JP5627472B2 - Cantilever holder and scanning probe microscope having the same - Google Patents
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Description
本発明は、先端に探針を有するカンチレバーを振動させながらサンプルに近接又は接触させて形状観察や物性測定を行う走査型プローブ顕微鏡に関し、特にそのカンチレバーホルダに関するものである。 The present invention relates to a scanning probe microscope that performs shape observation and physical property measurement by oscillating a cantilever having a probe at the tip while bringing the cantilever close to or in contact with a sample, and particularly relates to the cantilever holder.
従来の走査型プローブ顕微鏡では、先端に探針を有するカンチレバーを使用して、サンプル上を3軸微動機構によりスキャンすることで、サンプル表面の形状像や物性の測定が行われている。走査型プローブ顕微鏡において探針先端とサンプル間の距離制御を行う方式はコンタクト方式と振動方式に大別される。 In a conventional scanning probe microscope, a cantilever having a probe at the tip is used to scan the sample with a triaxial fine movement mechanism, thereby measuring the shape image and physical properties of the sample surface. In the scanning probe microscope, the method of controlling the distance between the probe tip and the sample is roughly classified into a contact method and a vibration method.
振動方式の走査型プローブ顕微鏡は、以下のような原理によって測定が行われる。カンチレバーを圧電素子などにより1次の共振周波数近傍で加振しカンチレバーの振幅や位相を計測しながらサンプルと探針を近づけると両者間に原子間力などの物理的な力や間欠的な接触力が作用する。この力により、カンチレバーの振幅や位相または共振周波数が変化する。これらの変化量は、サンプルと探針間の距離に依存するため、カンチレバーの振幅や位相または共振周波数の変化量が常に一定になるように、サンプルと探針間の距離を3軸微動機構に備わっている垂直方向微動機構で制御することで高さ方向の距離制御が行われる。さらに3軸微動機構に備わっている水平方向微動機構によりサンプルと探針を相対的にサンプル面内で走査し、垂直方向微動機構の変位量をサンプルの高さ情報に対応させることでサンプル表面の形状像を測定することが出来る。また、サンプルと探針間に働く電磁気的な信号による電気特性や磁気特性、探針の押し込みまたは引っ張りあるいは走査を行った際の探針とサンプル間の摩擦力などによる機械的物性、サンプル表面に発生させた近接場光と探針先端との相互作用による光学特性などの物性測定も可能である。振動方式の距離制御方法は、探針がサンプルに及ぼす力がコンタクトモードより低く、サンプルや探針先端への損傷を少ない状態で測定できるという利点がある。 The vibration-type scanning probe microscope performs measurement according to the following principle. When a cantilever is vibrated in the vicinity of the primary resonance frequency with a piezoelectric element, the amplitude and phase of the cantilever are measured and the sample and probe are brought close to each other, a physical force such as an atomic force or an intermittent contact force is generated between the two. Works. This force changes the amplitude and phase of the cantilever or the resonance frequency. Since these changes depend on the distance between the sample and the probe, the distance between the sample and the probe is adjusted to a triaxial fine movement mechanism so that the change in the amplitude, phase, or resonance frequency of the cantilever is always constant. The distance in the height direction is controlled by controlling with the vertical fine movement mechanism provided. Furthermore, the sample and the probe are scanned relatively in the sample plane by the horizontal fine adjustment mechanism provided in the three-axis fine adjustment mechanism, and the displacement amount of the vertical fine adjustment mechanism is made to correspond to the height information of the sample. A shape image can be measured. In addition, electrical and magnetic properties due to electromagnetic signals acting between the sample and the probe, mechanical properties due to friction between the probe and the sample when the probe is pushed or pulled or scanned, etc. It is also possible to measure physical properties such as optical characteristics due to the interaction between the generated near-field light and the probe tip. The vibration-type distance control method has an advantage that the force exerted on the sample by the probe is lower than that in the contact mode, and measurement can be performed with little damage to the sample and the tip of the probe.
走査型プローブ顕微鏡では一般に行われている大気環境下での測定のほか、溶液中でも測定を行えるという利点がある。溶液中では表面が軟らかいサンプルが多く、サンプルへの損傷を防止する為に振動方式で測定が行われる場合が多い。 The scanning probe microscope has an advantage that it can be measured in a solution in addition to the measurement in a general atmospheric environment. In solution, there are many samples with a soft surface, and measurement is often performed by a vibration method in order to prevent damage to the sample.
また、サンプルの腐食防止や、実環境下でのサンプルの反応調査を目的としてサンプルと探針を密封空間に配置して、さまざまなガス環境下で測定を行うこともある。 In addition, in order to prevent sample corrosion or to investigate the reaction of the sample in the actual environment, the sample and the probe are arranged in a sealed space, and measurement may be performed in various gas environments.
ここで特許文献1により溶液中で使用される従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を説明する。図13は特許文献1に開示される従来の走査型プローブ顕微鏡の概観図である。図13では、ガラスベースブロック134に圧電素子104を介してカンチレバー固定部105を接着固定し、カンチレバー固定部105に固定されたカンチレバー106を圧電素子104によりカンチレバーの共振周波数近傍で強制振動させる。カンチレバーの振幅は、光てこ方式の変位検出機構108により測定が行われる。変位検出機構108は半導体レーザ113からレーザ光を出射し、ビームスプリッタ114で光路を曲げて、ガラスベースブロック134を透過させてカンチレバー106の背面に照射し、反射光がガラスベースブロック134を透過した後、ミラー115で光路を曲げて4分割フォトディテクタ116によりカンチレバーの変位検出を行う構成である。
Here, the configuration of a conventional scanning probe microscope used in a solution is described in Patent Document 1. FIG. 13 is an overview of a conventional scanning probe microscope disclosed in Patent Document 1. In FIG. In FIG. 13, the
サンプル137はシャーレ136の底面に固定され、シャーレ136は円筒型圧電素子により構成される3軸微動機構118に載せられてサンプル137がスキャンされる。シャーレ136内には溶液が入れられており、サンプル137は溶液に浸された状態である。この状態でサンプル137と探針106aを近づけていくと、ガラスベースブロック134の突起部135が液面に接し、探針106aが溶液に浸され、探針とサンプルが間欠的に接触し、両者の距離に応じてカンチレバーの振幅が変化する。このとき3軸微動機構118の垂直方向微動機構によりカンチレバーの振幅が一定となるように距離制御を行いながら、3軸微動機構の水平方向微動機構でラスタスキャンを行うことで溶液中におけるサンプルの形状像の測定が行われる。この従来技術では、カンチレバー固定部105がダイレクトに圧電素子104に固定されているため、溶液により粘性抵抗を受けてもカンチレバーを効率的に振動させることができる。
The
また、特許文献2には、図14に示されるように、ガラス製ホルダ215の先端にカンチレバー210を取付け、ホルダ215のカンチレバー210が取り付いている側の逆側の基部に圧電素子217を配し、ホルダ215に振動伝播させてカンチレバーを強制振動させる溶液用のカンチレバーホルダの構造が記載されている。
In
しかしながら、上記した特許文献1記載の技術の場合、サンプルを浸漬した溶液側に圧電素子が配置され、圧電素子を溶液に浸漬して測定を行うため、以下の問題がある。つまり、圧電素子をシリコーン等のモールド剤で被覆しても、サンプルを浸漬する溶液の種類によってはモールド剤が溶けて圧電素子での不具合の発生、あるいは、モールド剤が溶液に混入してサンプルの変質が生じる可能性がある。また、圧電素子の電極が溶液に触れてしまい電極の短絡や腐食の発生、あるいは、サンプルが電気化学反応により変質してしまう場合がある。さらに、圧電素子を接着している接着剤も溶けて圧電素子が剥がれてしまう。また有機溶媒などを使用した場合には、モールド剤が膨潤してしまう場合もあり、光てこの光路が遮られる場合もある。 However, in the case of the technique described in Patent Document 1 described above, since the piezoelectric element is arranged on the solution side in which the sample is immersed and measurement is performed by immersing the piezoelectric element in the solution, there are the following problems. In other words, even if the piezoelectric element is coated with a molding agent such as silicone, depending on the type of solution in which the sample is immersed, the molding agent dissolves and a failure occurs in the piezoelectric element, or the molding agent is mixed into the solution and the sample Alteration may occur. In addition, the electrode of the piezoelectric element may come into contact with the solution, causing a short circuit or corrosion of the electrode, or the sample may be altered by an electrochemical reaction. Further, the adhesive that bonds the piezoelectric element also melts and the piezoelectric element is peeled off. When an organic solvent or the like is used, the molding agent may swell and the light path of the light lever may be blocked.
