CN114324981B - 扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描探针显微镜，能够在极性溶剂中获取试样表面的形状和电位分布的三维信息。扫描探针显微镜具备：试样工作台；悬臂；移动机构，其使试样工作台与悬臂的基端之间的距离发生变化；激振部，其使悬臂进行振动；位移检测器，其检测探针的位移；测定控制部，其针对多个测定点中的各个测定点执行如下的测定动作：在多个位置处执行在对悬臂进行激振的状态下检测探针的位移的处理；表面形状信息获取部，其通过基于探针的位移求出悬臂的挠曲量，来获取所述试样的表面形状的信息；以及电位信息获取部，其通过基于探针的位移求出该位移的振幅的大小或相位的变化量，来获取在与试样表面垂直的方向上的电位分布的信息。

Description

扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜。

背景技术

在扫描探针显微镜(SPM：Scanning Probe Microscope)中，使设置于悬臂的顶端的探针(probe)靠近试样表面，来获取同该探针与试样之间的力学相互作用或电磁相互作用等有关的数据。通过在试样表面二维地设定的多个测定点中的各个测定点处进行此动作，从而获得试样表面的形状和电位分布等信息。

在扫描探针显微镜中，在悬臂的顶端的背面侧(与设置有探针的一侧相反的一侧)设置有反射面，向该反射面照射激光，利用检测器检测该激光的反射光。检测器例如使用将光入射面呈格子状地分割成四个区域的检测器。在测定开始时，预先调整光入射面的位置，以使来自悬臂的反射面的光入射到光入射面的中央。当在测定中悬臂挠曲或振动时，来自该悬臂的反射面的光入射到光入射面的位置发生变化，四个区域的入射光量发生变化。根据这四个区域的入射光量的变化，来计算悬臂的挠曲量或振动的大小。另外，根据其随时间的变化来计算悬臂的振动的周期(频率)。

使用扫描探针显微镜来测定试样表面的形状的动作模式的代表性模式中存在接触模式和动态模式。在接触模式下，使载置在试样工作台上的试样逐渐接近悬臂顶端的探针。当探针进入到距试样表面的规定距离内而例如范德华力在两者之间起作用时，向试样表面吸引探针，悬臂的顶端朝向试样表面挠曲。在接触模式下，以将该挠曲量保持为固定的方式调整探针与试样之间的距离并且使试样在与其垂直的面内进行移动，由此扫描表面以获得该表面的形状的二维信息。

在动态模式下，在使悬臂以其共振频率进行振动的状态下，使载置在试样工作台上的试样逐渐接近悬臂顶端的探针。在动态模式下，以将悬臂的振动的大小保持为固定的方式调整探针与试样之间的距离并且使试样在与其垂直的面内进行移动，由此扫描表面以获得该表面的形状的二维信息。

作为在获取试样表面的形状的同时获取试样表面的电位分布的信息的方法，已知有开尔文探针力显微镜(KPFM：Kelvin Probe Force Microscope)法(例如专利文献1)。在KPFM法中，与动态模式同样地使悬臂以共振频率进行振动，并且向该振动叠加与共振频率不同的调制频率来使悬臂进行振动。在探针与试样表面之间没有电位差的情况下，悬臂的振动频率不发生变化。另一方面，若在探针与试样表面之间存在电位差，则悬臂的振动频率发生变化。探针与试样表面之间的电位差越大，则振动频率越大地变化。在KPFM法中，向探针施加将在该探针与试样表面之间存在的电位差抵消那样的直流电压，将悬臂的振动频率保持为固定并扫描试样表面。然后，根据在试样表面的各测定点处施加的直流电压的大小来获取试样表面的电位分布的信息。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：秋永広幸著“走査型プローブ顕微鏡入門(扫描探针显微镜入门)”オーム社(Ohmsha)，2013年8月，ISBN 978-4-274-21413-4

