図4は、従来技術における液中AFMの問題点を示す模式図である。
(1) Problem of stability of AFM measurement FIG. 4 is a schematic diagram showing a problem of submerged AFM in the prior art.

液中AFMでは、カンチレバーを液中に浸漬させているので、観察溶液に含まれる不純物(析出物、又は、溶解していない粒子など)がカンチレバーの背面に付着することがある。また、触媒反応や電池の電極反応などのAFM観察においては、図4に示すように、サンプル表面から発生した気泡がカンチレバーに付着することがある。これにより、レーザの反射光が乱反射して、安定なAFM計測が不可能になることがしばしば発生する。このような問題は、液中AFMの観察試料や溶液の適用範囲を狭める要因となる。   In the liquid AFM, since the cantilever is immersed in the liquid, impurities (such as precipitates or undissolved particles) contained in the observation solution may adhere to the back surface of the cantilever. Further, in AFM observation such as catalytic reaction and battery electrode reaction, bubbles generated from the sample surface may adhere to the cantilever as shown in FIG. As a result, the reflected light of the laser is irregularly reflected, and stable AFM measurement often becomes impossible. Such a problem becomes a factor of narrowing the application range of the observation sample of the AFM in liquid and the solution.

(2)レーザ光照射の影響
生体試料や触媒の液中反応では、レーザ光を照射することで反応が発生又は促進するものがある。現状のAFM装置のセットアップでは、レーザ光を用いた力検出手法を用いているので、このレーザ光によって、液中AFM計測中に観察試料が変化してしまうことが問題である。この問題についても、液中AFMの応用範囲を狭める要因となっている。
(2) Influence of laser light irradiation Some reactions in a biological sample or catalyst in liquid are generated or accelerated by laser light irradiation. Since the current AFM apparatus setup uses a force detection method using laser light, there is a problem that the observation sample changes during the AFM measurement in liquid due to the laser light. This problem is also a factor that narrows the application range of AFM in liquid.

(3)電位計測における長距離力の問題
近年、液中AFM技術を応用した計測手法として、液中における試料表面の電位計測技術が開発された。現状では、固液界面の局所的な電位分布(短距離力)を取得するために、実験的に取得した静電気力から、探針先端と試料との間に働く静電気力のみを抜き出す必要がある。そのためには、局所的な構造に依存しない長距離力(主に、カンチレバー全体と試料表面とに働く力)を実験データから差し引く必要があるが、短距離力と長距離力との分離は非常に困難である。
(3) Problem of long-distance force in potential measurement In recent years, a potential measurement technique on the surface of a sample in liquid has been developed as a measurement technique applying the AFM technique in liquid. Currently, in order to obtain the local potential distribution (short-range force) at the solid-liquid interface, it is necessary to extract only the electrostatic force acting between the probe tip and the sample from the experimentally obtained electrostatic force. . For that purpose, it is necessary to subtract the long-range force (mainly the force acting on the whole cantilever and the sample surface) from the experimental data, but the separation of the short-range force and the long-range force is very It is difficult to.

(4)Q値の低下の問題
液中においては、カンチレバーの周辺に水が存在するので、その粘性により、カンチレバーの振動エネルギーの散逸が著しく増大する。それに伴って、カンチレバーの共振のQ値が、大気中と比べて大きく減少する。カンチレバーの最小力検出限界Fminの近似値は、以下の(式1)で与えられる。ここで、kはカンチレバーのバネ定数、kはボルツマン定数、Tは温度、Bは計測帯域、fはカンチレバーの共振周波数である。(式1)より、Q値が減少すると、Fminが増加して、力検出性能が悪化する。液中では、大気中と比べてQ値が100〜1000から1〜10程度に減少するので、力検出性能が大幅に悪化する。
(4) Problem of lowering Q value In the liquid, water exists around the cantilever, and the viscosity of the cantilever greatly increases due to its viscosity. Along with that, the Q value of the resonance of the cantilever is greatly reduced as compared to the atmosphere. An approximate value of the minimum force detection limit F min of the cantilever is given by the following (Equation 1). Here, k is the spring constant of the cantilever, k B is the Boltzmann constant, T is the temperature, B is the measurement band, and f 0 is the resonance frequency of the cantilever. From (Equation 1), when the Q value decreases, F min increases and the force detection performance deteriorates. In the liquid, the Q value is reduced from about 100 to 1000 to about 1 to 10 as compared to the atmosphere, so that the force detection performance is greatly deteriorated.