また、特許文献2記載の技術の場合、溶液によって圧電素子に不具合が生じる問題は少ないが、ホルダ全体を介して振動を伝播させるため、振動伝達効率が悪くカンチレバーの振幅が小さくなってしまい測定感度を低下させる問題があった。また、カンチレバーの振幅を大きくするためには圧電素子に印加する電圧を大きくして圧電素子の振幅を大きくする必要があるが、このときにはカンチレバー以外のホルダに搭載された各種測定部品や溶液も大きく振動し、カンチレバーの共振以外の振動ピークが発生しノイズが多くなり微小な信号の変動を捉えられずノイズが増加してしまう問題があった。また、測定時にカンチレバーの共振ピークの判別が困難となってしまうこともあった。
Further, in the case of the technique described in
また、密封空間に探針とサンプルを配置する場合にも溶液中での測定と同じようにガスで圧電素子の電極など変質してしまう問題があった。 Further, when the probe and the sample are arranged in the sealed space, there is a problem that the electrodes of the piezoelectric element are deteriorated by the gas as in the measurement in the solution.
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、様々な環境下で使用可能で、カンチレバーを効率的に加振可能にしたカンチレバーホルダ及びそれを備えて測定精度を向上させた走査型プローブ顕微鏡の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and cantilever holders that can be used in various environments and that can efficiently vibrate cantilevers, and scanning with improved cantilever holders. An object is to provide a scanning probe microscope.
上記の目的を達成するために、本発明では、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダを以下のように構成した。 In order to achieve the above object, in the present invention, a cantilever holder for a scanning probe microscope is configured as follows.
本発明の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダは、カンチレバーを一端部に保持可能なカンチレバー保持部と、前記カンチレバー保持部のカンチレバーを保持する側と反対の端部が固定される第一のベース部と、前記カンチレバー保持部を通過可能な貫通穴と、前記第一のベース部の外周部の少なくとも一部を掛止することで当該第一のベース部を保持する保持部と、を有する第二のベース部と、前記第一のベース部の前記カンチレバー保持部の固定側と反対側に載置された圧電素子と、前記圧電素子に対して前記第一のベース部との接触面方向に予圧を掛けることによって前記第一のベース部に当該圧電素子を密着固定させる圧電素子固定部材と、を備える。 Cantilever holder for scanning probe microscope of the present invention, a first base and a cantilever holding portion capable of holding one end of the cantilever, the end opposite to the side to hold the cantilever of the cantilever holding portion is fixed And a through hole that can pass through the cantilever holding portion, and a holding portion that holds the first base portion by hooking at least a part of the outer peripheral portion of the first base portion . Two base portions, a piezoelectric element placed on the opposite side of the cantilever holding portion of the first base portion to the fixed side, and a contact surface direction of the first base portion with respect to the piezoelectric element A piezoelectric element fixing member that tightly fixes the piezoelectric element to the first base portion by applying a preload .
また、本発明では前記圧電素子が、前記第一のベース部の縁部に圧電素子の片面を接触させ、反対側の面から予圧を掛けて固定されるようにした。この場合、前記圧電素子はリング型の形状であることが好ましい。さらに前記圧電素子の前記第一のベース部との接触側または反対側の少なくとも一方の面に弾性体を介して予圧を掛けるようにした。 According to the present invention, the piezoelectric element is fixed by applying a preload from the opposite surface, with one surface of the piezoelectric element contacting the edge of the first base portion. In this case, it is preferable that the piezoelectric element has a ring shape. Furthermore, a preload is applied to at least one surface of the piezoelectric element on the side in contact with or opposite to the first base portion via an elastic body.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダは、カンチレバーを一端部に保持可能なカンチレバー保持部と、前記カンチレバー保持部のカンチレバーを保持する側と反対の端部が固定される第一のベース部と、前記カンチレバー保持部を通過可能な貫通穴と、前記第一のベース部の外周部の少なくとも一部を掛止することで当該第一のベース部を保持する保持部と、を有する第二のベース部と、前記第一のベース部の前記カンチレバー保持部の固定側と反対側に載置された圧電素子と、前記圧電素子の前記第一のベース部に載置された一端部と反対の端部に固定され、前記第一のベース部の質量と前記カンチレバー保持部の質量の合計質量よりも重い質量を持つ部材と、を備える。 Moreover, cantilever holder for scanning probe microscope of the present invention, the first in which the cantilever holding portion capable of holding one end of the cantilever, the end opposite to the side to hold the cantilever of the cantilever holding portion is fixed A base part, a through hole that can pass through the cantilever holding part, and a holding part that holds the first base part by hooking at least a part of the outer peripheral part of the first base part. A second base portion, a piezoelectric element placed on the opposite side of the first base portion to the fixed side of the cantilever holding portion, and one end placed on the first base portion of the piezoelectric element parts and is fixed to the end opposite, and a member having a heavier mass than the total mass of the mass of said first base portion of the mass and the cantilever holding portion.
さらに、本発明では、前記圧電素子に積層型または板状の圧電素子を使用した。 Furthermore, in the present invention, a laminated or plate-like piezoelectric element is used as the piezoelectric element.
また、前記第一のベース部が200nm以上2500nm以下のうち任意の範囲の波長の光を透過可能な材料で構成するようにした。 Further, the first base portion is made of a material capable of transmitting light having a wavelength in an arbitrary range of 200 nm to 2500 nm.
また、前記カンチレバー保持部に保持される前記カンチレバー周辺が溶液中に浸されるように構成した。 In addition, the periphery of the cantilever held by the cantilever holding portion is configured to be immersed in the solution.
さらに、前記カンチレバー保持部側と前記圧電素子側が前記第一のベース部で遮断されて前記カンチレバー保持部側が大気と異なる環境下に配置されるように構成した。 Further, the cantilever holding part side and the piezoelectric element side are blocked by the first base part, and the cantilever holding part side is arranged in an environment different from the atmosphere.
さらに本発明では、前記溶液に浸される空間内に対極および参照極として機能する2つの電極を配置し、さらにサンプルまたはカンチレバーの少なくとも一方を作用極として機能させる電極を設けた。 Furthermore, in the present invention, two electrodes functioning as a counter electrode and a reference electrode are disposed in the space immersed in the solution, and an electrode for functioning at least one of the sample and the cantilever as a working electrode is provided.