发明内容

发明要解决的问题

使用了扫描探针显微镜的研究开发的对象之一有电极材料。在电极材料的开发中，不仅电极表面的电位分布是有用的，而且关于该电位分布随着远离该表面而怎样地发生变化的信息、即电极表面的电位分布的三维信息也是有用的。然而，在KPFM法中，在以将悬臂的振动频率保持为固定的方式调整探针与试样之间的距离并且扫描试样表面的动态模式下获取试样表面的形状的二维信息并且测定电位，因此存在无法获得电位分布的三维信息这样的问题。

另外，在电极材料的开发中，在电解液中配置电极而再现了电极的动作环境的状态下，获得试样表面的形状和表面电位分布的信息也是重要的。然而，当在电解液等极性溶剂中执行KPFM法时，存在因施加到探针的直流电压引起电化学反应而无法准确地测定试样表面的形状和试样表面的电位这样的问题。

本发明要解决的问题在于提供一种能够在极性溶剂中获取试样表面的形状和电位分布的三维信息的技术。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明所涉及的扫描探针显微镜具备：

试样工作台，其用于载置试样；

悬臂，其基端被固定，并且在顶端设置有探针；

移动机构，其使所述试样工作台与所述基端之间的距离变化；

激振部，其使所述悬臂以预先决定的频率和振幅进行振动；

位移检测器，其检测探针相对于所述基端的位移；

测定控制部，其针对预先设定于所述试样的多个测定点中的各个测定点执行如下的测定动作：在所述试样工作台与所述基端之间的距离不同的多个位置处执行在通过所述激振部对所述悬臂进行激振的状态下检测规定时间的所述探针的位移的处理；

表面形状信息获取部，其针对所述多个测定点中的各个测定点，通过基于所述多个位置中的各个位置处的在所述规定时间内的所述探针的位移求出所述悬臂的挠曲量，来获取所述试样的表面形状的信息；以及

电位信息获取部，其针对所述多个测定点中的各个测定点，通过基于所述多个位置中的各个位置处的在所述规定时间内的所述探针的位移求出该位移的振幅的大小或相位的变化量，来获取在与所述试样的表面垂直的方向上的电位分布的信息。

发明的效果

在本发明所涉及的扫描探针显微镜中，以预先决定的频率和振幅对悬臂进行激振。然后，在试样工作台与悬臂的基端之间的距离不同的多个位置处执行在对悬臂进行激振的状态下检测规定时间的探针的位移的处理。该规定时间是与悬臂的振动的周期相比足够长的时间，在该时间内对反映悬臂的振动并且随时间发生变化的探针的位移进行检测。

在本发明所涉及的扫描探针显微镜中，与在以使悬臂振动且振幅为固定的方式扫描试样表面的动态模式下获取试样表面的信息的KPFM法不同，使用以基于探针的位移(悬臂的挠曲量)来获得试样表面的形状的信息的接触模式为基础的方法，获取试样表面的信息。具体地说，通过从在各测定点的各位置处检测到的探针的位移的检测信号去除振动成分(例如通过求出探针的位移的平均值(RMS))，来计算悬臂的挠曲量。然后，根据悬臂的挠曲量和移动机构对悬臂或试样工作台的移动量(例如移动机构的Z位置)来获取试样的表面形状的信息。当在探针接触到试样表面之后使移动机构进一步继续动作时，探针被按压到试样表面而悬臂的挠曲量变大。在该挠曲量达到预先决定的值的时间点停止移动机构的动作。

以往已知：试样表面与探针之间的电位差越大，则悬臂的振动的振幅的大小和相位的变化越大。也就是说，按每个测定点基于探针的位移的振幅的大小或相位的变化量，来获得在与试样表面垂直的方向上的电位分布的信息。利用该动作，从而在本发明所涉及的扫描探针显微镜中，针对多个测定点中的各个测定点获得在与试样表面垂直的方向上的电位分布的信息。具体地说，在试样工作台与悬臂的基端之间的距离不同的多个位置的各位置处，求出随时间发生变化的探针的位移的检测信号所包含的振动成分相对于从激振部向探针提供的振动成分而言的相位延迟，由此获得各测定点处的在与试样表面垂直的方向上的电位分布。通过针对多个测定点中的各测定点获取该电位分布，从而获取试样表面的电位分布的三维信息。