(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.

[AFMの力検出手法の改良(本発明の技術内容)]
本発明技術では、上記問題を解決するために、薄膜シールド機構を備えた走査型プローブ顕微鏡を提案する。この走査型プローブ顕微鏡について、従来技術と対比して説明する。
[Improved AFM Force Detection Method (Technical Content of the Present Invention)]
In order to solve the above problems, the present invention proposes a scanning probe microscope having a thin film shield mechanism. This scanning probe microscope will be described in comparison with the prior art.

図5は、従来技術における液中原子間力顕微鏡による変位検出方法を示す模式図である。図6は、本実施の形態における液中原子間力顕微鏡による変位検出方法を示す模式図である。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a displacement detection method using a submerged atomic force microscope in the prior art. FIG. 6 is a schematic diagram showing a displacement detection method using an in-liquid atomic force microscope in the present embodiment.

従来技術では、図5に示す通り、カンチレバー全体を観察溶液中に浸漬している。一方、本実施の形態では、カンチレバーと観察試料との間に薄膜を設置して、薄膜に開けた穴から探針の先端のみを観察溶液中に浸漬する。これにより、液中で発生する汚染物や気泡がカンチレバーへ付着することを抑えることができ、安定な液中AFM観察を可能にする。また、光照射や電位計測については、シールド薄膜による遮蔽効果が期待できる。光照射による観察試料表面の影響については、シールド薄膜によって力検出用レーザの観察試料への照射を防止することができる。電位計測においては、金属製のシールド薄膜を用いることにより、カンチレバーと観察試料との間に働く長距離力の影響を遮断することができる。   In the prior art, as shown in FIG. 5, the entire cantilever is immersed in the observation solution. On the other hand, in this embodiment, a thin film is installed between the cantilever and the observation sample, and only the tip of the probe is immersed in the observation solution from the hole formed in the thin film. As a result, it is possible to suppress contaminants and bubbles generated in the liquid from adhering to the cantilever, thereby enabling stable in-liquid AFM observation. Moreover, the shielding effect by a shielding thin film can be expected for light irradiation and potential measurement. Regarding the influence of the observation sample surface by light irradiation, irradiation of the force detection laser to the observation sample can be prevented by the shield thin film. In the potential measurement, the influence of the long-distance force acting between the cantilever and the observation sample can be blocked by using a metallic shield thin film.

さらに、この手法では力検出器を大気中で動作させるため、従来の液中AFM計測で問題となっていたQ値の減少を抑える効果がある。したがって、従来の液中計測よりも力検出感度を向上させることが原理的に可能である。   Furthermore, since the force detector is operated in the atmosphere in this method, there is an effect of suppressing the reduction of the Q value, which has been a problem in the conventional submerged AFM measurement. Therefore, in principle, it is possible to improve the force detection sensitivity as compared with conventional measurement in liquid.

[液中原子間力顕微鏡の構成]
図7は、本実施の形態における液中原子間力顕微鏡10の構成を示すブロック図である。
[Structure of atomic force microscope in liquid]
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the submerged atomic force microscope 10 in the present embodiment.

液中原子間力顕微鏡10は、液体21の中に置かれた試料20を観察するための液中観察用原子間力顕微鏡であって、探針部12を有するカンチレバー11、変位計測部13、フィードバック制御部14、PC(パーソナルコンピュータ)15、XY駆動部16、及び、ステージ17及び試料ホルダ18を備える。なお、本図の左下に示されるように、鉛直上方をZ軸、Z軸に直交する2つの直交軸をX軸及びY軸とする。   The in-liquid atomic force microscope 10 is an in-liquid observation atomic force microscope for observing a sample 20 placed in a liquid 21, and includes a cantilever 11 having a probe unit 12, a displacement measuring unit 13, A feedback control unit 14, a PC (personal computer) 15, an XY drive unit 16, a stage 17 and a sample holder 18 are provided. As shown in the lower left of the figure, the vertical upper direction is defined as the Z axis, and the two orthogonal axes orthogonal to the Z axis are defined as the X axis and the Y axis.

