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2023.07.24

走査プローブ顕微鏡（SPM）とは？原理や応用分野について解説

走査プローブ顕微鏡（SPM）とは

走査プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）は、微小領域の表面形状や物性を観察するための高精度な計測技術の一つである。SPMは、その名の通り、非接触で試料表面を走査することで、高解像度で表面の形状や物性を観察することができる。

SPMには、主に原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）とトンネル効果顕微鏡（Scanning Tunneling Microscopy, STM）があり、それぞれ異なる原理に基づいている。

AFMは、試料表面に微小なチップを近づけ、チップと試料間の原子間力によって相互作用を起こすことで表面形状を観察する。一方、STMは、試料表面に微小な金属チップを接触させ、電流を流しトンネル効果を利用して表面形状を観察する。

SPMは、ナノテクノロジー、材料科学、生命科学、化学、表面科学などの分野で広く応用されており、試料の形状や物性に関する情報を得るための有力な手段として、現在でも研究が進められている。また、SPMは、原子スケールでの構造解析やナノマテリアルの設計・開発、生体分子の解析などにも活用されている。

走査プローブ顕微鏡の原理

走査プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）は、試料表面をナノメートル単位で走査することで、表面形状や物性を調べるための顕微鏡の一種である。SPMは非接触型と接触型の2つに分類され、主にアトム、分子、表面物理学的性質、表面反応、表面力学、生物学的材料などの研究に使用される。

SPMの原理は、微小なチップ（プローブ）を試料表面に接近させ、表面の凸凹を検出することで、その高低差を測定することにより表面形状を観察するというものである。プローブと試料表面の間に生じる力を感知して、それによってプローブを移動させることで、試料表面の形状をマッピングすることができる。また、SPMは試料表面の物性や表面反応にもアクセスでき、局所的に試料表面を加熱、切削、溶解することもできる。

SPMは、主に以下のような種類がある。

1.原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）

プローブと試料表面の間に生じる原子間力を利用して表面形状を観察する。

2.トンネル電子顕微鏡（Scanning Tunneling Microscopy, STM）

試料表面にトンネル電流を流し、その電流の強度から表面形状を観察する。

3.化学力顕微鏡（Chemical Force Microscopy, CFM）

化学反応を利用して表面形状を観察する。

4.磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscopy, MFM）

試料表面の磁場を感知して表面形状を観察する。

SPMは、ナノテクノロジー、材料科学、生物学、医学などの分野で活用され、ナノメートルスケールでの表面解析、材料表面改質、ナノ構造の構築、生体分子の観察などに貢献している。

走査プローブ顕微鏡の応用分野

走査プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）は、微小な表面形状や物性を高精度に測定するための顕微鏡であり、表面の原子・分子レベルの情報を取得することができる。その高い分解能と測定領域の広さから、様々な応用分野で活用されている。

以下に、走査プローブ顕微鏡の応用分野の一部を紹介する。

ナノテクノロジー

走査プローブ顕微鏡は、ナノテクノロジー分野で最も重要な分析手法の一つとなっている。ナノスケールでの表面形状や物性の測定に優れ、ナノデバイスの設計・評価、ナノ材料の解析などに広く用いられている。

材料科学

走査プローブ顕微鏡は、材料表面の微細構造や物性の解析に有用である。例えば、金属やセラミックスなどの材料表面の疲労亀裂や欠陥の評価、ポリマーの物性評価、バイオマテリアルの表面形状解析などに用いられている。

生命科学

走査プローブ顕微鏡は、生命科学分野でも広く用いられている。例えば、細胞表面の形状や構造、分子レベルの相互作用の解析などが可能である。また、生体内の物質移動や生体反応の解析にも応用されている。

環境科学

走査プローブ顕微鏡は、環境科学分野においても用いられている。例えば、大気汚染物質の微小粒子の形状解析、海洋微生物の観察、環境汚染物質の表面反応の解析などに応用されている。

電子デバイス

走査プローブ顕微鏡は、電子デバイスの評価にも有用である。例えば、半導体チップ表面の欠陥評価、集積回路の接続端子の形状解析、磁気デバイスの磁場分布解析などに応用されている。