由于在本发明所涉及的扫描探针显微镜中不需要向探针施加直流电压，因此即使在极性溶剂中也能够获取试样表面的形状和电位分布的三维信息。并且，由于在KPFM法中使悬臂以两个频率进行振动，因此会发生这些频率的干扰而有时无法获得准确的测定结果，但是在本发明所涉及的扫描探针显微镜中使悬臂仅以一个频率进行振动，因此也不担忧会发生干扰。

附图说明

图1是本发明所涉及的扫描探针显微镜的一个实施例的主要部分结构图。

图2是在本实施例中按每个测定点获得的力曲线的例子。

图3是在本实施例中按每个测定点获得的在与试样表面平行的方向上的电位分布的例子。

图4是说明在本实施例中依次测定多个测定点的情况的示意图。

图5是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第一测定例中获得的试样表面的形状的图像。

图6是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第一测定例中获得的在与试样表面平行的面内的电位分布的映射图像。

图7是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第一测定例中获得的在与试样表面垂直的面内的电位分布的映射图像。

图8是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第二测定例中获得的试样表面的图像。

图9是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第二测定例中获得的在与试样表面垂直的面内的电位分布的映射图像。

图10是将图9的映射图像的一部分放大而得到的图。

图11是将图9的映射图像的另一部分放大而得到的图。

图12是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第三测定例中获得的在与试样表面垂直的面内的电位分布的映射图像。

图13是在使用了本实施例的扫描探针显微镜的第三测定例中获得的在与试样表面垂直的面内的电位分布的另一映射图像。

附图标记说明

1：测定部；10：试样；11：试样工作台；12：工作台移动机构；13：XY方向驱动部；14：Z方向驱动部；15：悬臂；151：反射面；16：探针；17：位移检测部；171：激光光源；172：反射镜；173：光检测器；181：放大器；182：锁定检测器；19：交流电源；2：控制/处理部；21：存储部；3：控制/处理程序；31：测定点设定部；32：测定控制部；33：力曲线制作部；34：表面形状信息获取部；35：电位信息获取部；36：体数据制作部；37：显示条件输入接受部；38：图像生成部；39：显示处理部；41：输入部；42：显示部。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明所涉及的扫描探针显微镜的一个实施例。

图1是本实施例的扫描探针显微镜的主要部分结构图。该扫描探针显微镜具备测定部1和控制/处理部2。

在测定部1中，通过工作台移动机构12使配置了作为测定对象的试样10的试样工作台11移动。工作台移动机构12包括：XY工作台移动机构121，其使试样工作台11沿在水平面内相互正交的X、Y这两个轴的方向进行移动；以及Z工作台移动机构122，其使试样工作台11沿与X轴及Y轴正交的Z轴方向(铅垂方向)进行微动。XY工作台移动机构121被XY方向驱动部13驱动，Z工作台移动机构122被Z方向驱动部14驱动，XY方向驱动部13和Z方向驱动部14具有压电元件，基于来自后述的测定控制部32的控制信号来进行动作。

在试样10的上方(在此为在Z轴方向上分离的位置)配置有具有挠性和导电性的悬臂15。在悬臂15的顶端设置有探针16，在与探针16相反的一侧设置有反射面151。悬臂15和探针16例如使用硅制品。

悬臂15与交流电源19连接。交流电源19对试样10和悬臂15施加具有该悬臂15的共振频率和预先决定的大小的振幅的交流电压，来使该悬臂15进行共振。该共振频率例如处于1kHz～2000kHz的范围内。通过施加交流电压来电激振悬臂15不是必要技术特征。例如，也能够通过在悬臂15安装压电元件并使该压电元件进行振动来激振悬臂15或者利用交流磁场对磁性涂敷后的悬臂15进行激振。但是，通过如本实施例那样电激振悬臂15，能够提高振动的调制成分的测定精度。

