特許 6671745 近接場プローブ構造および走査プローブ顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6671745

(24)【登録日】2020年3月6日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】近接場プローブ構造および走査プローブ顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   G01Q 60/38 20100101AFI20200316BHJP

   G01Q 60/22 20100101ALI20200316BHJP

   G01Q 60/32 20100101ALI20200316BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   G01Q60/38 101

   G01Q60/22 101

   G01Q60/32

   G01N21/64 Z

   G01N21/64 G

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-194551(P2015-194551)

(22)【出願日】2015年9月30日

(65)【公開番号】特開2017-67650(P2017-67650A)

(43)【公開日】2017年4月6日

【審査請求日】2018年6月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】304024430

【氏名又は名称】国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学

(74)【代理人】

【識別番号】100145872

【弁理士】

【氏名又は名称】福岡 昌浩

(74)【代理人】

【識別番号】100174540

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 廣美

(74)【代理人】

【識別番号】100187632

【弁理士】

【氏名又は名称】橘高 英郎

(74)【代理人】

【識別番号】100187643

【弁理士】

【氏名又は名称】白鳥 昌宏

(72)【発明者】

【氏名】安 東秀

【審査官】 素川 慎司

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０５１８８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−１８１６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４４２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１７４７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０１４０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０３０９２６５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｑ １０／００ − ９０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有し、
前記光照射取出部材は、光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分であり、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有し、
前記ダイヤモンドロッドの外面に、光を内側に反射させる反射膜が形成されており、
前記ダイヤモンドロッドの前記先端側部分の先端で、前記反射膜に開口が形成されている、近接場プローブ構造。

【請求項2】

試料の観察に用いられるプローブ機構と、
前記試料と前記プローブ機構との相対的な位置を制御する走査機構と、
光照射検出装置と、
を有し、
前記プローブ機構は、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
を有し、
前記光照射検出装置は、
前記励起光を出射する光源と、
前記蛍光を検出する検出器と、
一端側が前記光源および前記検出器に接続され、他端側が前記光照射取出部材に接続された光ファイバーと、
を有し、
前記光照射取出部材は、前記光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分であり、
前記ダイヤモンドロッドの外面に、光を内側に反射させる反射膜が形成されており、
前記ダイヤモンドロッドの前記先端側部分の先端で、前記反射膜に開口が形成されている、走査プローブ顕微鏡。

【請求項3】

前記ダイヤモンド部材は、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有する請求項２に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項4】

前記先端側部分の先端側の端面は、（１１１）面である請求項２または３に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項5】

前記窒素−空孔複合体中心にマイクロ波を照射するためのマイクロ波源
をさらに有する請求項２〜４のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項6】

磁場を印加する磁場印加装置
をさらに有する請求項２〜５のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項7】

前記走査プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡である請求項２〜６のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。

【請求項8】

前記走査プローブ顕微鏡は、周波数変調型原子間力顕微鏡である請求項２〜７のいずれか１項に記載の走査プローブ顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、近接場プローブ構造および走査プローブ顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

窒素−空孔複合体中心（ＮＶ中心）を含有するナノダイヤモンド粒子やダイヤモンドロッドを用いた光検出磁気共鳴センサーを、走査プローブ顕微鏡装置のプローブ先端に付加することで、ナノスケールでの磁性体や常磁性体単一電子スピンからの漏洩磁場検出が試みられている（非特許文献１、２参照）。

【0003】

ナノダイヤモンド粒子を用いた光検出磁気共鳴センサーに関連して、ナノダイヤモンド粒子を細胞中に取り込み計測する手法が提案されている（特許文献１参照）。

【0004】

光ファイバーを用いた近接場プローブが提案されている（特許文献２参照）。

【0005】

ＮＶ中心を含有するナノダイヤモンド粒子やダイヤモンドロッドを用いたセンサーにおいて、従来、励起光を対物レンズを介してＮＶ中心に照射し、ＮＶ中心からの蛍光を対物レンズを介して集光し検出する、遠視野法による光照射検出技術が用いられている。

【0006】

しかしながら、このような技術は、例えば、蛍光検出において対物レンズの集光効率が低い（ＮＡの上限値は１．４５程度である）ため全蛍光の１％未満しか検出できない等の課題を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−１８０５７０号公報

【特許文献2】米国特許第５５５９３３０号明細書

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】ジー・バラスブラマニアン他、ネイチャー、２００８年１０月、第４５５巻、ｐｐ．６４８−６５１

【非特許文献2】グリノルズ他、ネイチャーフィジックス、２０１３年２月、第９巻、ｐｐ．２１５−２１９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の一目的は、ＮＶ中心からの蛍光の検出効率を向上できる近接場プローブ構造、およびそれを用いた走査プローブ顕微鏡を提供することである。

