JPH02247557A - 光音響分光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ この発明は光音響分光計に関する。より詳細には、パル
ス状エネルギー波が照射された試料内部のサーマルウェ
ーブの伝搬の様子を観測する光音響分光計に関する。

［従来の技術］ 従来、光音響分光計にはレーザー光を用いたＰＡＳ１電
子線ＰＡＳ、Ｘ！１ＩＰＡＳ等が用いられている。従来
例に係る光音響分光計の構成を第３図及び第４図に示す
。第３図に示されるように、図示しない光源から出た光
はチョッパー１０１により断続光にされ、パルス状エネ
ルギー波として試料１０２の表面に照射される。パルス
状エネルギー波が照射された試料１０２の内部では、パ
ルス状エネルギー波の周波数に対応した周波数のサーマ
ルウェーブが発生し、このサーマルウェーブは試料１０
２の全体に伝搬する。このサーマルウェーブによって生
じる、試料１０２の内部の温度の高い領域では局所的に
膨張していて、原子間距離が大きくなっている。逆に、
温度が低い領域では原子間距離は短くなっている。この
結果、サーマルウェーブの伝搬によって、試料１０２の
表面が振動され、この振動が試料１０２の裏面に貼付け
られた圧電素子１０３で検出される。

あるいは、第４図に示されるように、試料１１１は密閉
セル１１２の内部に設けられた試料台１１３に載置され
、密閉セル１１２には空気、窒素等の気体が充填されて
いる。チョッパー１１４により変調されたパルス状エネ
ルギー波が試料１１１の表面に照射されると、音響信号
が発生して気体を媒体として密閉セル１１２内を伝わる
。この音響波が、密閉セル１１２の内側に配置されたマ
イクロフォン等の音響センサー１１５によって検出され
る。

いずれの場合にもパルス状エネルギー波の照射位置また
は試料を、試料表面に沿って走査させるとＰＡＳ像が得
られ、試料表面及び内部の構造、例えば格子欠陥等につ
いての知見が得られる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、第３図に示されるように、試料の裏面に圧電素
子を貼付ける構成においては、試料の表面形状を変化さ
せる恐れがあり、検出される電圧信号の誤差原因となる
。また、第４図に示されるような、試料面から放射され
る音響信号を検出する構成においては、試料の音響イン
ピーダンスと気体の音響インピーダンスとでは、その値
が大きく異なるため、試料表面で発生した音波の大部分
は界面で反射されて気体中によく伝達されないという欠
点がある。さらに、この構成では真空中でのｎ１定は不
可能である。また、検出器である圧電素子やマイクロフ
ォンは、検出感度を高めるために大型になり、解析する
物質構造の分解能が低い。

この発明は、試料面の形状を変化させることなく、サー
マルウェーブの伝搬の様子が良好に測定できる光音響分
光計を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の光音響分光計は、パルス状エネルギー波を試
料表面の所定領域に照射する照射手段と、前記パルス状
エネルギー波の照射領域以外の試料表面の近傍に非接触
で支持された尖鋭な先端を有する探針と、該探針と試料
表面との間に流れるトンネル電流または前記探針と試料
表面との間に作用する原子間力を検出する検出手段とを
備え、該検出手段で検出された前記トンネル電流または
前記原子間力から、試料表面及び内部に発生するサーマ
ルウェーブの伝搬の様子を測定し、試料の表面または内
部の構造を解析することを特徴とする。

［作用］ 試料表面にパルス状エネルギー波が照射されると、試料
表面及び内部にサーマルウェーブが発生し伝搬する。サ
ーマルウェーブが発生すると、試料内で局所的に温度が
高い領域が形成される。この局所的に温度が高い領域で
は、試料は膨張して原子間距離が大きくなる。この結果
、サーマルウェーブの伝搬は試料表面の表面変位として
現れ、この表面変位がサーマルウェーブの伝搬速度で試
料表面を伝わっていく。