カンチレバー11は、先端に探針部12が接着された片持ち梁であり、試料20と探針部12の先端との相互作用力を検出する力検出器として機能する。   The cantilever 11 is a cantilever having a tip 12 bonded to the tip, and functions as a force detector that detects an interaction force between the sample 20 and the tip of the tip 12.

変位計測部13は、試料20と探針部12の先端との相互作用力によるカンチレバー11の変位を計測する回路であり、図3で示された原理でカンチレバー11のZ軸方向における変位を検出するためのLD(Laser Diode)13a、PD(Photodiode)13b及びプリアンプ13cを有する。つまり、LD13aから出射されたレーザは、カンチレバー11の背面で反射し、反射光となってPD13bに入射し、PD13bでカンチレバー11のZ軸方向における変位を示す電気信号となり、その電気信号がプリアンプ13cで増幅され、フィードバック制御部14に出力される。   The displacement measuring unit 13 is a circuit that measures the displacement of the cantilever 11 due to the interaction force between the sample 20 and the tip of the probe unit 12, and detects the displacement of the cantilever 11 in the Z-axis direction based on the principle shown in FIG. For this purpose, it has an LD (Laser Diode) 13a, a PD (Photodiode) 13b, and a preamplifier 13c. That is, the laser emitted from the LD 13a is reflected by the back surface of the cantilever 11, becomes reflected light and enters the PD 13b, and becomes an electric signal indicating the displacement of the cantilever 11 in the Z-axis direction by the PD 13b, and the electric signal is the preamplifier 13c. And output to the feedback control unit 14.

フィードバック制御部14は、変位計測部13で計測された変位に基づいて試料20と探針部12の先端との距離を一定に維持する制御を行う回路であり、プリアンプ13cから送られてきた電気信号が示すカンチレバー11のZ軸方向における変位を一定に維持するための、ステージ17をZ軸方向に駆動する信号(Z軸駆動信号)を生成し、ステージ17及びPC15に出力する。   The feedback control unit 14 is a circuit that performs control to maintain a constant distance between the sample 20 and the tip of the probe unit 12 based on the displacement measured by the displacement measurement unit 13, and the electric power sent from the preamplifier 13c. A signal for driving the stage 17 in the Z-axis direction (Z-axis drive signal) for maintaining the displacement of the cantilever 11 indicated by the signal in the Z-axis direction constant is generated and output to the stage 17 and the PC 15.

PC15は、試料20をX軸及びY軸方向に走査させるためのXY駆動信号をXY駆動部16に出力するとともに、フィードバック制御部14から送られてくるZ軸駆動信号を受信し、それらXY駆動信号及びZ軸駆動信号に基づいて試料20の表面の凹凸を示す2次元画像を生成して表示する装置である。   The PC 15 outputs an XY drive signal for scanning the sample 20 in the X-axis and Y-axis directions to the XY drive unit 16, and receives a Z-axis drive signal sent from the feedback control unit 14, and drives these XY drives This is a device that generates and displays a two-dimensional image showing the unevenness of the surface of the sample 20 based on the signal and the Z-axis drive signal.

XY駆動部16は、PC15から送られてくるXY駆動信号に従ってステージ17にX軸駆動信号及びY軸駆動信号を出力することでステージ17をX軸方向及びY軸方向に駆動し、これによって、試料20をX軸方向及びY軸方向に走査させる。   The XY drive unit 16 drives the stage 17 in the X-axis direction and the Y-axis direction by outputting the X-axis drive signal and the Y-axis drive signal to the stage 17 in accordance with the XY drive signal sent from the PC 15, thereby The sample 20 is scanned in the X-axis direction and the Y-axis direction.

ステージ17は、フィードバック制御部14から送られてくるZ軸駆動信号、及び、XY駆動部16から送られてくるX軸駆動信号及びY軸駆動信号に従って、上部に載置された試料ホルダ18をX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に移動させることで、探針部12の先端に対して試料20を相対的にX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に移動させるピエゾ素子等からなるスキャナである。   The stage 17 moves the sample holder 18 placed thereon according to the Z-axis drive signal sent from the feedback control unit 14 and the X-axis drive signal and Y-axis drive signal sent from the XY drive unit 16. By moving in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, a piezo element that moves the sample 20 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction relative to the tip of the probe unit 12 This is a scanner.