【0010】

本発明の他の目的は、新規な構造を有する近接場プローブ構造、およびそれを用いた走査プローブ顕微鏡を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一観点によれば、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
が提供される。

【0012】

本発明の他の観点によれば、
試料の観察に用いられるプローブ機構と、
前記試料と前記プローブ機構との相対的な位置を制御する走査機構と、
を有し、
前記プローブ機構は、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
を有する、走査プローブ顕微鏡
が提供される。

【発明の効果】

【0013】

効果の一例としては、光照射取出部材により、窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるので、窒素−空孔複合体中心からの蛍光を対物レンズで集光して検出する技術と比べて、蛍光の検出効率を向上できることが挙げられる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態（または第２実施形態）によるＡＦＭの全体的な構成例を示す概略図である。

【図2】図２は、第１実施形態による近接場プローブ構造の構成例を示す概略図である。

【図3】図３（ａ）は、第２実施形態による近接場プローブ構造の構成例を示す概略図であり、図３（ｂ）は、第２実施形態による近接場プローブ構造と光ファイバーとの接続部の構成例を示す概略図である。

【図4】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第２実施形態による近接場プローブ構造のダイヤモンドロッドを形成する母材の概略斜視図である。

【図5】図５（ａ）は、第２実施形態による近接場プローブ構造のダイヤモンドロッドを形成する母材の概略斜視図であり、図５（ｂ）〜図５（ｄ）は、第２実施形態によるダイヤモンドロッドの側方から見た概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施形態による走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）について説明する。実施形態による走査プローブ顕微鏡は、以下に説明するように、窒素−空孔複合体中心（ＮＶ中心）を含有するダイヤモンド部材を用いた近接場プローブ構造を有することを特徴とする。

【0016】

ここでは、走査プローブ顕微鏡の一例として、周波数変調型原子間力顕微鏡（ＦＭ−ＡＦＭ）を挙げて説明を進める。例示のＦＭ−ＡＦＭを、以下単に、ＡＦＭと呼ぶこともある。

【0017】

まず、図１および図２を参照して、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態によるＡＦＭ１０の全体的な構成例を示す概略図である。図２は、第１実施形態によるＡＦＭ１０の有する近接場プローブ構造１２０（第１実施形態による近接場プローブ構造１２０）の構成例を示す概略図である。

【0018】

ＡＦＭ１０は、試料２０の観察に用いられるプローブ機構１００と、試料２０とプローブ機構１００との相対的な位置を制御する走査機構２００とを有する。

【0019】

プローブ機構１００は、水晶振動子１１０と、水晶振動子１１０の先端部に取り付けられた近接場プローブ構造１２０とを有する。水晶振動子１１０は、交流電圧源１１１から印加される交流電圧により所定の周波数で振動する。水晶振動子１１０としては、例えば音叉型の水晶振動子が用いられ、この場合、水晶振動子１１０の下側の（試料２０側の）脚の先端部に、近接場プローブ構造１２０が取り付けられる。

【0020】

近接場プローブ構造１２０の先端部が、試料２０と対向するプローブとして用いられる。近接場プローブ構造１２０について、試料２０に向かう側を先端側、その反対側を根元側と呼ぶこととする。

【0021】

第１実施形態による近接場プローブ構造１２０としては、図２に拡大して示すように、ＮＶ中心１３１を含有するダイヤモンド部材としてのナノダイヤモンド粒子１３０が、光照射取出部材としての光ファイバープローブ１４０の先端部に取り付けられた構造体が用いられる。なお、図示の便宜上、図２では、光ファイバープローブ１４０の先端部のやや側面側にずれた位置にナノダイヤモンド粒子１３０が取り付けられているような表示となっているが、光ファイバープローブ１４０の最先端（底面）にナノダイヤモンド粒子１３０が取り付けられていることが、より好ましい。

【0022】

光ファイバープローブ（第１実施形態における光照射取出部材）１４０は、先端部の径が後述の励起光３１１の波長より細くなっている光ファイバーであり、ナノダイヤモンド粒子（第１実施形態におけるダイヤモンド部材）１３０の含有するＮＶ中心１３１に近接場下で励起光３１１を照射し、励起光３１１によりＮＶ中心１３１から近接場下で生じた蛍光３２１を取り出すことができるように、ナノダイヤモンド粒子１３０に対して固定的に（一定の位置関係で）配置された部材として構成されている。

【0023】

光ファイバープローブ１４０としては、例えば市販の光ファイバープローブを用いることができ、例えば、外面にインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）からなる透明導電膜１４２が被覆されたものを用いることができる。なお、近接場プローブ構造１２０の外面に導電性の膜１４２が形成されていることで、近接場プローブ構造１２０は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブ機構での使用も可能となる。

