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公開番号2025173350
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-27
出願番号2024078902
出願日2024-05-14
発明の名称測定システム、測定方法
出願人Gセラノスティックス株式会社
代理人個人,個人
主分類G01Q 60/06 20100101AFI20251119BHJP(測定;試験)
要約【課題】既存の原子間力顕微鏡(AFM)に光源ユニットを追加するだけで光励起ダイナミクスを測定できる。
【解決手段】計測システムは、カンチレバーと、カンチレバーの共振周波数や振幅の変化に応じた電圧または電流である変化量信号を出力するAFMコントローラ43と、光源ユニットと、を備え、光源ユニットは、入力される基準パルスP1に応じてポンプ光を出力するポンプ光生成部22と、入力される遅延パルスP2に応じてプローブ光を出力するプローブ光生成部23と、ポンプ光生成部22およびプローブ光生成部23に基準パルスP1および遅延パルスP2を入力し、かつ、遅延時間tdを複数とおりに切り替えて信号を繰り返し入力し、かつ遅延時間tdを切り替える際にロックインアンプ25に対して参照信号を出力するトリガー発生兼遅延時間制御器と、を備える。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
入力される第１信号に応じてパルスレーザであるポンプ光を出力する第１レーザと、
入力される第２信号に応じてパルスレーザであるプローブ光を出力する第２レーザと、
前記第１レーザおよび前記第２レーザに前記第１信号および前記第２信号を入力し、かつ、前記第１レーザに信号を入力するタイミングと前記第２レーザに信号を入力するタイミングとの差である可変ディレイ値を複数とおりに切り替えて前記第１信号および前記第２信号を繰り返し入力し、かつ前記可変ディレイ値を切り替える際にロックインアンプに対して参照信号を出力するトリガー発生兼遅延時間制御器と、
前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に導く補助光学系と、
前記試料に近接して配されるプローブチップを有するカンチレバーと、
前記カンチレバーに周期的に変動する電圧を印加し、前記カンチレバーの共振周波数の変化に応じた電圧または電流である変化量信号を出力するコントローラと、を備え、
前記ロックインアンプは、前記変化量信号を前記参照信号に基づき測定する、測定システム。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
請求項１に記載の測定システムにおいて、
前記トリガー発生兼遅延時間制御器は、前記可変ディレイ値を測定用遅延時間と基準用遅延時間に切り替え、前記基準用遅延時間は前記試料が前記第１レーザにより励起される励起状態が緩和する時間よりも長い時間である、測定システム。
【請求項３】
請求項２に記載の測定システムにおいて、
前記ロックインアンプは、
前記トリガー発生兼遅延時間制御器が前記測定用遅延時間に第１の値を設定し、前記基準用遅延時間に所定値を設定した状態で第１の前記変化量信号を測定し、
前記トリガー発生兼遅延時間制御器が前記測定用遅延時間に第２の値を設定し、前記基準用遅延時間に前記所定値を設定した状態で第２の前記変化量信号を測定する、測定システム。
【請求項４】
請求項１に記載の測定システムにおいて、
前記プローブチップに流れるトンネル電流を測定するトンネル電流測定部をさらに備える、測定システム。
【請求項５】
請求項１に記載の測定システムにおいて、
前記カンチレバーは、水晶振動子により構成され音叉型の形状を有する、測定システム。
【請求項６】
請求項１に記載の測定システムにおいて、
前記カンチレバーの動きに基づき、前記トリガー発生兼遅延時間制御器に前記第１信号および前記第２信号を出力させる指示装置をさらに備える、測定システム。
【請求項７】
請求項６に記載の測定システムにおいて、
前記指示装置は、前記カンチレバーの振動周波数の整数倍の周波数、または整数分の一の周波数で前記第１信号および前記第２信号を出力させる、測定システム。
【請求項８】
請求項７に記載の測定システムにおいて、
前記指示装置は、前記カンチレバーの先端が前記試料に最も近づいた際に前記ポンプ光および前記プローブ光が前記試料に照射されるように、前記第１信号および前記第２信号の位相を調整させる、測定システム。
【請求項９】
入力される第１信号に応じてパルスレーザであるポンプ光を出力する第１レーザ、入力される第２信号に応じてパルスレーザであるプローブ光を出力する第２レーザ、前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に導く補助光学系、前記試料に近接して配されるプローブチップを有するカンチレバー、およびロックインアンプを備える測定システムが実行する測定方法であって、
前記第１レーザおよび前記第２レーザに前記第１信号および前記第２信号を入力することと、
前記第１レーザに信号を入力するタイミングと前記第２レーザに前記第１信号および前記第２信号を入力するタイミングとの差である可変ディレイ値を複数とおりに切り替えて前記第１信号および前記第２信号を繰り返し入力することと、
前記可変ディレイ値を切り替える際に前記ロックインアンプに対して参照信号を出力することと、
前記カンチレバーに周期的に変動する電圧を印加し、前記カンチレバーの共振周波数の変化に応じた電圧または電流である変化量信号を出力することと、
前記ロックインアンプが、前記変化量信号を前記参照信号を用いて位相敏感検出により測定することと、を含む測定方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の測定方法において、