試料ホルダ18は、液体21の中に置かれた試料20を保持する装置であり、容器24、試料20、液体21、スペーサ22、及び、薄膜23で構成される。容器24には液体21が満たされ、その中に試料20が置かれ、液体21の液面には、開口部23aを有する薄膜23が設けられている。この開口部23aにより、探針部12は、開口部23aを貫通し、探針部12の先端だけが液体21に浸漬することが可能になる。また、薄膜23と試料20との間に挟まれた位置には、液体21と接するスペーサ22が設けられている。スペーサ22は、例えば、液体21の液面と接する薄膜23の面に蒸着された金で構成される。   The sample holder 18 is a device that holds the sample 20 placed in the liquid 21, and includes a container 24, a sample 20, a liquid 21, a spacer 22, and a thin film 23. The container 24 is filled with the liquid 21, and the sample 20 is placed therein, and a thin film 23 having an opening 23a is provided on the liquid surface of the liquid 21. The opening 23 a allows the probe unit 12 to penetrate the opening 23 a, and only the tip of the probe unit 12 can be immersed in the liquid 21. A spacer 22 in contact with the liquid 21 is provided at a position sandwiched between the thin film 23 and the sample 20. The spacer 22 is made of, for example, gold deposited on the surface of the thin film 23 in contact with the liquid surface of the liquid 21.

なお、液中原子間力顕微鏡10は、探針と試料との間の相互作用力によって生じるカンチレバー11の変位から、探針と試料との間の相互作用力を検出するタイプのスタティックモードAFMだけに限られず、カンチレバー11をその共振周波数近傍の周波数で機械的に振動させながら試料に対して水平方向に走査した際の、探針と試料との間の相互作用力によって生じる振動振幅、周波数又は位相の変化から探針と試料との間の相互作用力を検出するダイナミックモードAFMであってもよい。また、フィードバック制御部14は、ステージ17をZ軸方向に駆動する代わりに、探針部12をZ軸方向に変位させてもよい。   The submerged atomic force microscope 10 is only a static mode AFM of a type that detects the interaction force between the probe and the sample from the displacement of the cantilever 11 caused by the interaction force between the probe and the sample. The vibration amplitude, frequency, or frequency generated by the interaction force between the probe and the sample when the cantilever 11 is scanned in the horizontal direction with respect to the sample while mechanically vibrating the cantilever 11 at a frequency near the resonance frequency is not limited thereto. It may be a dynamic mode AFM that detects an interaction force between the probe and the sample from a change in phase. Further, the feedback control unit 14 may displace the probe unit 12 in the Z-axis direction instead of driving the stage 17 in the Z-axis direction.

[本発明の新規性]
探針先端部分のみを液中に浸漬させて、力検出器を大気中で動作させる手法は、既にチューニングフォーク又はコリブリセンサと呼ばれる技術で実現されている。しかしながら、力検出器と観察試料との間に薄膜を設置して、力検出器を液中から分離する手法は、これまでに報告されていない。
[Novelty of the present invention]
A technique for immersing only the tip of the probe in the liquid and operating the force detector in the atmosphere has already been realized by a technique called a tuning fork or a colibri sensor. However, a method for separating a force detector from a liquid by installing a thin film between the force detector and an observation sample has not been reported so far.

チューニングフォークは、液中に浸漬させる探針の長さを精密に制御しておらず、AFM実験ごとにQ値が大きく変動する。一方で、本手法では、金属薄膜と観察試料との間のスペーサの高さを制御することにより、水膜の厚さを精密に制御することが可能であり、実験環境の再現性を容易に得ることができる。   The tuning fork does not precisely control the length of the probe immersed in the liquid, and the Q value varies greatly for each AFM experiment. On the other hand, with this method, it is possible to precisely control the thickness of the water film by controlling the height of the spacer between the metal thin film and the observation sample, facilitating the reproducibility of the experimental environment. Can be obtained.