さらに前記カンチレバー保持部またはカンチレバーの対向側に配置されるサンプルが載置されるサンプルホルダを、加熱または冷却する機能を設けた。 Furthermore, the function which heats or cools the sample holder in which the sample arrange | positioned at the said cantilever holding | maintenance part or the cantilever opposing side was mounted was provided.
以上のように走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダを構成することで、圧電素子が溶液やガス環境下に直接配置されることがないので、モールド剤の溶解や膨潤がなく、また圧電素子の電極の腐食や接着の剥離も防止される。そのため、溶液やガスの種類を問わず様々な環境下で走査型プローブ顕微鏡の測定を行うことが可能となる。 By constructing a cantilever holder for a scanning probe microscope as described above, the piezoelectric element is not directly placed in a solution or gas environment, so that there is no dissolution or swelling of the molding agent, and the electrodes of the piezoelectric element Corrosion and adhesion peeling are also prevented. Therefore, measurement with a scanning probe microscope can be performed under various environments regardless of the type of solution or gas.
また、本発明では、圧電素子を第一のベース部に予圧を掛けて固定したり、圧電素子の末端側に第一のベース部の質量とカンチレバー保持部の質量の合計質量よりも重い部材を固定するようにすることで、カンチレバーを効率的に加振可能することができ測定精度が向上する。 In the present invention, the piezoelectric element is fixed by applying a preload to the first base part, or a member heavier than the total mass of the first base part and the cantilever holding part is provided on the terminal side of the piezoelectric element. By fixing, the cantilever can be vibrated efficiently and the measurement accuracy is improved.
さらに本発明では圧電素子を第一のベース部の縁部に圧電素子の片面を接触させ、反対側の面から予圧を掛けて固定されるようにしたので、均一に予圧が掛けられて第一のベース部が破損するのが防止される。さらに圧電素子の第一のベース部への接触側または反対側の少なくとも一方の面に弾性体を介して予圧を掛けることで第一のベース部の破損がさらに防止されるとともに加振効率も向上する。 Further, according to the present invention, the piezoelectric element is fixed by applying one side of the piezoelectric element to the edge of the first base portion and applying a preload from the opposite surface. It is possible to prevent the base portion of the battery from being damaged. Furthermore, preload is applied to the first base part of the piezoelectric element on the side opposite to or opposite to the first base part via an elastic body to further prevent damage to the first base part and improve excitation efficiency. To do.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明の実施形態においては、すべて振動方式の走査型プローブ顕微鏡の機能を有するものである。なお、以下の説明では本発明に関係する部分を記載してあり、走査型プローブ顕微鏡の公知の構成で本発明に関係のない部分の図面と説明の一部は省略している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiments of the present invention, all have the function of a vibration type scanning probe microscope. In the following description, portions related to the present invention are described, and a part of drawings and descriptions of portions that are not related to the present invention in a known configuration of a scanning probe microscope are omitted.
<第1の実施形態>
図1は本発明の第1の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図、図2は図1で使用するカンチレバーホルダ部の平面図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of a scanning probe microscope according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a cantilever holder used in FIG.
図1の走査型プローブ顕微鏡1は、末端がベースに固定された円筒型圧電素子により構成されて水平方向微動機構2aと垂直方向微動機構2bの機能を有する3軸微動機構2と、3軸微動機構2の先端に固定されたサンプルステージ3と、ユニットの筐体部4と、カンチレバー5の変位検出を行うために前記筐体部4に設置される変位検出機構6と、前記筐体4に固定されるカンチレバーホルダ7から構成される。
A scanning probe microscope 1 in FIG. 1 includes a three-axis
変位検出機構6は変位検出機構の筐体8内に、半導体レーザ9とビームスプリッタ10と全反射ミラー11、4分割フォトディテクタ12、プリアンプ(図示せず)が配置されており、半導体レーザ9から出射したレーザ光23をビームスプリッタ10で曲げ、後述するカンチレバー5の背面に直上から照射し、カンチレバー5の背面で反射した光を全反射ミラー11で曲げて、4分割フォトディテクタ12に入射させて、光てこ方式によりカンチレバー5のたわみ方向と長軸周りのねじれ変位を検出する。
In the
図1及び図2に記載されるカンチレバーホルダ7は、先端に探針5aを有し末端に基端部5bを有するシリコーンで一体成型されたカンチレバー5を固定するために使用される。カンチレバーホルダ7は、カンチレバー保持部13と、カンチレバー保持部13を固定する第一のベース部14と、第一のベース部14が保持される第二のベース部15と、カンチレバー5を加振するための圧電素子16により構成される。
The
カンチレバー保持部13は、石英ガラスから構成された直径12mm、長さ5mmの円柱状部材の先端13aを平面状に研磨し先端の一部を平面に対して10度の角度で斜めに加工して傾斜平面部13bを設け、該傾斜平面部13bにカンチレバーの基端部5bを固定するように構成される。カンチレバー5の固定は、カンチレバー保持部13に切欠き13cを設け、該切欠き部13cにU字型に加工された板バネ17の一端を嵌め込み、他端でカンチレバーの基端部5bを前記傾斜平面部13bに押し付けて固定するようにした。
The
第一のベース部14は石英ガラスから構成され、直径が30mmで厚さが3mmでカンチレバー保持部13の直径よりも一回り大きな円板状で、第一のベース部14の両面は研磨されている。カンチレバー保持部13の末端13dはこの第一のベース部14の平面部14aに中心軸を一致させて融着される。したがって。カンチレバー保持部13に対して第一のベース部14がフランジとなっており融着された接合面は屈折率が一定で一体的に構成される。
The
第二のベース部15はチタン製の材料で構成されており、上面視正方形の板状で一辺の長さが60mm厚さ6mmである。中心には直径20mmの貫通穴15aが設けられて、第一のベース部14の直径とほぼ同一の外周で3mmの深さまで切削され中心の貫通穴15aまで突出した保持部15bを設け、この保持部15bに第一のベース部14が係合される。
The
圧電素子16は一辺が5mmの正方形のピエゾの薄膜と同サイズの電極を5mmの長さまで交互に積層させた積層型圧電素子が用いられる。この圧電素子16の先端16aを第一のベース部14のカンチレバー保持部13が固定される面に対して裏側の面14bで、概ねカンチレバー保持部13の傾斜平面部13bの延長線の位置に接触させて配置される。積層型圧電素子の他端16bは板バネ18に接しており、板バネ18の両端は第二のベース部15にネジ19でネジ止め固定される。このとき板バネ18に曲げを発生させて弾性変形させることで積層型圧電素子16に予圧が掛けられ第一のベース部14に圧力を掛ける状態で固定される。
The
積層型圧電素子16の電極は駆動電源(図示せず)に接続されて駆動電源から交流電圧を印加することで第一のベース部14が加振される。
The electrodes of the multilayer
第一のベース部14と第二のベース部15は接着などされずに係合されているだけであり積層型圧電素子16を介した板バネ18の予圧のみで固定されている。
The
なお、積層型圧電素子16の両端は接着せずに板バネ18の予圧のみで固定したが、両端またはどちらか一方を接着固定したうえで予圧を掛けてもよい。
The both ends of the laminated
本実施形態は大気中での測定のほか、液中でも測定可能であり、液中で測定を行う場合には図1のように3軸微動機構2の先端に固定されたサンプルステージ3にシャーレ20を載せてシャーレ20の底面にサンプル21を配置し溶液22を入れて、カンチレバー保持部の先端13aに溶液を接触させて溶液中22にカンチレバー5を浸して測定が行われる。