【0024】

光ファイバープローブ１４０のコア１４１の先端部の径（直径）は、好ましくは１００ｎｍ以下である。ナノダイヤモンド粒子１３０の径は、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下であり、例えば２０ｎｍ〜４０ｎｍである。なお、ここで「ナノダイヤモンド粒子１３０の径」は、ナノダイヤモンド粒子１３０を取り囲める（内包できる）球のうち最小のものの直径で表す。

【0025】

ナノダイヤモンド粒子１３０の含有するＮＶ中心１３１は、後述のようなセンサーとして用いられる。ナノダイヤモンド粒子１３０に複数のＮＶ中心１３１が含有されていても、センサーとして用いることはできるが、センサーの空間分解能を最良とするためには、ナノダイヤモンド粒子１３０に単一のＮＶ中心１３１が含有されていることが好ましい。すなわち、空間分解能の観点からは、センサーとして単一のＮＶ中心１３１を用いることが最も好ましい。

【0026】

ＮＶ中心１３１は、センサーとしての挙動を安定させるために、ナノダイヤモンド粒子１３０の先端側の端からの高さ（深さ）として、３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内に位置していること（例えば５ｎｍ程度に位置にしていること）が好ましい。

【0027】

光ファイバープローブ１４０の根元側は、光ファイバー３０１を介して、光照射検出装置３００に接続されている。光照射検出装置３００は、励起用レーザ光源３１０と、蛍光検出器３２０と、分岐光学系３３０とを有する。なお、光ファイバー３０１を、光照射検出装置３００の一部として捉えてもよい。また、光照射検出装置３００を、ＡＦＭ１０の一部として捉えてもよい。

【0028】

励起用レーザ光源３１０は、励起光３１１として例えば波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を出射する。励起用レーザ光源３１０から出射された励起光３１１が、分岐光学系３３０および光ファイバー３０１を介して、光ファイバープローブ１４０に入射する。

【0029】

光ファイバープローブ１４０に入射した励起光３１１は、近接場下でＮＶ中心１３１に照射される。励起光３１１により、ＮＶ中心１３１からは、近接場下で、蛍光３２１として波長６００ｎｍ〜８００ｎｍの赤色光が放出される。ＮＶ中心１３１から近接場下で生じた蛍光３２１は、光ファイバープローブ１４０により取り出され、光ファイバー３０１および分岐光学系３３０を介して、蛍光検出器３２０に入射する。

【0030】

分岐光学系３３０は、励起光３１１を、励起用レーザ光源３１０側から近接場プローブ構造１２０側に選択的に伝搬させ、蛍光３２１を、近接場プローブ構造１２０側から蛍光検出器３２０側に選択的に伝搬させる。分岐光学系３３０は、例えば、ダイクロイックミラーやフィルタ等を用いて構成される。

【0031】

蛍光検出器３２０は、蛍光３２１の強度等を検出する。蛍光検出器３２０は、例えばアバランシェフォトダイオード等を用いて構成される。

【0032】

蛍光３２１の強度は、ＮＶ中心１３１にマイクロ波を照射しながら測定される。このとき、蛍光３２１の強度は、照射マイクロ波の周波数に依存して変化する。周囲の環境、例えば磁場等の影響を受けない状況では、ＮＶ中心１３１で電子スピン共鳴（ＥＳＲ）遷移が生じる２．８７ＧＨｚにおいて、蛍光３２１の強度スペクトルに落ち込み（ディップ）が観測される。

【0033】

照射マイクロ波の周波数に対する蛍光３２１の強度スペクトル（これを以下単に、蛍光強度スペクトルと呼ぶこともある）は、周囲の環境、例えば磁場等の影響で形状が変化する。つまり、近接場プローブ構造１２０の先端部に配置されたＮＶ中心１３１の蛍光強度スペクトルは、試料２０の含有する電子スピン２１や核スピン２２による磁場等の影響により、形状が変化する。すなわち、近接場プローブ構造１２０の先端部に配置されたＮＶ中心１３１は、試料２０の状態を、蛍光強度スペクトルを介して検出するセンサーとして用いることができる。

【0034】

例えば、試料２０の磁場に起因するゼーマン分裂により、ＮＶ中心１３１の蛍光強度スペクトルには、２箇所のディップが観測されるようになる。また、磁場の大きさに依存して、ディップ間の周波数差が変化する。このように、ＮＶ中心１３１は、磁場センサーとして用いることができる。

【0035】

また例えば、試料２０の温度に依存して、蛍光強度スペクトルのディップを生じさせる周波数がシフトする。また例えば、試料２０の電場に依存して、蛍光強度スペクトルの形状は、磁場の場合と類似の変化を示す。このように、ＮＶ中心１３１は、温度センサーや電場センサーとして用いることもできる。