コリブリセンサは、液中環境下においてもQ値が6000以上あり、液中に浸漬させる探針の長さが常に一定であるのでQ値の変動もない。しかしながら、Q値と同様にバネ定数も非常に高く、探針を試料に接触させた段階で、試料が破壊されてしまう恐れがある。一方で、本発明技術は、バネ定数をこれまでの一般的なAFMカンチレバーと同程度に保つことが可能であり、バイオサンプル等の比較的柔らかい試料の液中AFM観察に応用することが可能である。   The colibri sensor has a Q value of 6000 or more even in a liquid environment, and since the length of the probe immersed in the liquid is always constant, the Q value does not vary. However, as with the Q value, the spring constant is very high, and there is a risk that the sample will be destroyed when the probe is brought into contact with the sample. On the other hand, the technique of the present invention can maintain the spring constant at the same level as that of a conventional AFM cantilever, and can be applied to AFM observation of a relatively soft sample such as a biosample. is there.

また、コリブリセンサは、(式1)よりQ値の上昇がバネ定数の上昇で相殺されて、力検出性能が従来のAFM計測と比較してあまり向上しない。一方で、本発明技術は、カンチレバーを大気中で動作させることでQ値の上昇が望めるだけではなく、バネ定数を従来と同程度に保つことができるので、(式1)より力検出性能を向上させることができる。   Further, in the colibri sensor, the increase in the Q value is offset by the increase in the spring constant from (Equation 1), and the force detection performance is not so improved as compared with the conventional AFM measurement. On the other hand, the technique of the present invention not only can expect an increase in the Q value by operating the cantilever in the atmosphere, but also can maintain the spring constant at the same level as the conventional one. Can be improved.

[探針部の詳細な構造]
図8は、本実施の形態における液中原子間力顕微鏡の特殊探針を示す模式図である。図8は、具体的には、図7におけるカンチレバー11の先端に接着された探針部12の詳細な構造を示す図である。
[Detailed structure of probe section]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a special probe of an in-liquid atomic force microscope in the present embodiment. Specifically, FIG. 8 is a diagram showing a detailed structure of the probe portion 12 bonded to the tip of the cantilever 11 in FIG.

図8に示されるように、カンチレバー11の先端に、長さ100〜200μm程度のガラスプローブ12aが接着され、さらにガラスプローブ12aの先端に電子線堆積(EBD(Electron Beam Induced Deposition))による探針12bが形成されている。つまり、探針部12は、ガラスプローブ12aと探針12bとを有している。そして、探針部12は、探針部12のうち、探針12bを含む先端部分(例えば、探針部12の先端から50μm程度の部分)だけが液体21に浸漬するように、カンチレバー11に固定されている。   As shown in FIG. 8, a glass probe 12a having a length of about 100 to 200 μm is adhered to the tip of the cantilever 11, and a probe by electron beam deposition (EBD (Electron Beam Induced Deposition)) is further attached to the tip of the glass probe 12a. 12b is formed. That is, the probe unit 12 includes a glass probe 12a and a probe 12b. Then, the probe unit 12 is attached to the cantilever 11 so that only a tip portion (for example, a portion of about 50 μm from the tip of the probe unit 12) including the probe 12b of the probe unit 12 is immersed in the liquid 21. It is fixed.

[観察例(マイカ/リン酸緩衝溶液界面のAFM観察)]
本観察例では、薄膜シールド機構を用いてマイカ/リン酸緩衝溶液界面の液中AFM観察を行った。マイカの劈開面は、セロハンテープ等で容易に劈開することが可能であり、AFM観察直前に原子レベルで平坦かつ清浄な表面を取得することができる。また、マイカ表面は親水的であり、なおかつ純水中で溶解・成長しないので、液中AFM計測のモデルとしてよく用いられている系である。この計測結果を基に、薄膜シールド機構を用いた時の、液中AFM計測の安定性や、Q値の上昇について検証を行った。
[Observation example (AFM observation of mica / phosphate buffer solution interface)]
In this observation example, AFM observation of the mica / phosphate buffer solution interface was performed using a thin film shield mechanism. The cleaved surface of mica can be easily cleaved with a cellophane tape or the like, and a flat and clean surface at the atomic level can be obtained immediately before AFM observation. Further, since the mica surface is hydrophilic and does not dissolve or grow in pure water, it is a system often used as a model for in-liquid AFM measurement. Based on this measurement result, the stability of the AFM measurement in liquid when using the thin film shield mechanism and the increase in the Q value were verified.