In the present embodiment, measurement can be performed not only in the atmosphere but also in the liquid. When measurement is performed in the liquid, the
カンチレバーホルダ7の直上には変位検出機構6が配置され、ビームスプリッタ10ーで曲げられたレーザ光23は、一体となって構成されている第一のベース部14とカンチレバー保持部13の概ね中心軸に沿って入射し、溶液中22を通りカンチレバー5の背面で反射して再びカンチレバー保持部13と第一のベース部14を通り全反射ミラー11で曲げられて4分割のフォトディテクタ12に入射させることでカンチレバー6の変位が検出される。このとき、溶液22とカンチレバー保持部の先端13aが接触しているのでレーザ光23が液面で散乱することなく入射することができる。なお、前述した積層型圧電素子16や板バネ18はレーザの光路を阻害しない位置に配置されている。
The
本実施形態ではレーザ光23の波長として670nmの半導体レーザを使用したが、半導体サンプルや蛍光サンプルのようにサンプルが光で反応して変質してしまう場合もあるため、測定条件に合わせて任意の波長の光源が使用可能である。また、変位検出機構6の直上に光学顕微鏡24を配置してカンチレバー5やサンプル21の観察や分光分析などを行う場合がある。したがって、第一のベース部14とカンチレバー保持部13の少なくとも変位検出機構6のレーザ光23や、光学顕微鏡24から照射される光が透過する部分は、これらの波長特性に合わせて、200nm以上2500nm以下の波長うち任意の範囲の光を透過可能な材料で構成される。
In this embodiment, a semiconductor laser having a wavelength of 670 nm is used as the wavelength of the
以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡1を使用してカンチレバー5を一次の共振周波数近傍で加振しながら振幅の減衰が一定となるように探針5aとサンプル21間の距離を垂直方向微動機構2bでフィードバック制御し、探針5aとサンプル21を水平方
向微動機構2aによりラスタスキャンすることで溶液中22でのサンプル21の形状や各種の物性のマッピング像が測定することができる。また、ポイントごとの物性測定なども可能となる。
Using the scanning probe microscope 1 configured as described above, the distance between the probe 5a and the sample 21 is set in the vertical direction so that the amplitude attenuation is constant while the cantilever 5 is vibrated in the vicinity of the primary resonance frequency. By performing feedback control with the fine movement mechanism 2b and raster scanning the probe 5a and the sample 21 with the horizontal
本実施形態では、カンチレバー加振用の圧電素子16を第一のベース部14のカンチレバー保持部13が固定される面に対して裏側の面14bに配置しているため、圧電素子16を溶液22の外に配置することができ、溶液22による接着やモールド剤のはがれや膨潤、電極の腐食や電流のリークなどを防止することができ、純水のみならず、有機溶媒など溶液のさまざまな溶液を使用することができる。
In the present embodiment, the
特に、本発明では、積層型圧電素子16の先端16aを第一のベース部14に、他端16bを板バネ18に接触させて、板バネ18の両端は第二のベース部15にネジ19でネジ止め固定し、板バネ18に曲げを発生させて弾性変形させることで積層型圧電素子16に予圧が掛けられ第一のベース部14に圧力が掛かった状態で固定するようにしたため、予圧を掛けずに第一のベース部14に積層型圧電素子16を固定した場合に比べて、第一のベース部14とカンチレバー保持部13を介してカンチレバー5を効率的に加振することができ測定精度が向上する。
In particular, in the present invention, the
特に本実施形態のように粘性抵抗の掛かる溶液中でカンチレバーを加振させる場合でもカンチレバーの振幅が大きくなり振幅信号のノイズに対する比率が増大し低ノイズで感度のよい測定を行うことが可能となる。 In particular, even when the cantilever is vibrated in a solution with viscous resistance as in this embodiment, the amplitude of the cantilever increases and the ratio of the amplitude signal to the noise increases, making it possible to perform low noise and high sensitivity measurement. .
また、圧電素子の振幅が小さい状態でもカンチレバーの加振振幅を確保できるため、圧電素子の振幅を大きくしたときに発生していたホルダに搭載されたカンチレバー以外の各種測定部品や溶液が大きく振動し、カンチレバーの共振以外の振動ピークが発生してノイズが増加し、測定時にカンチレバーの共振ピークの判別が困難になることや測定データ自体のノイズレベルが多くなることなどの問題も回避できる。 In addition, since the excitation amplitude of the cantilever can be secured even when the amplitude of the piezoelectric element is small, various measurement parts and solutions other than the cantilever mounted on the holder that was generated when the amplitude of the piezoelectric element was increased vibrated greatly. Further, vibration peaks other than resonance of the cantilever are generated and noise is increased, so that problems such as difficulty in determining the resonance peak of the cantilever during measurement and an increase in noise level of the measurement data itself can be avoided.
<第2の実施形態>
図3は本発明の第2の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図、図4は図3で使用するカンチレバーホルダ部の平面図である。
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a schematic view showing the overall configuration of a scanning probe microscope according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view of a cantilever holder used in FIG.
本実施形態では、カンチレバーホルダ30以外の構成は第1の実施形態と同一であるため、同一の部材には同一の番号を付し詳細な説明は省略する。
In this embodiment, since the configuration other than the
また、図3の走査型プローブ顕微鏡35で使用されるカンチレバーホルダ30はカンチレバー保持部13、第一のベース部14、第二のベース部15はネジ穴の位置を除き第1の実施形態と同一の部材を使用している。これらの部材についても同一の番号を付し詳細な説明は第1の実施形態での説明に委ねる。
Further, the
図3、図4に示した第2の実施形態では、カンチレバー加振用の圧電素子31としてドーナツ型の単板の圧電素子を使用している。この圧電素子31は外径22mm、内径16mm、厚さ2ミリで厚み方向にポーリング処理がなされており両面31a、31bにそれぞれ電極が設けられた構造である。
In the second embodiment shown in FIGS. 3 and 4, a donut-shaped single-plate piezoelectric element is used as the
この圧電素子31は、一方の面31aが第一のベース部14のカンチレバー保持部13が固定される面14aと反対の面14bの周囲に配置され、外径60mm、内径15mm、厚さ4mmのリング型で一方の面に直径30mmで深さ1.5mmの溝32aを設けたステンレス製の圧電素子固定部材32を使用して、溝32a部分に圧電素子31の他方の面31bを接触させて、第二のベース部15に圧電素子固定部材32の周囲4箇所をネジ33でネジ止め固定される。
The
このとき第二のベース部15と圧電素子固定部材32の間34には0.5mmの隙間ができているため、ネジ止めすることで予圧が掛かり、圧電素子31が第一のベース部14に圧力を掛けた状態で固定される。
At this time, since a gap of 0.5 mm is formed between the
本実施形態でも第一の実施形態と同様に、圧電素子31を溶液22の外に配置することができ、溶液22による接着のはがれやモールド剤のはがれや膨潤、電極の腐食や電流のリークなどを防止することができ、純水のみならず、有機溶媒などさまざまな溶液を使用することができる。また、第一のベース部14とカンチレバー保持部13を介してカンチレバーを効率的に加振することができ測定精度が向上する。
In this embodiment as well as the first embodiment, the
また、本発明では円板状の圧電素子31を使用しているため変位検出機構6のレーザ光23や顕微鏡24の光路の邪魔をすることなく圧電素子31を配置することが可能となる。
In the present invention, since the disk-shaped
<第3の実施形態>
図5は本発明の第3の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図、図6は図5で使用するカンチレバーホルダ部の平面図である。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a schematic view showing the overall configuration of a scanning probe microscope according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a plan view of a cantilever holder used in FIG.