この発明では、この表面変位が試料表面近傍に非接触で
配置された探針で検出される。すなわち、予め探針と試
料表面との間にトンネル電流を流しておき、試料表面が
変位すると、探針と試料表面との間隔の距離が変化し、
この結果がトンネル電流の変化として検出される。また
は、試料表面が変位して探針に接近した結果、探針の受
ける原子間力が検出手段で検出される。

［実施例］ この発明の一実施例に係る光音響分光計について、第１
図を参照にしながら説明する。レーザ〒ダイオード１か
ら出たレーザー光は、コリメータレンズ２で平行光にさ
れた後、チョッパー３で断続光にされてビームスプリッ
タ−４に照射される。

ビームスプリッタ−４で反射されたレーザー光は第１の
集光レンズ５を介して試料８の表面上に合焦され、パル
ス状エネルギー波が基板８の所定領域に照射される。一
方、適宜に証明された試料８の表面から反射されたレー
ザー光は、第１の集光レンズ、ビームスプリッタ−４、
第２の集光レンズ６を介して撮影装置７に照射される。

この結果、撮影装置７には、試料の表面の像がつくられ
、試料表面のレーザー光スポットの近傍が観察される。

ビームスプリッタ−４、第１の集光レンズ５、第２の集
光レンズ６及び撮影装置７で構成されるパルス状エネル
ギー波照射体１０は、試料８の表面に対して平行に走査
できるように構成されている。

また、試料台９に固定された保持部材１１には、マイク
ロメーター１２が試料台９に平行に固定され、スピンド
ル１３が基板方向に延出している。

スピンドル１３の先端部には第１のアクチュエーター１
４が取り付けられ、第１のアクチュエーター１４の下面
には試料台９に垂直に第２のアクチュエーター１５が取
り付けられ、第２のアクチュエーターの先端には探針１
６が取り付けられている。第１のアクチュエーター１４
及び第２のアクチュエーター１５は、例えば複数の電極
を備える圧電体からなり、探針１６は第２のアクチュエ
ーター１５で試料面に対して垂直方向に微動され、また
第１のアクチュエーター１４で試料面に対して平行に微
動される。さらに探針１６はマイクロメーター１２によ
って、スピンドル１３が延在する方向に粗動される。

基板８の表面にパルス状エネルギー波が照射されると、
試料８の表面及び内部にサーマルウェーブが発生し伝搬
していく。試料８の表面において、サーマルウェーブに
よって発生した局所的に温度の高い領域では、試料８の
体積膨張（微少ではあるカリにより変位している。この
微少変位は、サーマルウェーブの伝搬とともに試料８の
表面を伝わり、パルス状エネルギー波の照射位置から所
定距離離れて配置された探針１６で検出される。すなわ
ち、探針１６はパルス状エネルギー波の照射位置から所
定距離離れた所で、試料８の表面からＩＯ人程度上方に
支持され、予め探針１６と試料８をバイアスされていて
トンネル電流が流されている。試料８の表面の微少変位
が伝搬されて、探針１６と試料８の表面の間隔が変化す
ると、この変化に比例してトンネル電流の値が変化する
。このトンネル電流の変化が、図示しない電流検出器で
検出される。従って、トンネル電流の変化を検出するこ
とにより、試料８の表面でのサーマルウェーブの伝搬の
様子が測定される。

このように、この発明によれば、サーマルウェーブの伝
搬の様子が、試料面に非接触に配置された探針によって
測定されるので、試料を傷つけることなく測定できる。

さらに、気体媒体を必要としないので、試料が汚染され
ることもない。

トンネル電流を検出する際、探針１６を走査させて異な
る位置におけるトンネル電流の変化を検出することによ
って、検出されたトンネル電流の測定値の差から、トン
ネル電流検出位置近傍の状態変化がわかる。