薄膜シールド機構は、電子顕微鏡のウインドウとして用いられている窒化シリコン(Si)メンブレンを使用した。開口部23aは、50μm四方程度とした。 The thin film shield mechanism used a silicon nitride (Si 3 N 4 ) membrane used as an electron microscope window. The opening 23a was about 50 μm square.

一般的に、電子顕微鏡用メンブレンウインドは、Siウェハ上にSi薄膜を20〜500nm堆積し、Siウェハ中央部分のみをエッチングすることで作製されている。このメンブレンは、電子顕微鏡のイメージングに耐えるために、比較的高い耐熱性や機械的強度を有するので、今回のシールド機構に用いた場合にも、水の圧力に耐える十分な耐久性があると考えられる。このメンブレンの底部に金のマスク蒸着により、スペーサを作製し、メンブレンと観察試料との間の空間を形成した。メンブレンの側面に余分な観察溶液を接触させておくことで、観察溶液がメンブレンの穴から蒸発しても、常に側面からスペーサの間を通して観察溶液が補充され、AFM観察中に溶液環境を維持し続けることが可能である。 In general, a membrane window for an electron microscope is manufactured by depositing a Si 3 N 4 thin film to a thickness of 20 to 500 nm on a Si wafer and etching only the central portion of the Si wafer. Since this membrane has relatively high heat resistance and mechanical strength to withstand imaging with an electron microscope, it is considered durable enough to withstand water pressure even when used in the shield mechanism of this time. It is done. Spacers were formed on the bottom of the membrane by gold mask vapor deposition to form a space between the membrane and the observation sample. By keeping extra observation solution in contact with the side of the membrane, even if the observation solution evaporates from the hole in the membrane, the observation solution is always replenished through the space between the side and the solution environment is maintained during AFM observation. It is possible to continue.

今回は、スペーサ22の厚さを50μm程度にしたので、汎用的なカンチレバーの探針の長さ(10μm)では、カンチレバーが試料表面にアプローチする際にメンブレンに接触してしまう恐れがあった。そのため、カンチレバー先端をガラスプローブ(長さ:150μm)で延長した特殊探針を使用した(図8)。   In this case, since the thickness of the spacer 22 is about 50 μm, there is a possibility that the cantilever may come into contact with the membrane when approaching the sample surface with the length of the probe of the general cantilever (10 μm). Therefore, a special probe having a cantilever tip extended with a glass probe (length: 150 μm) was used (FIG. 8).

図9は、本実施の形態における液中原子間力顕微鏡10により取得されたマイカの液中原子像を示す画像図である。   FIG. 9 is an image diagram showing an in-liquid atomic image of mica obtained by the in-liquid atomic force microscope 10 according to the present embodiment.

図9より、マイカの結晶構造を反映した周期構造が、液中AFM像に再現していることが分かる。本観察例では、液中AFM計測を3時間程度連続して行ったが、観察溶液が乾燥することはなく、長時間安定してイメージングを行うことができた。また、Q値が15〜30程度に上昇し、従来の液中観察よりも2倍以上向上させることに成功した。Q値は、今回用いたガラスプローブの長さを短くしたり、メンブレン底部に形成したスペーサの高さを低くして水膜の厚さを薄くしたりすることにより、さらに上昇させることができると予想される。   FIG. 9 shows that the periodic structure reflecting the crystal structure of mica is reproduced in the in-liquid AFM image. In this observation example, in-liquid AFM measurement was continuously performed for about 3 hours, but the observation solution was not dried, and imaging could be performed stably for a long time. Further, the Q value increased to about 15 to 30, and succeeded in improving it by more than twice as compared with conventional observation in liquid. The Q value can be further increased by shortening the length of the glass probe used this time, or by reducing the height of the spacer formed on the bottom of the membrane to reduce the thickness of the water film. is expected.