为了检测悬臂15的位移，在该悬臂15的上方设置有包括激光光源171、反射镜172以及光检测器173的位移检测部17。在位移检测部17中，将从激光光源171射出的激光照射到在悬臂15的顶端背面设置的反射面151。由反射面151反射后的光经由反射镜172向光检测器173入射。光检测器173例如是具有被沿Z轴方向和Y轴方向分成了四块的受光面的四象限光检测器。若悬臂15在Z轴方向上发生位移，则入射到各受光面的光量的比例发生变化。光检测器173通过对与入射到各受光面的入射光量相应的检测信号进行运算处理，来输出表示悬臂15的顶端部的位移量的变化的信号。

来自光检测器173的输出信号被放大器181放大之后，被输入到锁定检测器182。还向锁定检测器182输入来自交流电源19的参照信号。通过在锁定检测器182中对表示悬臂15的位移的输出信号进行处理，能够检测悬臂15的振动的调制成分(相对于从交流电源19施加的交流电压而言的相位延迟和/或振幅增减)。

控制/处理部2除了具备存储部21之外还具备测定点设定部31、测定控制部32、力曲线制作部33、表面形状信息获取部34、电位信息获取部35、体数据制作部36、显示条件输入接受部37、图像生成部38以及显示处理部39来作为功能块。控制/处理部2的实体是一般的计算机，通过由处理器执行预先安装的控制/处理程序3来实现上述的各功能块。另外，控制/处理部2与输入部41及显示部42连接。

接着，说明使用本实施例的扫描探针显微镜进行的试样的测定及解析的流程。

当使用者将试样10载置在试样工作台11上并指示开始解析时，测定点设定部31将在试样10的表面以预先决定的间隔二维地排列的多个测定点显示于显示部42。使用者确认所显示的测定点，根据需要进行变更测定点的间隔等输入操作，来在试样10的表面设定多个测定点。

当完成测定点的设定时，测定控制部32使交流电源19进行动作来使悬臂15进行共振。接下来，使XY方向驱动部13进行动作来使在试样10的表面设定的多个测定点中的最初的测定点位于探针16的正下方的位置。然后，通过Z方向驱动部14使试样工作台11逐渐接近探针16。

当试样工作台11与探针16接近到规定的距离(到达最初的测定位置)时，停止Z方向驱动部14对试样工作台11的移动，使悬臂15以预先决定的频率和振幅进行规定时间的振动并检测该规定时间的探针16的位移。该规定时间是与悬臂15的振动周期相比足够长的时间。在本例中停止试样工作台11的移动后检测探针16的位移，但是也可以通过使检测探针16的位移的时间间隔相对于试样工作台11的移动速度而言足够短，来一边使试样工作台11连续移动(不每次都使试样工作台11停止)一边探测探针16的位移。由此，与反复进行试样工作台11的移动和停止的情况相比，能够缩短测定所需要的时间。

当经过规定时间时，力曲线制作部33求出该期间的探针16的位移的检测信号的平均值(RMS)。由此去除悬臂15的振动成分后计算悬臂15的挠曲量。该挠曲量与该位置处的Z方向驱动部14的Z位置(与试样工作台11的移动距离相应的值)一起被保存于存储部21。然后，表面形状信息获取部34判定悬臂15向与试样10相反一侧挠曲的挠曲量(向正方向挠曲的挠曲量)是否达到预先决定的值。

另外，电位信息获取部35计算上述规定时间内的探针16的位移的检测信号所包含的上述共振频率的成分相对于参照信号而言的相位延迟。在本实施例中，基于相位延迟的大小来评价该位置处的电位，将该电位与Z方向驱动部14的Z位置一起保存于存储部21。也可以基于探针的位移的振幅的变化量来进行电位的评价。此外，本实施例中的用于评价电位的方法基于静电力显微镜(EFM：Electric Force Microscope)法。EFM法中的电位的评价是多个测定位置处的电位的大小的相对评价，与KFPM法那样求出电位值本身的方法不同。