前記カンチレバーの動きに基づき、前記第１信号および前記第２信号を前記第１レーザおよび前記第２レーザに入力する入力工程をさらに含む、測定方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定システム、および測定方法に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡；Scanning Tunneling Microscope）は、導電性などの情報が得られるものの、測定対象が導電性のある物体に限定される。ＡＦＭ（原子間力顕微鏡；Atomic Force Microscope）は、一般にＳＴＭよりも扱いが簡便とされ、試料の表面を観察する手段として広く用いられている。特許文献１には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）ベースのシステムを使用して軟質粘弾性サンプルの機械的特性を決定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２２－８９９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されている発明では、光励起ダイナミクスを測定できない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様による測定システムは、入力される第１信号に応じてパルスレーザであるポンプ光を出力する第１レーザと、入力される第２信号に応じてパルスレーザであるプローブ光を出力する第２レーザと、前記第１レーザおよび前記第２レーザに前記第１信号および前記第２信号を入力し、かつ、前記第１レーザに信号を入力するタイミングと前記第２レーザに信号を入力するタイミングとの差である可変ディレイ値を複数とおりに切り替えて前記第１信号および前記第２信号を繰り返し入力し、かつ前記可変ディレイ値を切り替える際にロックインアンプに対して参照信号を出力するトリガー発生兼遅延時間制御器と、前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に導く補助光学系と、前記試料に近接して配されるプローブチップを有するカンチレバーと、前記カンチレバーに周期的に変動する電圧を印加し、前記カンチレバーの共振周波数の変化に応じた電圧または電流である変化量信号を出力するコントローラと、を備え、前記ロックインアンプは、前記変化量信号を前記参照信号に基づき測定する。
本発明の第２の態様による測定方法は、入力される第１信号に応じてパルスレーザであるポンプ光を出力する第１レーザ、入力される第２信号に応じてパルスレーザであるプローブ光を出力する第２レーザ、前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に導く補助光学系、前記試料に近接して配されるプローブチップを有するカンチレバー、およびロックインアンプを備える測定システムが実行する測定方法であって、前記第１レーザおよび前記第２レーザに前記第１信号および前記第２信号を入力することと、前記第１レーザに信号を入力するタイミングと前記第２レーザに前記第１信号および前記第２信号を入力するタイミングとの差である可変ディレイ値を複数とおりに切り替えて前記第１信号および前記第２信号を繰り返し入力することと、前記可変ディレイ値を切り替える際に前記ロックインアンプに対して参照信号を出力することと、前記カンチレバーに周期的に変動する電圧を印加し、前記カンチレバーの共振周波数の変化に応じた電圧または電流である変化量信号を出力することと、前記ロックインアンプが、前記変化量信号を前記参照信号を用いて位相敏感検出により測定することと、を含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、既存の顕微鏡ユニットに光源ユニットを追加するだけで光励起ダイナミクスを測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
第１の実施の形態における計測システムの全体構成図
遅延時間制御器の処理を示す図
測定例を示す図
変形例１における光源ユニットを示す図
変形例２における光源ユニットを示す図
変形例５における計測システムの全体構成図
第２の実施の形態における計測システムの全体構成図
フォーススペクトロスコピーを示す図
ＩＶ曲線を示す図
第３の実施の形態における計測システムの全体構成図
基準パルスの出力タイミングを説明する図
基準パルスの周波数を調整しない場合に生じる問題を示す図
基準パルスの位相を調整しない場合に生じる問題を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
―第１の実施の形態―
以下、図１～図３を参照して、計測システムの第１の実施の形態を説明する。
【０００９】
図１は、計測システム１の全体構成図である。計測システム１は、光源ユニット２と、顕微鏡ユニット３と、ＡＦＭユニット４とを含む。なお不図示の試料台を含むＡＦＭユニット４は公知の構成であり、計測システム１の特長はＡＦＭユニット４を光源ユニット２と組み合わせた点にある。
【００１０】
光源ユニット２は、トリガー発生器２１と、ポンプ光生成部２２と、プローブ光生成部２３と、遅延時間制御器２４と、ロックインアンプ２５と、を備える。光源ユニット２は、たとえば遅延時間変調励起光源ユニット（株式会社ユニソク、ＯＰＰ－ＰＳまたはＯＰＰ－ＮＳ）である。以下では、ポンプ光生成部２２を「第１レーザ」とも呼び、プローブ光生成部２３を「第２レーザ」とも呼ぶ。
（【００１１】以降は省略されています）

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