走査型プローブ顕微鏡

走査型プローブ顕微鏡（SPM）とは

走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope; SPM）は、先端を鋭く尖らせた探針（プローブ）を用いて、物質の表面を走査するように動かし、その表面状態を拡大観察する顕微鏡技術の総称です。光の波長に依存する光学顕微鏡とは異なり、非常に高い空間分解能を持ち、原子レベルでの観察を可能にします。

基本構成と特徴

SPMの基本的な構成は、以下の3つの要素から成り立っています。

1. 試料ステージ：測定対象となる試料を固定し、精密に移動させるためのステージです。ピエゾ素子を用いたステージが一般的で、ナノメートルレベルでの位置制御が可能です。
2. 探針（プローブ）：試料表面に近づけ、局所的な相互作用を検出するための探針です。探針の形状や材質は、測定目的に応じて様々なものが用いられます。
3. コントローラ：試料ステージや探針の動きを制御し、測定データを収集・解析するための装置です。

これらの基本構成に加え、試料に電場や磁場を印加する機構、光を照射する機構、温度を変化させる機構、真空チャンバーなどが、測定目的に応じて付設されます。

SPMの大きな特徴として、光学顕微鏡に比べて非常に高い空間分解能が挙げられます。特に、超高真空環境下では、原子間力顕微鏡（AFM）や走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いて、原子以下のレベルで表面の凹凸を観察できます。また、大気中で測定できる小型の装置も存在し、電子顕微鏡に比べて設置が容易で、より手軽に測定を行うことができます。

歴史

SPMの歴史は、1980年代初頭にIBMのゲルト・ビーニッヒによって開発された走査型トンネル顕微鏡（STM）に始まります。STMは、探針と試料間の微小なトンネル電流を利用して表面を観察するものでしたが、絶縁体の観察には適していませんでした。そのため、同じくビーニッヒによって、原子間力を利用した原子間力顕微鏡（AFM）が開発され、測定対象が大きく広がりました。その後、これらの技術をベースに、表面形状だけでなく、様々な局所的な表面物性を評価できるSPMが開発されてきました。

現在、AFMは磁気ディスクの表面粗さ測定やDVDのスタンパーなど、0.1μm前後の微細な凹凸を測定する上で不可欠な機器となっています。また、絶縁性の試料や水分を含んだ生体試料などの評価にも広く利用されています。

SPMの種類

SPMには、AFMやSTM以外にも、様々な種類が存在します。以下に、代表的なSPMの種類とその特徴をまとめます。

磁気的な局所物性評価SPM

走査型磁気力顕微鏡（MFM）：強磁性探針と試料間の磁気力を利用し、磁区構造を評価します。
走査型SQUID顕微鏡：超伝導量子干渉計（SQUID）をプローブとして使用し、試料表面の磁束を評価します。
走査型ホール素子顕微鏡（SHPM）：ホール素子をプローブとして使用し、試料表面の磁場を検出します。

電気的な局所物性評価SPM

走査型ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM）：電圧を印加して、表面電位を評価します。
走査型マクスウェル応力顕微鏡（SMM）：プローブに交流電圧を印加し、表面電位を評価します。
静電気力顕微鏡：パルス電圧を印加し、静電気力を評価します。
走査型圧電応答顕微鏡（PFM）：試料に交番電界を印加した際の微小な変形から、圧電特性を評価します。
走査型非線形誘電率顕微鏡（SNDM）：プローブに共振回路を接続し、試料に交番電界を印加した際の共振周波数の変化から、非線形誘電率を評価します。

光学的な局所物性評価SPM

走査型近接場光顕微鏡（SNOM）：プローブ先端から近接場光を印加し、複素透過率を評価します。

まとめ

走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、微細な探針を用いて、物質の表面を原子レベルで観察・評価できる非常に強力なツールです。その高い空間分解能と多様性から、材料科学、物理学、化学、生物学など、幅広い分野で利用されており、現代の科学技術を支える上で不可欠な存在となっています。

参考文献

特許庁標準技術集「表面構造の原子領域分析」

走査型プローブ顕微鏡