在由力曲线制作部33计算出的悬臂15的挠曲量未达到上述预先决定的正方向的挠曲量的情况下，再次通过Z方向驱动部14使试样工作台11与探针16接近到预先决定的距离。然后，与上述同样地通过力曲线制作部33计算悬臂15的挠曲量，通过表面形状信息获取部34判定该挠曲量，通过电位信息获取部35评价该位置的电位。

反复进行上述的动作，当试样10的表面靠近探针16时，范德华力在试样10与探针16之间起作用，向试样10的表面吸引探针16而悬臂15的顶端朝向试样10的表面挠曲(向负方向挠曲)。然后，当使试样10进一步接近探针16时，探针16接触到试样10的表面。当从该状态起使试样10进一步接近探针16时，在探针16被压紧于试样10的表面的状态下探针16被推升而悬臂15开始向反方向(正方向)挠曲。当该挠曲量达到预先决定的值时，停止试样工作台11的上升。将表示在此期间获得的悬臂15的挠曲量的变化的曲线图称为接近线。在图2中用实线示出接近线的一例。此外，图2中的箭头示出悬臂15的挠曲量的测定方向。另外，该例子是在探针16接近了试样10的表面时引力对探针16起作用的情况的例子，还存在由于试样10的种类而斥力起作用的情况、以及引力和斥力中的任一个均不起作用的情况。

在悬臂15的正方向的挠曲量达到预先决定的值之后，使试样工作台11每次下降规定的距离，在各位置处通过力曲线制作部33计算悬臂的挠曲量，通过电位信息获取部35评价该位置的电位。当使试样工作台11逐渐下降时，悬臂15的正的挠曲量逐渐变小。在悬臂15的挠曲量变为0之后，也会由于试样10的表面的吸附力而在短暂的期间内维持探针16的顶端附着于试样10的表面的状态。因此，此次开始以使悬臂的顶端侧降低的方式(向负方向)挠曲。当保持该状态不变地使试样工作台11下降而使悬臂15的基部逐渐远离试样10的表面时，悬臂15的弹性恢复力超过试样10的表面的吸附力，从而探针16的顶端从试样10的表面脱离而位移量恢复为0。将表示在此期间获得的悬臂15的挠曲量的变化的曲线图称为释放线。在图2中用点划线表示释放线的一例。

如上所述，当在试样10的表面与悬臂15的基端之间的距离不同的多个位置处分别测定悬臂15的挠曲量来制作力曲线时，表面形状信息获取部34根据在接近线中悬臂15的挠曲量的变化改变为正方向后的比挠曲量变为0的测定位置P更远离试样10的表面的任意测定位置处的试样工作台11与悬臂15的基端之间的距离，来计算该测定点处的试样10的表面的高度。在本实施例中，一边使试样工作台11接近悬臂15的基端一边获取接近线，一边使试样工作台11与悬臂15的基端分离一边获取释放线。但是，若仅获取接近线，则能够获取试样10的表面的形状的信息。因而，也可以构成为仅获取接近线。

另外，电位信息获取部35在试样工作台11与悬臂15的基端之间的距离不同的各测定位置处评价电位，求出该测定点处的在与试样10的表面垂直的方向上的电位分布。在图3中示出由电位信息获取部35获取的电位分布的一例。在本实施例中，基于悬臂15的振动的调制(相位延迟)来评价电位，在悬臂15与试样10的表面接触的状态下无法进行准确的评价。因此，电位信息获取部35与获取接近线并行地在各测定位置处评价该位置的电位，在到达悬臂15的挠曲量的变化向正方向转变的位置的时间点(图2中的位置Q)，结束电位的评价。

当针对最初的测定点完成上述一系列测定时，移动到相邻的第二个测定点，与上述同样地进行一系列测定(图4)。若完成在一个方向上相邻的全部测定点处的测定，则针对在该一个方向上相邻的多个测定点也重复进行同样的测定。针对在试样10的表面沿二维方向设定的多个测定点全部执行该测定。