【0036】

蛍光強度スペクトルを取得するためにＮＶ中心１３１にマイクロ波を照射する手法は、特に制限されない。本例では、試料２０の表面上に、マイクロ波２３を放出するワイヤ２４が載置されており、ワイヤ２４が、試料２０の外部のマイクロ波源４００に接続されている。ワイヤ２４としては、例えば、直径３０μｍ程度の銅線が用いられる。なお、マイクロ波源４００を、ＡＦＭ１０の一部として捉えてもよい。

【0037】

磁場印加装置５００は、例えばＺ方向の静磁場５０１を印加する。磁場印加装置５００により静磁場５０１を印加可能な装置構成とすることで、測定条件を様々に変えることができ、測定の自由度が高められる。なお、磁場印加装置５００を、ＡＦＭ１０の一部として捉えてもよい。

【0038】

ＮＶ中心１３１のスピンの向きは、ゼーマン分裂の効果を最大にするため、磁場印加装置５００から印加される静磁場５０１の向きと平行であること、つまり、例えばＺ方向と平行であることが好ましい。

【0039】

ＮＶ中心１３１のスピンをＺ方向と平行とするために、ＮＶ中心１３１のスピンは、光ファイバープローブ１４０の先端部の延在方向と平行になっていることが好ましい。つまり、ＮＶ中心１３１のスピンが、光ファイバープローブ１４０の先端部の延在方向と平行になるように、ナノダイヤモンド粒子１３０が光ファイバープローブ１４０に取り付けられていることが好ましい。

【0040】

走査機構２００は、微動ピエゾステージ２１０と、制御装置２２０とを有する。微動ピエゾステージ２１０上に、試料２０が載置される。微動ピエゾステージ２１０は、粗動ピエゾステージ２３０上に載置され、粗動ピエゾステージ２３０は、除震台６００上に載置されている。

【0041】

粗動ピエゾステージ２３０は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向（高さ方向）のそれぞれに、例えば５ｍｍ程度の可動範囲を有し、試料２０の大まかな位置決めに用いられる。微動ピエゾステージ２１０は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向（高さ方向）のそれぞれに、例えば１００μｍ程度の可動範囲を有し、試料２０の精密な位置決めや、観察位置のＸＹ面内での連続的な走査に用いられる。なお、粗動ピエゾステージ２３０を、走査機構２００の一部として捉えてもよい。

【0042】

制御装置２２０は、粗動ピエゾステージ２３０および微動ピエゾステージ２１０を制御し、試料２０の位置を制御する。また、制御装置２２０は、ＸＹ面内での連続的な走査中に、プローブ機構１００と試料２０とのＺ方向（高さ方向）の位置関係変化に伴う、水晶振動子１１０の振動周波数の変化を検出し、水晶振動子１１０の振動周波数を一定とする試料２０の高さとなるように、Ｚ方向について微動ピエゾステージ２１０をフィードバック制御する。

【0043】

次に、第１実施形態による近接場プローブ構造１２０の作製方法の一例について説明する。近接場プローブ構造１２０に取り付けられる候補となる複数のナノダイヤモンド粒子が、支持基材上に分散配置された材料を準備する。この材料の各ナノダイヤモンド粒子に対し、蛍光強度スペクトルを測定し、共焦点顕微鏡による観察、光子相関法によるアンチバンチング信号の観測を行って、単一のＮＶ中心１３１を含有し、ＮＶ中心１３１が上述のような３ｎｍ〜１０ｎｍの深さに位置し、また、ＮＶ中心１３１のスピンがＺ方向と平行となるナノダイヤモンド粒子１３０を選定する。選定されたナノダイヤモンド粒子１３０を、例えば接着剤により光ファイバープローブ１４０の先端部に取り付ける。このようにして、第１実施形態による近接場プローブ構造１２０が作製される。

【0044】

次に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、第２実施形態について説明する。図３（ａ）は、第２実施形態によるＡＦＭ１０の有する近接場プローブ構造１２０（第２実施形態による近接場プローブ構造１２０）の構成例を示す概略図であり、図３（ｂ）は、第２実施形態による近接場プローブ構造１２０と光ファイバー３０１との接続部の構成例を示す概略図である。

【0045】

以下、主に、第１実施形態との違いについて説明する。説明の煩雑さを避けるため、第１実施形態と対応する部材や構造について、第１実施形態と同一の参照番号を用いて説明を進める。

【0046】

第２実施形態は、第１実施形態と、近接場プローブ構造１２０の構成が異なっており、その他の点は、第１実施形態と同様である。第２実施形態によるＡＦＭ１０の全体構成は、第１実施形態と同様であり、図１に示される。

【0047】

第２実施形態による近接場プローブ構造１２０としては、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッド１５０が用いられる。ダイヤモンドロッド１５０の長さ方向（延在方向）に直交する断面（横断面）の形状は、特に限定されず、例えば円形や多角形である。

【0048】

ダイヤモンドロッド１５０は、本例では一体的な（継目のない）部材として構成されているが、以下に説明するように、機能的な観点から、先端側部分１５１（１３０）と根元側部分１５２（１４０）とに区分して捉えることができる。

