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（株）日本レーザー

ピエゾシステムイエナ社の光学機器〈顕微鏡検査〉（採用例1）

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ピエゾシステムイエナ社の光学機器
〈アプリケーション例〉

このセクションでは顕微鏡関連のピエゾアプリケーションの概要と推奨システムについて記述します。応用例は、サンプルの位置決め、走査型AFM、ラマン、SNOM、電子ビーム、マイクロレンズ/マイクロ対物レンズの位置決め等です。

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（株）日本レーザー

【所在地】〒169-0051東京都新宿区西早稲田２－１４－１

【電話番号】03-5285-0861 【FAX番号】03-5285-0860

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			（採用例）赤外波長での走査型近接場光学顕微鏡
			（採用例）ピエゾシステムスキャナを用いたナノライフAFM システム
			顕微鏡アプリケーション向け製品

ピエゾシステムイエナ社の光学機器〈アプリケーション〉
－顕微鏡検査－

アプリケーション	推奨システム
サンプル位置決め	X軸ステージ　PXシリーズ XYZ軸ステージ　TRITOR シリーズ Z軸ステージ　PZシリーズケース付きスタックアクチュエータ　PAシリーズ NanoX 高速ポジショナ
スキャニングAFM、ラマン、走査型近接場光顕微鏡、電子ビーム	XYZ軸ステージ　TRITOR シリーズ XY軸ステージ　PXYシリーズフォーカスレンズポジショナ　MIPOSシリーズ NanoX 高速ポジショナ
マイクロレンズ、マイクロ対物レンズ位置決め	フォーカスレンズポジショナ　MIPOSシリーズ

赤外波長での走査型近接場光学顕微鏡

光イメージングでは回折限界による解像度の限界がよく知られています。顕微鏡のような古典的光学装置での最大空間解像度はλ/2（λは観測に使用する波長）です。λよりはるかに小さい細部の解像に必要な高い空間周波数に相当する電磁場のフーリエスペクトルは、サンプル表面近傍の限られた電磁波に含まれます。近接場と呼ばれるこの領域で、フーリエスペクトルはサンプル表面に対して垂直方向に指数関数的に減衰します。これらエバネセント波は原理的にサンプルから離れたところでは検出できません。そのため古典的光イメージングでは、特に10μmオーダーの赤外領域での解像度が制限されます。

走査型近接場光学顕微鏡（SNOM）は近接場でのエバネセント波を検出し、nmレベルの解像度で光学イメージを生成できます。この装置は原子間力顕微鏡（AFM）を応用したもので、ピエゾ駆動ステージを用いて、そのステージ上に設置したナノサイズのチップをラスタスキャンすることでサンプルのスキャンエリアの形状をイメージングします。半導体レーザーデバイスの表面の近接場イメージングを例に、散乱チップ（s-SNOM）付きSNOMの原理を図1に示します。基本的なAFMでは、チップのZ軸位置を制御するフィードバックシグナルをXY位置の関数として記録し、サンプルのトポグラフィを描きます。一方s-SNOMでは、チップはまた近接場で電磁波を散乱させる役割も担います。チップの先端部はサブ波長散乱体を構成し、集光オプティクス（放物面鏡、レンズ等）を組合せた単一チャンネル・フォトディテクタで散乱場の強度をXY位置の関数として測定します。これにより同時に記録されるAFMトポグラフィと同じ解像度で、サンプル表面のスキャンエリアの超高解像度光イメージが生成されます。s-SNOMを用いた光イメージングでは、赤外領域でも数十ナノメートル程度までの解像度を達成できます。

パリCNRS / ESPCI ParisTech Institut Langevin のYannick De Wilde 博士の研究グループにより開発されたs-SNOMにはpiezosystem jena社のナノポジショニングシステム（図1）が用いられました。サンプルはピエゾ駆動XYステージPXY 100SGに設置されます。このステージはクローズドループで、移動量80μm x 80μm、この全域を分解能2nm以下で動作します。電気化学的にエッチングしたタングステンチップを石英音叉（QTF）上に接着して使用します。測定の間QTFは、ピエゾ素子の小片により機械的共振近くに励起されます。結果として生じる振動により、チップとサンプル表面は周波数約30kHzで断続的に接触します。QTF電気信号の振幅はフィードバックされ、Nシリーズスタック型アクチュエータ（全移動量16μm）によるチップの高さ制御に利用されます。スキャンヘッドは高開口数の反射型対物レンズの下にあります。この対物レンズはチップ先端で散乱された赤外光を、窒素冷却されたテルル化カドミウム水銀（MCT）検出器に集光します。検出器の出力シグナルをロックインアンプで計測、チップの振動周波数をリファレンスとして、チップ散乱による近接場シグナルをバックグランドから抽出します。
このs-SNOMは、動作中の半導体デバイスの赤外領域での近接場イメージングや、加熱サンプルからの赤外線熱放射のみのイメージングが可能です。図2は表面トポグラフィと、同時に記録された中赤外量子カスケードレーザー（発光波長 7.5μm）表面の近接場像です。後者はオルセーにあるパリ第11大学Institut d’Electronique Fondamentale及びCNRSのRaffaele Colombelli博士の研究グループが開発したものです。デバイスのスキャン領域は1.2μmピッチグレーティングの上部金属電極です。この電極はレーザーが電気的に励起されると表面プラズモンと呼ばれる表面波を生じます[1,2]。トポグラフィ画像はグレーティングのストラクチャを可視化しますが、赤外の近接場イメージではレーザーキャビティ上の電磁モードの空間分布を観測できます。Institut Langevinで行われたこれらのs-SNOM観測では、新しいデバイスの開発にあたってInstitut d’Electronique Fondamentaleの研究チームが重要な役割を果たしました。最近の実験では、電気励起によるハイブリッド表面プラズモンの発生[1]、パッシブ導波路への表面プラズモン結合[2]、これらの閉込め特性の増強[3]が挙げられます。