当完成针对全部测定点的上述一系列测定时，体数据制作部36根据各测定点的力曲线来制作第一体数据，根据各测定点的电位分布来分别制作第二体数据，并将该第一体数据和该第二体数据保存于存储部21。这些体数据都是将试样表面设为底面的、表示了力和电位在与该底面垂直的方向上的变化的三维数据。

当在制作第一体数据及第二体数据之后使用者指示显示解析图像时，显示条件输入接受部37将用于接受选择所显示的解析图像的种类的输入的画面显示于显示部42。当由使用者输入解析图像的种类时，图像生成部38制作从与该种类相应的方向剪切出第一体数据或第二体数据而得到的图像，显示处理部39将该图像显示于显示部42。

作为可显示的解析图像的种类，例如可举出以下图像：示出试样10的表面形状的图像；示出在与试样10的表面相距固定距离的位置处的电位分布的图像(电力图像。根据指定与试样表面相距的距离的输入来读出多个测定点处的该距离的电位、并且将各测定点设为一个像素单位来以能够识别不同的电位的方式显示所得到的映射图像)；示出在与试样工作台11的表面相距固定距离的位置处的电位分布的图像(电力图像。根据指定电位的大小的输入来读出多个测定点处的具有该电位的高度、并且将各测定点设为一个像素单位来以能够识别不同的高度的方式显示所得到的映射图像)。它们均是大致水平地剪切第一体数据或第二体数据而得到的图像。另一方面，还能够显示示出大致铅垂地剪切了第一体数据或第二体数据的面的电位分布的图像(电力图像)。它能够设为包含例如将由使用者指定的两个测定点连结的直线的铅垂面的图像。

以下，说明根据使用了本实施例的扫描探针显微镜的测定数据而制作出的具体的图像的例子。

第一例是对配置于50mmon/L的NaCl溶液中的铜板进行测定而得到的图像。图5是示出铜板的表面的形状的图像(形状图像)，图6是映射了在与铜板的表面相距25nm的位置处的电位分布而得到的图像(电力图像)。并且，图7是映射了沿着图6中用虚线示出的方向的铅垂面的电位分布而得到的图像(电力图像)。在图5～图7所示的图像中，还能够当使用者通过鼠标操作等来选择图像上的关注的一点时，显示针对与该点对应的测定点处的力曲线(相当于图2)以及在与试样10的表面垂直的方向上的电位分布(相当于图3)。

这样，在本实施例的扫描探针显微镜中，能够获得电位分布的体数据(三维信息)，因此能够根据使用者的解析目的来制作并显示图5～图7所示那样的各种映射图像。

第二例是对在平板状的玻璃的一部分形成了金属的蒸镀膜的试样进行测定而得到的图像。图8是示出试样的表面的形状(蒸镀膜的位置)的图像(形状图像)，图9是映射了沿着图8中用虚线示出的方向的铅垂面的电位分布而得到的图像(电力图像)。图10是图9的一部分(没有蒸镀膜的玻璃的表面附近)的放大图像，图11是图9的另一部分(金属的蒸镀膜附近)的放大图像。

第三例是分别测定将云母基板配置于超纯水和1mol/L的NaCl溶液中的情况下的电位分布而得到的图像(电力图像)。图12是示出在超纯水中配置有云母基板时的电位分布的图像，图13是示出在NaCl溶液中配置有云母基板时的电位分布的图像。

上述实施例是一例，能够按照本发明的主旨适当地进行变更。在上述实施例中，设为使试样工作台11进行移动来在多个测定点之间进行移动的结构，但是也能够采用使悬臂15和位移检测部17一体地移动那样的结构。另外，在上述实施例中设为通过锁定检测器182检测悬臂15的振动的调制成分的结构，但是也能够通过采用对来自位移检测部17的输出信号进行频率解析等的结构来进行FM模式(频率调制模式)下的解析。

[方式]

本领域技术人员能够理解到上述的多个例示性的实施方式是以下的方式的具体例。

(第一项)