本実施形態でも、カンチレバーホルダ40以外の構成は第1の実施形態と同一であるため、同一の部材には同一の番号を付し詳細な説明は省略する。
Also in this embodiment, since the configuration other than the
また、図5の走査型プローブ顕微鏡45で使用されるカンチレバーホルダ40もカンチレバー保持部13、第一のベース部14、第二のベース部15はネジ穴の位置を除き第1の実施形態と同一の部材を使用している。これらの部材についても同一の番号を付し、詳細な説明は第1の実施形態での説明に委ねる。
Further, the
図5、図6に示した第3の実施形態のカンチレバーホルダ40では、第一のベース部14は周囲を4箇所の爪41でシリコーンゴム42を介して第二のベース部15にネジ固定される。
In the
また、カンチレバー加振用の圧電素子16として第1の実施形態と同様の一辺が5mmの正方形のピエゾの薄膜と同サイズの電極を5mmの長さまで積層させた積層型圧電素子が用いられる。この圧電素子16の先端16aを第一のベース部14のカンチレバー保持部13が固定される面14aに対して裏側の面14bで、概ねカンチレバー保持部13の傾斜平面部13bの延長線の位置に接着固定される。このため積層型圧電素子16が溶液中22に浸かることがない。また、積層型圧電素子16の他端16bには黄銅製で、縦25mm、横12mm、厚さ20mmのブロック43が接着固定される。このときブロック43の質量は約52gとなる。一方、第一のベース部14とカンチレバー保持部13の合計の質量は約6gとなる。このように、圧電素子16の末端側に第一のベース部14の質量とカンチレバー保持部13の質量の合計質量よりも重い黄銅製のブロック43を固定することで第一のベース部を効率的に加振させることができ測定精度が向上する。
Further, as the cantilever oscillating
このとき、第一のベース部14の質量とカンチレバー保持部13の質量の合計質量に対して、ブロック43の質量が重ければ重いほど加振効果は向上する。
At this time, the greater the mass of the
<第4の実施形態>
図7は第4の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡及び密封型のカンチレバーホルダの概観図。図8は図7の走査型プローブ顕微鏡で使用される密封型のカンチレバーホルダの平面図である。
<Fourth Embodiment>
FIG. 7 is a schematic view of a scanning probe microscope and a sealed cantilever holder according to a fourth embodiment. FIG. 8 is a plan view of a sealed cantilever holder used in the scanning probe microscope of FIG.
本実施形態でも、密封型のカンチレバーホルダ50以外の構成は第1の実施形態と同一であるため、同一の部材には同一の番号を付し詳細な説明は省略する。
Also in this embodiment, since the configuration other than the sealed
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡66で使用されるカンチレバーホルダ50は、カンチレバー5とサンプル21を密封空間51内に備え、密封空間51内には溶液やガスなどが入れられており、サンプル21を実環境下に近い状態で観察することが可能であり、揮発性の有機溶媒を使用する場合などにも用いられる。
The
図7、図8の密封型のカンチレバーホルダ50では、カンチレバー保持部52と、カンチレバー保持部52を固定する第一のベース部53と、第一のベース部53が保持される第二のベース部54と、カンチレバー5を加振するため圧電素子55、密封空間を形成するテフロン(登録商標)のメンブレンフィルム56、メンブレンフィルム56を保持するための第三のベース部57、内側サンプルホルダ部58により構成される。
In the sealed
カンチレバー保持部52は、石英ガラスから構成された直径12mm、長さ5mmの円柱状部材の先端52aを平面状に研磨し先端52aの一部を平面に対して10度の角度で斜めに加工して傾斜平面部52bを設け、傾斜平面部52bにカンチレバーの基端部5bを固定するように構成される。カンチレバー5の固定は、カンチレバー保持部52に切欠き52cを設け、切欠き部52bにU字型に加工された板バネ17の一端を嵌め込み、他端でカンチレバーの基端部5bを前記傾斜平面部52bに押し付けて固定するようにした。
The
第一のベース部53は石英ガラスから構成され、直径が30mmで厚さが3mmでカンチレバー保持部52の直径よりも一回り大きな円板状で、第一のベース部53の両面53a,53bは研磨されている。カンチレバー保持部の末端52dは、この第一のベース部53の平面部53aに中心軸を一致させて融着される。したがって。カンチレバー保持部52に対して第一のベース部53がフランジとなっており融着された接合面52dは屈折率が一定で一体的に構成される。
The
第二のベース部54は耐薬品性の強いポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(PEEK)製の材料で構成されており、上面視正方形の板状で一辺の長さが60mm厚さ6mmである。中心には直径20mmの貫通穴54aが設けられて、第一のベース部53の直径とほぼ同一の外周で3mmの深さまで切削され、中心の貫通穴54aまで突出した保持部54bを設け、この保持部54bにフッ素樹脂製のOリング65を介して、第一のベース部53が係合される。
The
この圧電素子55は外径22mm、内径16mmの薄膜状のピエゾと電極を厚さ4ミリまで交互に積層したリング型の積層型圧電素子が用いられる。
The
この圧電素子55は、一方の面55aが第一のベース部53の周囲に配置され、外径60mm、内径15mm、厚さ4mmのリング型で一方の面に直径30mmで深さ3.5mmの溝59aを設けたステンレス製の圧電素子固定部材59を使用して、溝部分59aに圧電素子55の他方の面55bを接触させて、第二のベース部54に圧電素子固定部材59の周囲4箇所をネジ60でネジ止め固定される。
The
このとき第二のベース部54と圧電素子固定部材59の間61には0.5mmの隙間ができているため、ネジ止めすることで、圧電素子55に予圧が掛けられ第一のベース部53に圧力を掛けた状態で固定される。
At this time, a gap of 0.5 mm is formed between the
また、圧電素子55を介した予圧により第一のベース部53と第二のベース部54の間のOリング65も潰されて、両者の間がOリング65により封止される。
Further, the O-
また、外径が60mm、内径が30mm、厚さが3mmのリング型の第3のベース57上に、密封空間を作るためのテフロン(登録商標)製のメンブレンフィルム56の周囲を載せて、その上にOリング62を載せて、第二のベース部54と第三のベース部57で挟み込んでネジ止め固定し隙間を封止する。
Further, on the ring-shaped
メンブレンフィルム56の中心付近には内側サンプルホルダ58を設け、メンブレンフィルム56を内側サンプルホルダ58と3微動機構先端のサンプルホルダ3で挟み込み、3微動機構の動作2に合わせて内側サンプルステージ58が動作するようにする。
An inner sample holder 58 is provided near the center of the
なお、メンブレンフィルム56は柔らかいので3軸微動機構2の動きを阻害することはない。
In addition, since the
そして、第三のベース部57を走査型プローブ顕微鏡の筐体部4に固定することによりカンチレバーホルダ50が固定される。
And the
このように密封型のカンチレバーホルダ50を構成することで、第一のベース部53、第二のベース部54、メンブレンフィルム56で囲まれた領域51に密封空間を確保することができ、密封空間51内にカンチレバー5とサンプル21が配置される。
By configuring the sealed
密封空間51内に溶液やガスを注入する場合には、カンチレバーホルダ50の前面に設けた注入口63からポンプやシリンジなどにより注入する。
When a solution or gas is injected into the sealed
またカンチレバーホルダ50の前面には排出口64も設けられており溶液やガスの排気の他、循環を行うことも可能である。密封状態にする場合にはこれらの注入口63や排出口64を封止する。
Further, a
このように構成された密封型のカンチレバーホルダ50を使用して、積層型圧電素子55の電極を駆動電源(図示せず)に接続し駆動電源から交流電圧を印加することで第一のベース部53が加振され、カンチレバー保持部52を介してカンチレバー5が加振される。
Using the sealed
以上のように構成された走査型プローブ顕微鏡を使用してカンチレバー5を共振周波数近傍で加振しながら振幅の減衰が一定となるように探針5aとサンプル21間の距離を垂直方向微動機構2bでフィードバック制御し、探針5aとサンプル21を水平方向微動機構5bによりラスタスキャンすることで溶液中でのサンプル21の形状や各種の物性のマッピング像を測定することができる。また、特定のポイントごとの物性測定なども可能となる。
Using the scanning probe microscope configured as described above, the distance between the probe 5a and the sample 21 is set so that the attenuation of the amplitude is constant while the cantilever 5 is vibrated in the vicinity of the resonance frequency. Feedback control and raster scanning of the probe 5a and the sample 21 by the horizontal