【0049】

ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分１５１の径は、励起光３１１の波長よりも細くなっており、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下である。なお、ここで「ダイヤモンドロッド１５０の径」は、ダイヤモンドロッド１５０の横断面を取り囲める（内包できる）円のうち最小のものの直径で表す。

【0050】

先端側部分１５１は、ＮＶ中心１３１を含有し、好ましくは単一のＮＶ中心１３１を含有する。

【0051】

ダイヤモンドロッド１５０の、先端側部分１５１よりも根元側に配置された根元側部分１５２は、先端側部分１５１との接続部、つまり先端側の端部の径が、励起光３１１の波長よりも細くなっており、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下である。また、根元側の端部の径が、励起光３１１の波長よりも太くなっており、例えば５μｍ程度である。

【0052】

根元側部分１５２の根元側の端部は、光ファイバー３０１に接続される。なお、光ファイバー３０１は、必要に応じて、外面に各種の被覆層を有していてもよい。

【0053】

このような構成により、ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分１５１は、第１実施形態におけるナノダイヤモンド粒子１３０と同等な、ＮＶ中心１３１を含有するダイヤモンド部材として機能する。また、ダイヤモンドロッド１５０の根元側部分１５２は、第１実施形態における光ファイバープローブ１４０と同等な、光照射取出部材として機能する。

【0054】

つまり、ダイヤモンドロッド１５０の根元側部分（第２実施形態における光照射取出部材）１５２（１４０）は、ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分（第２実施形態におけるダイヤモンド部材）１５１（１３０）の含有するＮＶ中心１３１に近接場下で励起光３１１を照射し、励起光３１１によりＮＶ中心１３１から近接場下で生じた蛍光３２１を取り出すことができるように、ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分１５１（１３０）に対して固定的に（一定の位置関係で）配置された部材として構成されている。

【0055】

このように、第２実施形態による近接場プローブ構造１２０としては、ＮＶ中心１３１を含有するダイヤモンド部材としての先端側部分１５１（１３０）が、光照射取出部材としての根元側部分１５２（１４０）の先端側に配置された構造体であるダイヤモンドロッド１５０が用いられる。

【0056】

ＮＶ中心１３１は、センサーとしての挙動を安定させるために、先端側部分１５１の先端側の端からの高さ（深さ）として、３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内に位置していること（例えば５ｎｍ程度に位置にしていること）が好ましい。

【0057】

また、ＮＶ中心１３１のスピンの向きは、磁場印加装置５００から印加される静磁場５０１の向きと平行であること、つまり、例えばＺ方向と平行であることが好ましい。

【0058】

ＮＶ中心１３１のスピンをＺ方向と平行とするために、ＮＶ中心１３１のスピンは、先端側部分１５１の先端側の端面の法線方向と平行になっていることが好ましい。

【0059】

図３（ｂ）は、光ファイバー３０１とダイヤモンドロッド１５０の根元側部分１５２との接続部を、光ファイバー３０１の軸方向と平行な視線で見た概略図である。根元側部分１５２の根元側の端面は、光ファイバー３０１のコア３０２の端面の形状と一致するかコア３０２の端面に内包される形状であることが好ましい。ダイヤモンドロッド１５０から光ファイバー３０１へ入射する蛍光３２１の、コア３０２への入射効率を高めるためである。

【0060】

ダイヤモンドロッド１５０の外面には、励起光３１１および蛍光３２１を内側に反射させるために、反射膜１６０が形成されていることが好ましい。反射膜１６０は、例えば、厚さ５ｎｍ程度の金層で構成される。なお、近接場プローブ構造１２０の外面に導電性の膜１６０が形成されていることで、近接場プローブ構造１２０は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブ機構での使用も可能となる。

【0061】

なお、ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分１５１の先端では反射膜１６０に開口が形成されていること、つまり、ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分１５１と試料２０とが反射膜１６０を介さずに対向できることが好ましい。反射膜１６０と試料２０の磁場等との相互作用を抑制するためである。

【0062】

次に、図４（ａ）〜図４（ｄ）および図５（ａ）〜図５（ｄ）を参照して、第２実施形態による近接場プローブ構造１２０の作製方法の一例について説明する。図４（ａ）〜図４（ｄ）および図５（ａ）は、ダイヤモンドロッド１５０を形成する母材１７０の概略斜視図であり、図５（ｂ）〜図５（ｄ）は、ダイヤモンドロッド１５０の側方から見た概略断面図である。

【0063】

図４（ａ）を参照する。ダイヤモンドからなる母材１７０を準備する。母材１７０の表面（主面）は、（１１１）面であることが好ましい。母材１７０の大きさは、例えば、２ｍｍ角で厚さが１００μｍである。