Institut Langevinのs-SNOMセットアップの他の応用例として、近接場における赤外熱放射の研究があります [4]。このs-SNOMの新しい応用は熱放射走査型トンネル顕微鏡（TRSTM）と呼ばれ、赤外暗視カメラの近接場イメージングのようなものとみなすことができます。このセットアップでは、最高200℃まで加熱できる熱プレートに取り付けたサンプル表面の赤外熱放射を測定できます。熱励起された表面プラズモンで形成される定在モードパターンのような新しい物理現象がTRSTMで確認できます。注目すべきはこの装置が電磁波の局在状態密度を観測できるという点です [4]。図3aは装置の空間分解能を説明する例で、λ=10μmにおける2つの物質の近接場熱放射イメージングです。

近接場イメージングに加え、最近この研究グループは走査プローブとフーリエ変換赤外スペクトロメータを組合せて、赤外スペクトルを空間分解能約100nmで測定する新しいタイプのFTIR分光法を開発しました[5]。例として図3bに、Institut Langevin 研究グループのPhD学生であるFlorian Peragutが計測した炭化ケイ素サンプルの表面の近接場スペクトルを示します。近接場分光が実現した今、彼の目標は赤外領域でのハイパースペクトルイメージング装置の開発です。原理的には、ひとつの固定位置においてだけでなく画像のあらゆるポイントでスペクトルを計測し、研究サンプルのスペクトル特性を波長より小さい空間分解能でマッピングすることになります [6]。


	図 1: 半導体レーザーデバイスの近接場イメージングのためInstitut Langevinで開発されたs-SNOM の操作原理を示した模式図


	図2: s-SNOMで同時に計測された画像。発振波長7.5μm 量子カスケードレーザーキャビティの1.2μmピッチ金属グレーティングパターン表面の(a)トモグラフィイメージ、(b)近接場イメージ。近接場イメージではグレーティング表面に表面プラズモンが生成されているのが見える[1,2]。


	図 3a: 熱放射走査型トンネル顕微鏡による画像。100 nm 厚の金被膜（右）で部分的に覆われた炭化ケイ素基板（左）。本装置の空間分解能を示す一例。		図 3b: 熱放射走査型トンネル顕微鏡とフーリエ変換赤外スペクトロメータによるSiCの近接場熱放射スペクトル。

参考文献:
[1] A. Bousseksou, R. Colombelli, A. Babuty, Y. De Wilde, Y. Chassagneux, C. Sirtori, G. Patriarche, G. Beaudoin, I. Sagnes, A semiconductor laser device for the generation of surface-plasmons upon electrical injection, Opt. Express 17, 9391-9400 (2009)
[2] A. Babuty, A. Bousseksou, J.-P. Tetienne, I. Moldovan Doyen, C. Sirtori, G. Beaudoin, I. Sagnes, Y. De Wilde, R. Colombelli, Semiconductor Surface Plasmon Sources, Phys. Rev. Lett. 104, 226806 (2010)
[3] A. Bousseksou, A. Babuty, J.-P. Tetienne, R. Braive, G. Beaudoin, I. Sagnes, Y. De Wilde, R. Colombelli, Sub-Wavelength Energy Concentration with Electrically Generated Mid-Infrared Surface Plasmons, Opt. Express 20, 13738 (2012).
[4] Y. De Wilde, F. Formanek, R. Carminati, B. Gralak, P.-A. Lemoine, K. Joulain, J.-P. Mulet, Y. Chen, J.-J. Greffet, Thermal Radiation Scanning Tunnelling Microscopy, Nature 444, 740-743 (2006).
[5] A. Babuty, K. Joulain, P.-O. Chapuis, J.-J. Greffet, Y. De Wilde, Blackbody Spectrum Revisited in the Near Field, Phys. Rev. Lett. 110, 146103 (2013).
[6] F. Peragut, J.B. Brubach, P. Roy, Y. De Wilde, Near-field imaging and spectroscopy with broadband sources, submitted (2014)

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