本実施形態では、カンチレバー加振用の圧電素子55を第一のベース部53のカンチレバー保持部52が固定される面53aに対して裏側の面53bに配置しているため、圧電素子55を密封空間外に配置することができ、圧電素子の接着やモールド剤のはがれや膨潤、電極の腐食や電流のリークなどを防止することができ、純水のみならず、有機溶媒や腐食性のガス、窒素雰囲気などさまざまな環境下で走査型プローブ顕微鏡の測定を行うことができる。
In the present embodiment, the
特に、本発明では、積層型圧電素子55に予圧が掛けられ第一のベース部53に圧力が掛かった状態で固定するようにしたため、予圧を掛けずに第一のベース部53に積層型圧電素子を固定した場合に比べて、第一のベース部53を介してカンチレバー5を効率的に加振することができ測定精度が向上する。
In particular, in the present invention, since the preload is applied to the multilayer
<第5の実施形態>
図9は本発明の第5の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図、図10は図9で使用するカンチレバーホルダ部の平面図である。
<Fifth Embodiment>
FIG. 9 is a schematic view showing the overall configuration of a scanning probe microscope according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a plan view of a cantilever holder used in FIG.
本実施形態では、リング型の弾性体70以外は図3、図4にて説明した第2の実施形態と同じ構成であるので、同一の部材には同一の番号を付し詳細な説明は省略する。
In the present embodiment, since the configuration is the same as that of the second embodiment described with reference to FIGS. 3 and 4 except for the ring-shaped
第一のベース部14はガラスでできているため予圧を掛けた際の応力集中が起きるとガラスの割れが発生しやすい。特に応力を掛けた状態で圧電素子を振動させると、さらに割れが発生しやすくなる。特に第一のベース部の共振周波数と一致するとガラスが割れる可能性が大きい。
Since the
第2の実施形態や第5の実施形態のように円板型の第一のベース部14の固定端に近い縁部にリング型の圧電素子31の一方の面31aを第一のベース部14に接触させて配置し、反対側の面31b側から圧電素子固定部材32により第一のベース部14に固定することで均一に予圧がかかり応力集中が抑制されるためガラスの割れが発生しづらくなる。
As in the second and fifth embodiments, one
また、第5の実施形態では圧電素子31の一方の面31bと圧電素子固定部材32の間に厚さ0.5mmで内径と外形がリング型の圧電素子と同一形状の弾性体をはさみ圧電素子固定部材32により予圧を掛けるようにした。このように構成することでより均一に予圧がかかるようになりガラスの割れが発生しづらくなる。また圧電素子31に印加する単位電圧あたりのカンチレバーの振幅量も向上して振動の伝達特性も向上した。
In the fifth embodiment, an elastic body having a thickness of 0.5 mm between the one
このような弾性体は、圧電素子31のもう一方の面31aと第一のベース部14の間に入れてもよい。また圧電素子31の両側に入れてもよい。弾性体の材質としてはテフロン(登録商標)シートのほか、シリコーンゴムなど弾性効果が得られるものであれば任意の材質が使用できる。
Such an elastic body may be inserted between the
<第6の実施形態>
図11は本発明の第6の実施形態に係る電気化学測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡及び密封型のカンチレバーホルダの概観図。図12は図11の走査型プローブ顕微鏡で使用される密封型のカンチレバーホルダの平面図である。
<Sixth Embodiment>
FIG. 11 is a schematic view of a scanning probe microscope and a sealed cantilever holder used for electrochemical measurement according to a sixth embodiment of the present invention. 12 is a plan view of a sealed cantilever holder used in the scanning probe microscope of FIG.
本実施形態の大部分の構成は図7、図8に示した第4実施形態の密封型のカンチレバーホルダと概ね同じであるため、同一の部材には同一の番号を付し詳細な説明は省略する。 Since most of the configuration of the present embodiment is substantially the same as the sealed cantilever holder of the fourth embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. To do.
本実施形態ではリング型の単板の圧電素子81が使用されて、一方の面81aを第一のベース部53の縁部に接触させて配置し、反対側の面81b側から圧電素子固定部材59によりテフロン(登録商標)シートからなるリング型の弾性体82を介して第一のベース部53に固定することで均一に予圧がかかり応力集中が起こらなくなるため第一のベース部53のガラスの割れが発生しづらくなる。
In the present embodiment, a ring-type single
また、本実施形態では密封型カンチレバーホルダ80の第二のベース部54の側面から対極および参照極をなす電極をそれぞれ密封空間内51に挿入した。対極83は外径1mmの白金ワイヤーにより構成されて、溶液に浸かる密封空間内部51の周囲に半円弧状の電極をなすように折曲げ加工されている。また参照極84は外径1mmの銀ワイヤーで構成されて、密封空間51の周辺部に折曲げ加工されて配置され密封空間51側の先端部と大気側の末端以外はテフロン(登録商標)コートを施して絶縁処理が施されている。各電極の第二のベース部54からの導入口にはシールが施されている。
In the present embodiment, the electrodes forming the counter electrode and the reference electrode are inserted into the sealed
また、サンプル91またはカンチレバー92が作用極として作用するようにサンプル91の裏側またはカンチレバー92の背面にコンタクトピン85、86を配置し密封空間51の外部と電気的に接続されるようにした。またコンタクトピン85、86の周囲はOリング87、88でシールされる。
Further, contact pins 85 and 86 are arranged on the back side of the sample 91 or the back surface of the
サンプル91を作用極として使用する場合には導電体のサンプルを使用してサンプルの裏面の液に触れない位置に電極を設け、この電極とサンプル表面の電気的導通を確保してこの電極にコンタクトピン85を接触させる。
When using the sample 91 as a working electrode, an electrode is provided at a position where the sample is not in contact with the liquid on the back surface of the sample, and electrical contact between the electrode and the sample surface is ensured and contacted with this electrode. The
また、カンチレバー92を作用極として使用する場合には、金や白金などでカンチレバー92をコートし、先端以外の部分を絶縁膜でコートする。また、カンチレバーの一部に絶縁体でコートされない部分を設け、溶液に接触しないようにカンチレバーホルダに設けられたコンタクトピン86に接触させる。
When the
第一のベース部53は石英ガラス、第二のベース部54とサンプルホルダ89はPEEK材、板バネ90はテフロン(登録商標)、メンブレンフィルム56はテフロン(登録商標)フィルムで構成したため溶液中には各電極以外に電気化学測定に影響を及ぼすような金属の材質はない。
The
これらの対極、参照極、作用極を外部に設けられたポテンショスタットに接続することで電気化学測定を行うことが可能である。サンプル91とカンチレバー92は測定の目的に合わせていずれか一方を作用極に設定する。またカンチレバー92とサンプル91の双方を作用極としてバイポテンショスタットに接続することも可能となる。
Electrochemical measurement can be performed by connecting these counter electrode, reference electrode, and working electrode to a potentiostat provided outside. Either the sample 91 or the
なお、対極と参照極は大気側の先端をポテンショスタットに接続する。作用極はコンタクトピンに接続された配線材を介してポテンショスタット接続する。 In addition, the counter electrode and the reference electrode connect the tip on the atmosphere side to a potentiostat. The working electrode is connected to a potentiostat through a wiring material connected to the contact pin.