【0064】

母材１７０の表面の、ダイヤモンドロッドを形成する各位置に、例えばニッケルを蒸着してマスク１７１を形成する。各マスク１７１は、例えば直径５μｍである。

【0065】

図４（ｂ）を参照する。例えば、酸素とアルゴンの混合プラズマガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、母材１７０を表面側から異方性エッチングして、各マスク１７１の下方に、ダイヤモンドロッド１５０ａを形成する。各ダイヤモンドロッド１５０ａの高さ（長さ）は、例えば１００μｍである。

【0066】

図４（ｃ）を参照する。母材１７０からマスク１７１を除去する。

【0067】

図４（ｄ）を参照する。各ダイヤモンドロッド１５０ａの上面に、窒素イオン（Ｎ^＋）を注入する。イオン注入の条件は、例えば、入射エネルギー１０ｋｅＶ、ドーズ量１０^１２／ｃｍ^２である。ドーズ量を調整することで、１つのダイヤモンドロッド１５０ａ当り１つ程度のＮＶ中心を含有させることができる。また、入射エネルギーを調整することで、ダイヤモンドロッド１５０ａの端から所望の深さ範囲内にＮＶ中心を位置させることができる。

【0068】

図５（ａ）を参照する。母材１７０を例えば８５０℃で２時間アニールすることで、各ダイヤモンドロッド１５０ａにＮＶ中心１３１ａを形成する。

【0069】

ＮＶ中心１３１ａのスピンは、ダイヤモンド中ですべて＜１１１＞方向を向く。＜１１１＞方向としては４つの等価な方向があるので、表面が（１１１）面である母材１７０を用いることにより、母材１７０表面の法線方向を向いたスピンを持つＮＶ中心１３１ａを、１／４の確率で得ることができる。

【0070】

このようにして、近接場プローブ構造１２０に用いられるダイヤモンドロッド１５０の候補となる複数のダイヤモンドロッド１５０ａが形成された母材１７０が準備される。

【0071】

母材１７０の各ダイヤモンドロッド１５０ａに対し、蛍光強度スペクトルを測定し、共焦点顕微鏡による観察、光子相関法によるアンチバンチング信号の観測を行って、単一のＮＶ中心１３１を含有し、ＮＶ中心１３１が上述のような３ｎｍ〜１０ｎｍの深さに位置し、また、ＮＶ中心１３１のスピンがＺ方向と平行となる（母材１７０表面の法線方向と平行な）ダイヤモンドロッド１５０を選定する。

【0072】

図５（ｂ）を参照する。図５（ｂ）は、ダイヤモンドロッド１５０の側方から見た断面形状を示す概略図である。図４（ｂ）〜図５（ａ）に示したダイヤモンドロッドは、図示の便宜上、径を一定に示したが、実際は、母材上方側（エッチングが開始される側）ほど、ダイヤモンドロッド１５０の径は細くなっている。

【0073】

図５（ｃ）を参照する。選定されたダイヤモンドロッド１５０の上方部分を集束イオンビーム（ＦＩＢ）で細径化、先鋭化することで、先端側部分１５１（１３０）を形成する。その後、ダイヤモンドロッド１５０を母材１７０から切り離す。

【0074】

図５（ｄ）を参照する。ダイヤモンドロッド１５０を、例えば接着剤により光ファイバー３０１に取り付ける。さらに、ダイヤモンドロッド１５０の外面に金層を蒸着し、ダイヤモンドロッド１５０の先端では開口が形成されるように金層を除去して、反射膜１６０を形成する。ダイヤモンドロッド１５０の先端側の端面と、反射膜１６０の端面とは高さが揃っていること（面一となっていること）が好ましい。ダイヤモンドロッド１５０の先端側の端面は、（１１１）面となっている。このようにして、第２実施形態による近接場プローブ構造１２０が作製される。

【0075】

次に、第１、第２実施形態により得られる効果について例示的に説明する。なお、第１、第２実施形態をまとめて、単に、実施形態と呼ぶこともある。

【0076】

実施形態による近接場プローブ構造１２０は、ＮＶ中心１３１を含有するダイヤモンド部材（第１実施形態におけるナノダイヤモンド粒子、第２実施形態におけるダイヤモンドロッド１５０の先端側部分）１３０と、ＮＶ中心１３１に近接場下で励起光３１１を照射し、励起光３１１によりＮＶ中心１３１から近接場下で生じた蛍光３２１を取り出すことができるように、ダイヤモンド部材１３０に対して固定的に配置された光照射取出部材（第１実施形態における光ファイバープローブ、第２実施形態におけるダイヤモンドロッド１５０の根元側部分）１４０と、を有する。