以上の実験結果から、本実施の形態における液中原子間力顕微鏡10により、原子スケールでのAFM観察が可能であることが実証された。これにより、不純物を多く含む溶液環境中、又は、気泡発生環境下などの過酷条件下における液中AFM観察が可能となる。また、レーザ光又は電界の影響を、シールド薄膜で遮蔽することが可能である。   From the above experimental results, it was proved that AFM observation on an atomic scale is possible with the atomic force microscope 10 in liquid according to the present embodiment. As a result, in-solution AFM observation can be performed in a solution environment containing a large amount of impurities or in severe conditions such as in a bubble generation environment. Further, it is possible to shield the influence of laser light or electric field with a shield thin film.

したがって、従来の手法では不可能だった観察試料の液中AFM観察が可能となり、液中AFM計測技術を幅広い分野に応用させることができる。さらに、大気中で力検出器を動作させることにより、従来の手法よりもQ値を向上させて、力検出性能を向上させることが可能である。これらのことから、本計測手法は、今後の固液界面研究を前進させる技術であり、非常に大きな進歩性を有する。   Therefore, it is possible to observe in-liquid AFM of an observation sample that was impossible with the conventional method, and the in-liquid AFM measurement technique can be applied to a wide range of fields. Furthermore, by operating the force detector in the atmosphere, it is possible to improve the Q value over the conventional method and improve the force detection performance. From these facts, this measurement technique is a technology that advances the solid-liquid interface research in the future, and has a very large inventive step.

[まとめ]
液中原子間力顕微鏡(AFM)では、カンチレバー全体を液中に浸漬する構成が一般的である。しかし、それによりカンチレバーのQ値が大幅に低下するだけでなく、応用上もいくつかの問題がある。たとえば、触媒反応や電極反応により気体が発生した場合に、カンチレバーに付着して安定に計測できない。また、探針と試料との間にバイアス電圧を印加した場合には、カンチレバーと試料との間に大きな静電気力が印加される。
[Summary]
In an atomic force microscope (AFM) in liquid, a configuration in which the entire cantilever is immersed in liquid is common. However, this not only greatly reduces the Q value of the cantilever, but also has some problems in application. For example, when gas is generated by a catalytic reaction or an electrode reaction, it cannot be stably measured because it adheres to the cantilever. When a bias voltage is applied between the probe and the sample, a large electrostatic force is applied between the cantilever and the sample.

本実施の形態における液中原子間力顕微鏡は、これらの問題を解決するために薄膜シールド機構を備える。この構成では、電子顕微鏡用に開発されたSiメンブレンに、50μm程度の穴を集束イオンビーム(FIB)により形成し、その穴を通して探針先端のみを液中に浸漬させて、AFM観察を行う。 The in-liquid atomic force microscope in the present embodiment includes a thin film shield mechanism in order to solve these problems. In this configuration, a hole of about 50 μm is formed on the Si 3 N 4 membrane developed for an electron microscope using a focused ion beam (FIB), and only the tip of the probe is immersed in the liquid through the hole, and AFM observation is performed. I do.

当初は、メンブレンと試料のギャップを、メンブレンをサポートするフレーム部に形成した金薄膜の厚さ(約500nm)により調節する予定であった。しかし、メンブレンの厚さが500nm程度と探針長(約15μm)よりも十分短いにもかかわらず、密閉された溶液によってメンブレンが上に押し上げられるために、それがカンチレバーに接触する問題が生じた。   Initially, the gap between the membrane and the sample was planned to be adjusted by the thickness (about 500 nm) of the gold thin film formed on the frame portion supporting the membrane. However, even though the thickness of the membrane is about 500 nm, which is sufficiently shorter than the probe length (about 15 μm), the membrane is pushed up by the sealed solution, which causes a problem of contact with the cantilever. .