一个方式所涉及的扫描探针显微镜具备：

试样工作台，其用于载置试样；

悬臂，其基端被固定，并且在顶端设置有探针；

移动机构，其使所述试样工作台与所述基端之间的距离变化；

激振部，其使所述悬臂以预先决定的频率和振幅进行振动；

位移检测器，其检测探针相对于所述基端的位移；

测定控制部，其针对预先设定于所述试样的多个测定点中的各个测定点执行如下的测定动作：在所述试样工作台与所述基端之间的距离不同的多个位置处执行在通过所述激振部对所述悬臂进行激振的状态下检测规定时间的所述探针的位移的处理；

表面形状信息获取部，其针对所述多个测定点中的各个测定点，通过基于所述多个位置中的各个位置处的在所述规定时间内的所述探针的位移求出所述悬臂的挠曲量，来获取所述试样的表面形状的信息；以及

电位信息获取部，其针对所述多个测定点中的各个测定点，通过基于所述多个位置中的各个位置处的在所述规定时间内的所述探针的位移求出该位移的振幅的大小或相位的变化量，来获取在与所述试样的表面垂直的方向上的电位分布的信息。

在第一项所记载的扫描探针显微镜中，与在以使悬臂振动且振幅为固定的方式扫描试样表面的动态模式下获取试样表面的信息的KPFM法不同，使用以基于探针的位移(悬臂的挠曲量)来获得试样表面的形状的信息的接触模式为基础的方法，获取试样表面的信息。具体地说，通过从在各测定点的各位置处检测到的探针的位移的检测信号去除振动成分(例如通过求出探针的位移的平均值(RMS))，来计算悬臂的挠曲量。然后，根据悬臂的挠曲量和移动机构对悬臂或试样工作台的移动量(例如移动机构的Z位置)来获取试样的表面形状的信息。当在探针接触到试样表面之后使移动机构进一步继续动作时，探针被按压到试样表面而悬臂的挠曲量变大。在该挠曲量达到预先决定的值的时间点停止移动机构的动作。

以往已知：试样表面与探针之间的电位差越大，则悬臂的振动的振幅的大小和相位的变化越大。也就是说，按每个测定点基于探针的位移的振幅的大小或相位的变化量，来获得在与试样表面垂直的方向上的电位分布的信息。利用该动作，从而在第一项所记载的扫描探针显微镜中，针对多个测定点中的各个测定点获得在与试样表面垂直的方向上的电位分布的信息。具体地说，在试样工作台与悬臂的基端之间的距离不同的多个位置的各位置处，求出随时间发生变化的探针的位移的检测信号所包含的振动成分相对于从激振部向探针提供的振动成分而言的相位延迟，由此获得各测定点处的在与试样表面垂直的方向上的电位分布。通过针对多个测定点中的各测定点获取该电位分布，从而获取试样表面的电位分布的三维信息。

(第二项)

在第一项所记载的扫描探针显微镜中，

所述预先决定的频率是所述悬臂的共振频率。

在第二项所记载的扫描探针显微镜中，由于使悬臂以共振频率较大地进行振动，因此即使在液体试样中、特别是粘性较大的液体试样中也能够检测振动成分的调制。

(第三项)

在第一项或第二项所记载的扫描探针显微镜中，还具备：

图像生成部，其根据指定与所述试样的表面相距的距离的输入，来读出所述多个测定点处的该距离的电位，将各测定点设为一个像素单位来生成能够识别不同的电位的映射图像；以及

显示处理部，其显示由所述图像生成部生成的图像。

在第三项所记载的扫描探针显微镜中，能够对与试样表面相距相等距离的面内的电位分布进行解析。

(第四项)

在第一项至第三项中的任一项所记载的扫描探针显微镜中，还具备：

图像生成部，其根据指定与所述试样工作台相距的距离的输入，来读出所述多个测定点处的该距离的电位，将各测定点设为一个像素单位来生成能够识别不同的电位的映射图像；以及

显示处理部，其显示由所述图像生成部生成的图像。

在第四项所记载的扫描探针显微镜中，无论试样表面的形状如何都能够对在与试样工作台平行的面内的电位分布进行解析。

(第五项)