【0077】

このような近接場プローブ構造１２０を有することで、実施形態によるＡＦＭ１０は、ＮＶ中心１３１をセンサーとして用いた磁場、温度、電場等の測定に用いることができる。

【0078】

ここで、従来用いられている技術である、励起光を対物レンズを介してＮＶ中心に照射し、ＮＶ中心からの蛍光を対物レンズを介して集光し検出する、遠視野法による光照射検出技術を、比較形態とする。

【0079】

比較形態では、蛍光検出において対物レンズの集光効率が低い（ＮＡの上限値は１．４５程度である）ため、全蛍光の１％未満しか検出できない。

【0080】

また、比較形態では、例えば波長５３２ｎｍの励起光を用いた場合、回折限界に起因して光の照射領域のサイズを３００ｎｍより小さくできない。このため、（可視光の）励起光の波長より充分に小さい、例えば１００ｎｍ以下のサイズの限定した領域（以下これを、ナノメートルサイズの限定した領域と呼ぶ）に、選択的に励起光を照射することができない。

【0081】

さらに、比較形態では、対物レンズを含む光学系が必要となることで、装置の小型化や複合化が難しい。

【0082】

一方、実施形態では、上述のように、近接場プローブ構造１２０を用いることで、近接場下での光照射検出を行うことができる。

【0083】

つまり、実施形態では、光照射取出部材１４０により、ＮＶ中心１３１から近接場下で生じた蛍光３２１を取り出すことができる。これにより、比較形態のようにＮＶ中心からの蛍光を対物レンズで集光して検出する技術と比べて、蛍光の検出効率を数十から数百倍に（数十パーセントに）高めることができる。

【0084】

また、実施形態では、光照射取出部材１４０により、ナノメートルサイズの限定した領域に、選択的に励起光３１１を照射可能となる。つまり、ナノメートルサイズの限定した領域に配置された特定のＮＶ中心１３１に、効率的に励起光３１１を照射することができる。

【0085】

さらに、実施形態では、対物レンズを含む光学系が不要となることで、装置の小型化や複合化が容易になる。対物レンズの位置合わせも不要となる。このため、例えば、極低温環境下での測定等、外部からは見えない場所での光照射、光検出が容易になる。

【0086】

第２実施形態では、近接場プローブ構造１２０にダイヤモンドロッド１５０を用いることで、ダイヤモンド部材（ダイヤモンドロッド１５０の先端側部分）１３０と、光照射取出部材（ダイヤモンドロッド１５０の根元側部分）１４０とが一体化されている。このため、第１実施形態のような、ダイヤモンド部材（ナノダイヤモンド粒子）１３０と、光照射取出部材（光ファイバープローブ）１４０との取り付け作業が不要となる。

【0087】

また、取り付け作業が不要となることで、ダイヤモンド部材１３０と光照射取出部材１４０との、取り付け作業に起因する位置ずれを避けることができる。つまり、第２実施形態は、第１実施形態と比べて、近接場プローブ構造１２０におけるＮＶ中心１３１の位置を制御しやすい。

【0088】

第１実施形態においては、支持基材上に分散配置された、近接場プローブ構造１２０に取り付けられる候補となる複数のナノダイヤモンド粒子のＮＶ中心のスピンの方向は、ランダムである。一方、第２実施形態においては、表面が（１１１）面である母材１７０を用いることで、近接場プローブ構造１２０に用いられる候補となる複数のダイヤモンドロッドのＮＶ中心のスピンの方向は、１／４の確率で母材表面の法線方向を向く。このため、第２実施形態は、第１実施形態と比べて、Ｚ方向と平行なスピンを有するＮＶ中心１３１を得やすい。

【0089】

以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【0090】

例えば、上述の実施形態では、走査プローブ顕微鏡の一例として、音叉型の水晶振動子を有するＦＭ−ＡＦＭを例示したが、他のタイプの振動子を用いてもよい。また、ＦＭ−ＡＦＭ以外のタイプのＡＦＭを用いてもよい。さらに、ＡＦＭ以外のタイプの走査プローブ顕微鏡、例えば走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等を用いてもよい。このように、上述の実施形態による近接場プローブ構造は、種々のタイプの走査プローブ顕微鏡のプローブ機構に用いることができる。

【0091】

以下、本発明の好ましい形態について付記する。

【0092】

（付記１）
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造。

【0093】

（付記２）
前記ダイヤモンド部材は、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有する付記１に記載の近接場プローブ構造。

【0094】

（付記３）
前記光照射取出部材は、光ファイバープローブであり、
前記ダイヤモンド部材は、前記光ファイバープローブの先端部に取り付けられたナノダイヤモンド粒子である付記１または２に記載の近接場プローブ構造。

【0095】

（付記４）
前記ナノダイヤモンド粒子の先端側の端から深さ３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内に、前記窒素−空孔複合体中心が位置している付記３に記載の近接場プローブ構造。