この問題を解決するために、我々は、カンチレバー先端に、長さ100〜200μm程度のガラスプローブを接着し、さらにその先端に電子線堆積(EBD)探針を形成した(図8)。これを用いることで、探針のみを浸漬した状態で安定にマイカ表面の原子分解能観察を行うことに成功した。探針が液中に浸漬した段階で、Q値が20〜50程度まで低下してしまうので、あまり大きな力感度の向上は得られなかった。しかし、気体発生環境下での計測の安定化や、カンチレバーと試料との間に働く静電気力の抑制などの効果は十分に期待できる。   In order to solve this problem, we bonded a glass probe having a length of about 100 to 200 μm to the tip of the cantilever, and further formed an electron beam deposition (EBD) probe on the tip (FIG. 8). By using this, we succeeded in observing the atomic resolution of the mica surface stably with only the probe immersed. When the probe is immersed in the liquid, the Q value decreases to about 20 to 50, so that a large improvement in force sensitivity cannot be obtained. However, effects such as stabilization of measurement in a gas generation environment and suppression of electrostatic force acting between the cantilever and the sample can be sufficiently expected.

以上、本発明に係る液中原子間力顕微鏡について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。   As described above, the atomic force microscope in liquid according to the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to this embodiment. Without departing from the gist of the present invention, various modifications conceived by those skilled in the art have been made in the present embodiment, and other forms constructed by combining some components in the embodiment are also within the scope of the present invention. Contained within.

本発明は、従来よりも力検出性能を向上させた液中原子間力顕微鏡に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an in-liquid atomic force microscope with improved force detection performance than before.

10 液中原子間力顕微鏡
11 カンチレバー
12 探針部
12a ガラスプローブ
12b 探針
13 変位計測部
13a LD
13b PD
13c プリアンプ
14 フィードバック制御部
15 PC
16 XY駆動部
17 ステージ
18 試料ホルダ
20 試料
21 液体
22 スペーサ
23 薄膜
23a 開口部
24 容器
10 In-liquid atomic force microscope 11 Cantilever 12 Probe unit 12a Glass probe 12b Probe 13 Displacement measurement unit 13a LD
13b PD
13c Preamplifier 14 Feedback control unit 15 PC
16 XY drive unit 17 stage 18 sample holder 20 sample 21 liquid 22 spacer 23 thin film 23a opening 24 container

Claims (4)

液体の中に置かれた試料を観察するための液中原子間力顕微鏡であって、
先端に探針部を有するカンチレバーと、
前記試料と前記探針部の先端との相互作用力による前記カンチレバーの変位を計測する変位計測部と、
前記変位計測部で計測された変位に基づいて前記試料と前記探針部の先端との距離を一定に維持する制御を行うフィードバック制御部と、
開口部を有し、前記液体の液面を覆う薄膜とを備え、
前記探針部は、前記開口部を貫通し、当該探針部の先端だけが前記液体に浸漬するように、前記カンチレバーに固定されている
液中原子間力顕微鏡。
A submerged atomic force microscope for observing a sample placed in a liquid,
A cantilever having a probe at the tip;
A displacement measuring unit that measures the displacement of the cantilever due to the interaction force between the sample and the tip of the probe unit;
A feedback control unit that performs control to maintain a constant distance between the sample and the tip of the probe unit based on the displacement measured by the displacement measurement unit;
A thin film having an opening and covering the liquid surface of the liquid,
The probe unit is fixed to the cantilever so as to penetrate the opening and only the tip of the probe unit is immersed in the liquid.
前記探針部は、前記カンチレバーの先端に接着されたガラスプローブと、前記ガラスプローブの先端に形成された探針とで構成され、
前記探針部は、当該探針部のうち、前記探針を含む先端部分だけが前記液体に浸漬するように、前記カンチレバーに固定されている
請求項1に記載の液中原子間力顕微鏡。
The probe portion is composed of a glass probe bonded to the tip of the cantilever and a probe formed at the tip of the glass probe,
The submerged atomic force microscope according to claim 1, wherein the probe unit is fixed to the cantilever so that only a tip portion including the probe is immersed in the liquid.
前記薄膜は、窒化シリコンで構成されたメンブレンである
請求項1又は2に記載の液中原子間力顕微鏡。
The submerged atomic force microscope according to claim 1, wherein the thin film is a membrane made of silicon nitride.
さらに、前記薄膜と前記試料との間に挟まれ、かつ、前記液体に接するスペーサを備える
請求項1〜3のいずれか1項に記載の液中原子間力顕微鏡。
The submerged atomic force microscope according to claim 1, further comprising a spacer sandwiched between the thin film and the sample and in contact with the liquid.
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