また、パルス状エネルギー波の照射位置を変えてトンネ
ル電流の変化を検出することによって、パルス状エネル
ギー波の照射位置近傍での試料８の状態変化がわかる。

さらに、パルス状エネルギー波の照射位置とトンネル電
流検出位置の距離を変えないように、探針１６とパルス
状エネルギー波照射体１０を同時に試料８の表面上を走
査させてトンネル電流を検出することによって、バルク
の変化がわかる。

この実施例においては、試料８の表面の変位をトンネル
電流の変化として検出したが、例えば原子開力顕微鏡を
用いて試料８の表面変位による原子間力の変化として検
出してもよい。

この発明の別の実施例に係る光音響分光計について、第
２Ａ図及び第２Ｂ図を参照にして説明する。第２Ａ図に
示されるように、集光レンズ２６はｌａ筒２１の内部に
おいて固定されている。鏡筒２１の下端には例えばガラ
スからなる透明体２２が取り付けられ、この透明体２２
の下方にトンネル電流を検出する探針２５を備える１６
本のカンチレバー２４がアクチュエーター２３を介して
固定されている。１６本のカンチレバー２４は下端にお
いて第２Ｂ図に示されるように、中心に向けて鏡筒２１
の外周に等間隔で配置されている。カンチレバ２４は、
例えば電極を備える圧電体からなるアクチュエーター２
３によって、試料３ｏの表面に対して垂直方向に微動さ
れ、予め探針２５と試料３０の表面が所定間隔になるよ
うに保持される。

集光レンズ２６で集光されたパルス状エネルギー波が試
料３０の表面に照射されることにより発生するサーマル
ウェーブによって生じる試料３０の表面変位は、探針２
５と試料３０．との間に流れるトンネル電流の変化とし
て検出される。

この実施例において、複数の探針２５は、パルス状エネ
ルギー波の照射位置から等距離の同心円上に配置される
ので、試料３０の異方性の測定に効果がある。作用及び
他の効果は先の実施例と同様であり、ここでは省略する
。

［発明の効果］ この発明によれば、サーマルウェーブの伝搬にともなう
試料表面の変位は、試料表面近傍に非接触で配置された
探針で、トンネル電流の変化または原子間力として検出
されるので、試料面を処理することなく、しかも精度よ
くサーマルウェーブの伝搬の様子が測定される。この結
果、試料表面及び内部の構造をより正確に観察するのに
貢献する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明する図、第２Ａ図は
この発明の別の実施例に係る光音響分光計の部分断面図
、 第２Ｂ図は、第２Ａ図に示されるカンチレバーの配置を
説明する図、 第３図は従来例に係る光音響分光計の構成を示す図、 第４図は従来例に係る別の光音響分光計の構成を示す図
である。 （符号の説明） １・・・レーザーダイオード、２・・・コリメータレン
ズ、３・・・チョッパー　５・・・集光レンズ、８・・
・試料、１６・・・探針。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 第３図 第１図 第２Ａ図 第２Ｂ図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）パルス状エネルギー波を試料表面の所定領域に照
   射する照射手段と、前記パルス状エネルギー波の照射領
   域以外の試料表面の近傍に非接触で支持された尖鋭な先
   端を有する探針と、該探針と試料表面との間に流れるト
   ンネル電流の変化または前記探針と試料表面との間に作
   用する原子間力を検出する検出手段とを備え、該検出手
   段で検出された前記トンネル電流または前記原子間力か
   ら、試料表面及び内部に発生するサーマルウェーブの伝
   搬の様子を測定し、試料の表面または内部の構造を解析
   することを特徴とする光音響分光計。
2. （２）前記パルス状エネルギー波が、マイクロ波、赤外
   線、可視光、紫外線、Ｘ線、電子線のいずれかであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の光音響分光計。
3. （３）前記照射手段と前記探針の少なくともいずれか一
   方が、他方に対して相対的に走査されることを特徴とす
   る請求項１記載の光音響分光計。