走査型プローブ顕微鏡 (SPM) とは
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) とは、針のように鋭いプローブで試料の表面の凹凸をナノメートルスケールで観察することができる顕微鏡です。
試料表面を清浄化するため高真空下で用いられることが多くありますが、大気中でも使用できます。最近では、液中で使用できるものも開発されています。
走査型プローブ顕微鏡の種類は様々で、走査型トンネル顕微鏡 (STM) 、原子間力顕微鏡 (AFM) などがあります。STMは原子1個1個を捉えることが可能で、ナノ構造の科学技術の進展に大いに貢献したとし、発明者は1986年度のノーベル物理学賞を受賞しました。
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) の使用用途
走査型プローブ顕微鏡は、非常に微細なナノメートル程度の表面を観察できるため、半導体やガラス、液晶などの表面状態の観察や粗さの測定に使用されます。
具体的な観察の対象は、シリコン単結晶の原子配列や有機化合物のフェニル基などです。また、微生物や細菌、生体膜といった生体試料のDNAの観察や操作もできます。
走査型プローブ顕微鏡は1980年代に開発された新しい顕微鏡ですが、原子レベルの観察技術の発展はめざましく、摩擦や粘弾性、表面電位を測定できる機種も開発されており、どんどん用途が広がっています。液中測定は、電気化学や生化学などの分野でも使用され、より実環境に近い状態測定が可能になります。
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) の原理
走査型プローブ顕微鏡の中でよく利用されるAFMとSTMの原理について説明します。細い針のようなプローブの先端が試料表面をスキャンすることにより、画像や位置情報を取得しています。プローブが細く、原子レベルのスキャンを行うため凹凸が大きすぎる試料の測定には向いていません。
1. 走査型トンネル顕微鏡 (STM)
STMは、金属プローブの先端から試料に向けて出るトンネル電流の強さが、間にある真空という絶縁体の厚みに敏感に依存することを利用します。物質表面の原子を個別に分解して見る高い分解能 (隣りあって存在する2点を見分ける時、この2点間の最短距離) で試料面の局所的な高さを正確に測定することが可能です。また、試料面をプローブが走査することで、原子スケールでの凹凸パターンを観測できます。
プローブには、先端のとがったタングステンや白金などを用います。双方の電子雲が重なる程度の至近距離までプローブと試料を近づけ、微小なバイアス電圧 (増幅器の小信号増幅を行うために直流で動作点を定めるための電圧) を加えると、トンネル効果によりトンネル電流が流れます。
STMでは、金属のプローブを試料の表面上で水平 (X，Y) に移動させ、プローブと試料間の距離 (Z) をフィードバック制御することで、トンネル電流を常に一定にしています。通常、原子1個の大きさよりも小さい精度で距離を制御できる圧電素子で垂直方向の移動を行い、単原子同士の相互作用を検出します。このため、STMは3次元的に原子分解能を持ちます。圧電素子は、圧力を加えると電圧が発生する圧電効果という現象を利用した受動素子です。
2. 原子間力顕微鏡 (AFM)
AFMでは、プローブと試料表面の微細な原子間力 (化学結合していない原子同士に働く弱い凝集力) の違いを測定し、走査することで表面観察しています。有機物や無機物に関係なく、絶縁体や生体試料でも観察できることから、用途は幅広いです。AFMの技術を応用して摩擦力や粘弾性、誘電率、表面電位を測定する多彩な機種が開発されています。
カンチレバー (cantilever) の先端に取り付けたプローブと試料表面を、微小な力で接触させます。プローブと試料間の距離 (Z) をフィードバック制御してカンチレバーに働く力 (たわみ量) が一定になるようにしながら、水平 (X，Y) に走査して、表面形状を画像にします。
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) のその他情報
プローブの種類
走査型プローブ顕微鏡の代表例であるAFMとSPMは、どちらもプローブを用いますが、種類が異なります。さらに、AFMだけでも、材質、長さなど多くの種類があり、測定対象に合わせて選定することが大切です。
また、AFMは原理で説明したコンタクトモード以外にタッピングモードがあり、これは壊れやすい有機試料に対して測定する際に利用され、専用のプローブを使用します。なお、プローブは消耗品なので、自身で交換する必要があります。
参考文献
https://www.hitachi-hightech.com/jp/science/technical/tech/microscopes/spm/principle/b_2_afm.html
https://imidas.jp/genre/detail/K-128-0064.html
https://www.hitachi-hightech.com/jp/science/technical/tech/microscopes/spm/principle/b_1_stm.html