電気化学測定を行う場合に溶液内に圧電素子が配置されると圧電素子に印加される電流がリークして正確な電気化学測定が行えない可能性がある。また圧電素子の電極が電気化学反応を起こしてしまうことがあるが、このように密封空間の外部に圧電素子を配置することで正確な電気化学が可能となる。 If a piezoelectric element is placed in a solution when performing electrochemical measurement, the current applied to the piezoelectric element may leak and accurate electrochemical measurement may not be performed. In addition, the electrodes of the piezoelectric element may cause an electrochemical reaction. However, by arranging the piezoelectric element outside the sealed space in this way, accurate electrochemical is possible.
なお、各電極の材質や形状、配置などは本実施形態に限定されず測定目的に合わせて任意の形態が適用される。さらに密封型のホルダ以外にオープン型のホルダも使用可能である。 Note that the material, shape, arrangement, and the like of each electrode are not limited to the present embodiment, and an arbitrary form is applied according to the measurement purpose. Further, an open type holder can be used in addition to the sealed type holder.
以上、本発明の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダについて説明したが、本発明は上記の発明に限定されず、さまざまな形態に用いることができる。 Although the cantilever holder for a scanning probe microscope of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above invention and can be used in various forms.
例えば変位検出機構は光てこ方式の変位検出機構を用いたが、カンチレバーに抵抗体を設けてたわみ変形による抵抗値の変化で変位検出を行う自己検知型のカンチレバーも使用できる。 For example, an optical lever type displacement detection mechanism is used as the displacement detection mechanism, but a self-detection type cantilever that detects a displacement by changing a resistance value due to bending deformation by providing a resistor on the cantilever can also be used.
自己検知レバーのように光てこを使用しない場合や顕微鏡観察が不要な場合には、カンチレバー保持部や第一のベース部が光を透過しない材料でも構わない。 In the case where an optical lever is not used, such as a self-detecting lever, or when observation with a microscope is not required, the cantilever holding portion and the first base portion may be made of a material that does not transmit light.
また、カンチレバー保持部と第一のベース部は別体として構成してもよいし、一体として構成することもできる。また、それぞれの部品を複数に分割して構成してもよい。さらにカンチレバー保持部が第一のベース部を兼ねる構成でもよい。 Further, the cantilever holding portion and the first base portion may be configured as separate bodies or may be configured as an integral unit. Further, each component may be divided into a plurality of parts. Further, the cantilever holding portion may also serve as the first base portion.
第一のベース部とカンチレバー保持部に光を透過させる場合には全体を透過性の材料で構成してもよいし、一部を透過性の材料で構成してもよい。 When light is transmitted through the first base part and the cantilever holding part, the whole may be made of a transmissive material, or a part thereof may be made of a transmissive material.
また、本実施形態ではサンプル側を3軸微動機構で駆動するようにしたが、カンチレバー側に3軸微動機構を設けてもよいし、水平方向微動機構と垂直方向微動機構をサンプル側とカンチレバー側に分割して配置してもよい。 In this embodiment, the sample side is driven by the triaxial fine movement mechanism. However, a triaxial fine movement mechanism may be provided on the cantilever side, and the horizontal fine movement mechanism and the vertical fine movement mechanism are arranged on the sample side and the cantilever side. It may be divided and arranged.
また、カンチレバーホルダを構成する部材の形状や材質、圧電素子の形状、予圧手段、ピエゾの末端のブロックの材質や形状、密封手段、カンチレバー固定手段、カンチレバーの形状や材質なども任意の構造や方法が使用できる。 In addition, the shape and material of the members constituting the cantilever holder, the shape of the piezoelectric element, the preloading means, the material and shape of the block at the end of the piezo, the sealing means, the cantilever fixing means, the shape and material of the cantilever, etc., any structure or method Can be used.
圧電素子は加振効率の点で単位印加電圧あたりの変位量が大きい積層型圧電素子が好ましいが、単板タイプも使用可能である。 The piezoelectric element is preferably a laminated piezoelectric element having a large displacement per unit applied voltage in terms of excitation efficiency, but a single plate type can also be used.
さらに、カンチレバー保持部側を真空中に配置し、圧電素子側を大気環境化に配置してもよい。この場合、圧電素子や接着剤などからのガスの発生を防止することができる。 Furthermore, the cantilever holding part side may be disposed in a vacuum, and the piezoelectric element side may be disposed in an atmospheric environment. In this case, generation of gas from the piezoelectric element or the adhesive can be prevented.
また、カンチレバー保持部側を高湿度環境下に配置し、圧電素子側を大気環境化に配置してもよい。この場合、湿度による圧電素子にマイグレーションの発生や電極の腐食を防止することができる。 Further, the cantilever holding part side may be disposed in a high humidity environment, and the piezoelectric element side may be disposed in an atmospheric environment. In this case, it is possible to prevent migration and corrosion of the electrodes due to humidity.
さらに、カンチレバー保持部またはサンプルホルダを加熱しながら測定を行う走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダにも適用できる。この場合、高温部材の近傍から圧電素子を遠ざけることができるため熱により圧電素子のポーリングが壊れることが防止される。 Furthermore, the present invention can also be applied to a cantilever holder for a scanning probe microscope that performs measurement while heating the cantilever holding part or the sample holder. In this case, since the piezoelectric element can be moved away from the vicinity of the high temperature member, the poling of the piezoelectric element is prevented from being broken by heat.
また、カンチレバー保持部またはサンプルホルダを冷却しながら測定を行う走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダにも適用できる。この場合、冷却部材の近傍から圧電素子を遠ざけることができるため冷却により圧電素子の振幅が減少し加振効率が悪くなる現象を防止できる。 Further, the present invention can also be applied to a cantilever holder for a scanning probe microscope that performs measurement while cooling the cantilever holding part or the sample holder. In this case, since the piezoelectric element can be moved away from the vicinity of the cooling member, the phenomenon that the amplitude of the piezoelectric element is reduced by cooling and the excitation efficiency is deteriorated can be prevented.