在第一项至第四项中的任一项所记载的扫描探针显微镜中，还具备：

图像生成部，其根据指定电位的大小的输入，来读出所述多个测定点处的具有该电位的高度，将各测定点设为一个像素单位来生成能够识别不同的高度的映射图像；以及

显示处理部，其显示由所述图像生成部生成的图像。

在第五项所记载的扫描探针显微镜中，能够进行等电位面的解析。

(第六项)

在第一项至第五项中的任一项所记载的扫描探针显微镜中，

还具备力曲线制作部，该力曲线制作部针对所述多个测定点中的各个测定点，基于所述多个位置中的各个位置处的所述悬臂的挠曲量来制作力曲线。

在第六项所记载的扫描探针显微镜中，不仅能够获得电位分布，而且能够获得在试样表面的附近起作用的范德华力等力学作用的三维信息即体数据。

(第七项)

在第六项所记载的扫描探针显微镜中，

还具备显示处理部，该显示处理部根据指定所述多个测定点中的某一个测定点的输入，来显示该指定的测定点处的力曲线以及在与所述试样的表面垂直的方向上的电位分布这两者。

在第七项所记载的扫描探针显微镜中，使用者能够在映射图像等中简单确认关注的测定点处的力曲线和电位分布。

Claims (7)

1.一种扫描探针显微镜，具备：

试样工作台，其用于载置试样；

悬臂，其基端被固定，并且在顶端设置有探针；

移动机构，其使所述试样工作台与所述基端之间的距离变化；

激振部，其使所述悬臂以预先决定的频率和振幅进行振动；

位移检测器，其检测探针相对于所述基端的位移；

测定控制部，其针对预先设定于所述试样的多个测定点中的各个测定点执行如下的测定动作：在所述试样工作台与所述基端之间的距离不同的多个位置处执行在通过所述激振部对所述悬臂进行激振的状态下检测规定时间的所述探针的位移的处理；

表面形状信息获取部，其针对所述多个测定点中的各个测定点，通过基于所述多个位置中的各个位置处的在所述规定时间内的所述探针的位移求出所述悬臂的挠曲量，来获取所述试样的表面形状的信息；以及

电位信息获取部，其针对所述多个测定点中的各个测定点，通过基于所述多个位置中的各个位置处的在所述规定时间内的所述探针的位移求出该位移的振幅的大小或相位的变化量，来获取在与所述试样的表面垂直的方向上的电位分布的信息。

2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中，

所述预先决定的频率是所述悬臂的共振频率。

3.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中，还具备：

图像生成部，其根据指定与所述试样的表面相距的距离的输入，来读出所述多个测定点处的该距离的电位，将各测定点设为一个像素单位来生成能够识别不同的电位的映射图像；以及

显示处理部，其显示由所述图像生成部生成的图像。

4.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中，还具备：

图像生成部，其根据指定与所述试样工作台相距的距离的输入，来读出所述多个测定点处的该距离的电位，将各测定点设为一个像素单位来生成能够识别不同的电位的映射图像；以及

显示处理部，其显示由所述图像生成部生成的图像。

5.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中，还具备：

图像生成部，其根据指定电位的大小的输入，来读出所述多个测定点处的具有该电位的高度，将各测定点设为一个像素单位来生成能够识别不同的高度的映射图像；以及

显示处理部，其显示由所述图像生成部生成的图像。

6.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中，

还具备力曲线制作部，该力曲线制作部针对所述多个测定点中的各个测定点，基于所述多个位置中的各个位置处的所述悬臂的挠曲量来制作力曲线。

7.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其中，

还具备测定点信息显示部，该测定点信息显示部根据指定所述多个测定点中的某一个测定点的输入，来显示该指定的测定点处的力曲线以及在与所述试样的表面垂直的方向上的电位分布这两者。