【0096】

（付記５）
前記窒素−空孔複合体中心のスピンの向きは、前記光ファイバープローブの先端部の延在方向と平行である付記３または４に記載の近接場プローブ構造。

【0097】

（付記６）
前記光照射取出部材は、光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分である付記１または２に記載の近接場プローブ構造。

【0098】

（付記７）
前記先端側部分の先端側の端から深さ３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内に、前記窒素−空孔複合体中心が位置している付記６に記載の近接場プローブ構造。

【0099】

（付記８）
前記先端側部分の先端側の端面は、（１１１）面である付記６または７に記載の近接場プローブ構造。

【0100】

（付記９）
前記窒素−空孔複合体中心のスピンの向きは、前記先端側部分の先端側の端面の法線方向と平行である付記６〜８のいずれか１つに記載の近接場プローブ構造。

【0101】

（付記１０）
前記根元側部分の根元側の端面は、前記光ファイバーのコアの端面の形状と一致するか前記コアの端面に内包される形状である付記６〜９のいずれか１つに記載の近接場プローブ構造。

【0102】

（付記１１）
前記ダイヤモンドロッドの外面に、光を内側に反射させる反射膜が形成されている付記６〜１０のいずれか１つに記載の近接場プローブ構造。

【0103】

（付記１２）
前記先端側部分の先端で、前記反射膜に開口が形成されている付記１１に記載の近接場プローブ構造。

【0104】

（付記１３）
試料の観察に用いられるプローブ機構と、
前記試料と前記プローブ機構との相対的な位置を制御する走査機構と、
を有し、
前記プローブ機構は、
窒素−空孔複合体中心を含有するダイヤモンド部材と、
前記窒素−空孔複合体中心に近接場下で励起光を照射し、前記励起光により前記窒素−空孔複合体中心から近接場下で生じた蛍光を取り出すことができるように、前記ダイヤモンド部材に対して固定的に配置された光照射取出部材と、
を有する近接場プローブ構造
を有する、走査プローブ顕微鏡。

【0105】

（付記１４）
前記ダイヤモンド部材は、単一の前記窒素−空孔複合体中心を含有する付記１３に記載の走査プローブ顕微鏡。

【0106】

（付記１５）
前記光照射取出部材は、光ファイバープローブであり、
前記ダイヤモンド部材は、前記光ファイバープローブの先端部に取り付けられたナノダイヤモンド粒子である付記１３または１４に記載の走査プローブ顕微鏡。

【0107】

（付記１６）
前記光照射取出部材は、光ファイバーに接続され、先端に向かって細くなる形状を有するダイヤモンドロッドの根元側部分であり、
前記ダイヤモンド部材は、前記ダイヤモンドロッドの前記根元側部分よりも先端側に配置された先端側部分である付記１３または１４に記載の走査プローブ顕微鏡。

【0108】

（付記１７）
前記励起光を出射する光源と、
前記蛍光を検出する検出器と、
をさらに有する付記１３〜１６のいずれか１つに記載の走査プローブ顕微鏡。

【0109】

（付記１８）
前記窒素−空孔複合体中心にマイクロ波を照射するためのマイクロ波源
をさらに有する付記１３〜１７のいずれか１つに記載の走査プローブ顕微鏡。

【0110】

（付記１９）
磁場を印加する磁場印加装置
をさらに有する付記１３〜１８のいずれか１つに記載の走査プローブ顕微鏡。

【0111】

（付記２０）
前記窒素−空孔複合体中心のスピンの向きは、前記磁場印加装置が印加する磁場と平行である付記１９に記載の走査プローブ顕微鏡。

【0112】

（付記２１）
前記走査プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡である付記１３〜２０のいずれか１つに記載の走査プローブ顕微鏡。

【0113】

（付記２２）
前記走査プローブ顕微鏡は、周波数変調型原子間力顕微鏡である付記１３〜２１のいずれか１つに記載の走査プローブ顕微鏡。

【0114】

（付記２３）
前記近接場プローブ構造の外面に、導電性の膜が形成されており、
前記走査プローブ顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡である付記１３〜２０のいずれか１つに記載の走査プローブ顕微鏡。

【符号の説明】

【0115】

１０ 原子間力顕微鏡（走査プローブ顕微鏡）
２０ 試料
１００ プローブ機構
１１０ 水晶振動子
１２０ 近接場プローブ構造
１３０ ダイヤモンド部材、ナノダイヤモンド粒子、ダイヤモンドロッドの先端側部分
１３１ ＮＶ中心
１４０ 光照射取出部材、光ファイバープローブ、ダイヤモンドロッドの根元側部分
１５０ ダイヤモンドロッド
１５１ ダイヤモンドロッドの先端側部分
１５２ ダイヤモンドロッドの根元側部分
２００ 走査機構
３００ 光照射検出装置
３０１ 光ファイバー
３１１ 励起光
３２１ 蛍光
４００ マイクロ波源
５００ 磁場印加装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】