これらの加熱または冷却を行う場合には、圧電素子と第一のベース部またはカンチレバー保持部の間に断熱部材を介在させることでより効果が上がる。 In the case of performing these heating or cooling, the effect is further improved by interposing a heat insulating member between the piezoelectric element and the first base portion or the cantilever holding portion.
さらに、振動ノイズを低減させるために、圧電素子を固定する板バネやブロックに制振材を使用してもよいし、あるいは、該制振材を介在させて圧電素子を固定してもよい。 Furthermore, in order to reduce vibration noise, a damping material may be used for a leaf spring or a block for fixing the piezoelectric element, or the piezoelectric element may be fixed with the damping material interposed.
また、カンチレバーは1次の共振周波数近傍で加振し振幅の減衰量により距離制御を行ったが、1次の共振周波数での加振や振幅の減衰量の検出に限定されず任意の周波数での加振することや、位相変化や周波数変化を検出して距離制御を行う手法など、カンチレバーをピエゾで加振しながら測定を行う走査型プローブ顕微鏡の測定手段にはすべて適用可能である。 In addition, the cantilever was vibrated near the primary resonance frequency and the distance was controlled by the amplitude attenuation. However, the cantilever is not limited to excitation at the primary resonance frequency or detection of the amplitude attenuation, but at any frequency. All the measurement means of a scanning probe microscope that performs measurement while exciting a cantilever with a piezo, such as a method of performing distance control by detecting phase change or frequency change, are applicable.
1、35、45、66 走査型プローブ顕微鏡
2 3軸微動機構
2a 水平方向微動機構
2b 垂直方向微動機構
3 サンプルステージ
4 ユニット筐体部
5 カンチレバー
5a 探針
5b カンチレバー基端部
6 変位検出機構
7、30、40 カンチレバーホルダ
8 変位検出機構筐体
9 半導体レーザ
10 ビームスプリッタ
11 全反射ミラー
12 4分割フォトディテクタ
13、52 カンチレバー保持部
14、53 第一のベース部
15、54 第二のベース部
16、31、55 圧電素子
17 板バネ
18 板バネ
19、33、44、60 ネジ
20 シャーレ
21 サンプル
22 溶液
23 レーザ光
24 光学顕微鏡
32、59 圧電素子固定部材
34、61 隙間
41 爪
42 シリコーンゴム
43 ブロック
50 密封型カンチレバーホルダ
51 密封空間
56 メンブレンフィルム
57 第三のベース部
58 内側サンプルホルダ部
62、65 Oリング
63 注入口
64 排出口
70 弾性体
80 密封型カンチレバーホルダ
81 圧電素子
82 弾性体
83 対極
84 参照極
85、86 コンタクトピン
87、88 Oリング
89 内側サンプルホルダ部
90 板バネ
91 サンプル
92 カンチレバー
104 圧電素子
105 カンチレバー固定部
106 カンチレバー
106a 探針
108 変位検出機構
113 半導体レーザ
114 ビームスプリッタ
115 ミラー
116 4分割フォトディテクタ
118 3軸微動機構
134 ガラスベースブロック
137 サンプル
136 シャーレ
215 ガラス製ホルダ
210 カンチレバー
215 ホルダ
217 圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 35, 45, 66 Scanning probe microscope 2 3 axis | shaft fine movement mechanism 2a Horizontal direction fine movement mechanism 2b Vertical direction fine movement mechanism 3 Sample stage 4 Unit housing part 5 Cantilever 5a Probe 5b Cantilever base end part 6 Displacement detection mechanism 7, 30, 40 Cantilever holder 8 Displacement detection mechanism housing 9 Semiconductor laser 10 Beam splitter 11 Total reflection mirror 12 Four-divided photodetector 13, 52 Cantilever holding portion 14, 53 First base portion 15, 54 Second base portion 16, 31 , 55 Piezoelectric element 17 Plate spring 18 Plate spring 19, 33, 44, 60 Screw 20 Petri dish 21 Sample 22 Solution 23 Laser light 24 Optical microscope 32, 59 Piezoelectric element fixing member 34, 61 Gap 41 Claw 42 Silicone rubber 43 Block 50 Sealing Type cantilever holder DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sealing space 56 Membrane film 57 3rd base part 58 Inner sample holder part 62, 65 O-ring 63 Inlet 64 Outlet 70 Elastic body 80 Sealing type cantilever holder 81 Piezoelectric element 82 Elastic body 83 Counter electrode 84 Reference electrode 85, 86 Contact pins 87, 88 O-ring 89 Inner sample holder 90 Plate spring 91 Sample 92 Cantilever 104 Piezoelectric element 105 Cantilever fixing part 106 Cantilever 106a Probe 108 Displacement detection mechanism 113 Semiconductor laser 114 Beam splitter 115 Mirror 116 Quadrant photodetector 118 Triaxial Fine movement mechanism 134 Glass base block 137 Sample 136 Petri dish 215 Glass holder 210 Cantilever 215 Holder 217 Piezoelectric element
Claims (13)
前記カンチレバー保持部のカンチレバーを保持する側と反対の端部が固定される第一のベース部と、
前記カンチレバー保持部を通過可能な貫通穴と、前記第一のベース部の外周部の少なくとも一部を掛止することで当該第一のベース部を保持する保持部と、を有する第二のベース部と、
前記第一のベース部の前記カンチレバー保持部の固定側と反対側に載置された圧電素子と、
前記圧電素子に対して前記第一のベース部との接触面方向に予圧を掛けることによって前記第一のベース部に当該圧電素子を密着固定させる圧電素子固定部材と、
を備える走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダ。 A cantilever holding portion capable of holding one end of the cantilever,
A first base portion to which an end opposite to the side holding the cantilever holding portion of the cantilever holding portion is fixed;
A second base having a through hole that can pass through the cantilever holding portion and a holding portion that holds the first base portion by hooking at least a part of the outer peripheral portion of the first base portion. And
A piezoelectric element placed on the side opposite to the fixed side of the cantilever holding part of the first base part ;
A piezoelectric element fixing member that tightly fixes the piezoelectric element to the first base portion by applying a preload to the piezoelectric element in a contact surface direction with the first base portion;
Cantilever holder for scanning probe microscope equipped with.
前記カンチレバー保持部のカンチレバーを保持する側と反対の端部が固定される第一のベース部と、
前記カンチレバー保持部を通過可能な貫通穴と、前記第一のベース部の外周部の少なくとも一部を掛止することで当該第一のベース部を保持する保持部と、を有する第二のベース部と、
前記第一のベース部の前記カンチレバー保持部の固定側と反対側に載置された圧電素子と、
前記圧電素子の前記第一のベース部に載置された一端部と反対の端部に固定され、前記第一のベース部の質量と前記カンチレバー保持部の質量の合計質量よりも重い質量を持つ部材と、
を備える走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーホルダ。 A cantilever holding portion configured to hold one end of the cantilever,
A first base portion to which an end opposite to the side holding the cantilever holding portion of the cantilever holding portion is fixed;
A second base having a through hole that can pass through the cantilever holding portion and a holding portion that holds the first base portion by hooking at least a part of the outer peripheral portion of the first base portion. And
A piezoelectric element placed on the side opposite to the fixed side of the cantilever holding part of the first base part ;
The piezoelectric element is fixed to an end portion opposite to the one end portion mounted on the first base portion, and has a mass heavier than a total mass of the mass of the first base portion and the mass of the cantilever holding portion. Members ,
Cantilever holder for scanning probe microscope equipped with.
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