CN1212365A - 用于测量交换力的装置 - Google Patents

用于测量交换力的装置 Download PDF

Info

Publication number
CN1212365A
CN1212365A CN98109695A CN98109695A CN1212365A CN 1212365 A CN1212365 A CN 1212365A CN 98109695 A CN98109695 A CN 98109695A CN 98109695 A CN98109695 A CN 98109695A CN 1212365 A CN1212365 A CN 1212365A
Authority
CN
China
Prior art keywords
probe
sample
force
girder
semi
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN98109695A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1161605C (zh
Inventor
武笠幸一
早川和延
末冈和久
中村浩次
田附雄一
长谷川秀夫
小口多美夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hokkaido University NUC
Original Assignee
Hokkaido University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hokkaido University NUC filed Critical Hokkaido University NUC
Publication of CN1212365A publication Critical patent/CN1212365A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1161605C publication Critical patent/CN1161605C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/34—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
    • G01Q60/08—MFM [Magnetic Force Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32—AC mode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/50—MFM [Magnetic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. MFM probes
    • G01Q60/54—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
    • Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
    • Y10S977/852—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe for detection of specific nanostructure sample or nanostructure-related property

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

一种用于测量试样和探头之间的交换力的装置,该试样和探头彼此面向且间隔一处在密切接近或RKKY型交换(力)交互作用区内的距离,即由传导电子云开始彼此重叠的距离到定域电子云基本上彼此不重叠的距离。为了防止由于试样和探头之间的作用力作用使探头吸到试样上,在悬臂梁上设一压电元件,根据悬臂梁的位移产生一控制信号提供到压电元件上,以控制悬臂梁的弹性常数,根据提供到压电元件上的控制信号计算试样和探头之间的交换力。

Description

用于测量交换力的装置
本发明涉及一种用于测量一试样表面和以很小距离面向该试样表面配置的探头之间的交换力的装置。
迄今为止，在利用电子束分析固体试样的很多已知方法中，采用其强度(电子数)和动能作为测量量，用以进行分析。另一种用于把握电子状态的测量量是电子自旋。已经提出几种方法根据电子自旋评定固体物质的微观表面磁性。例如，按照图1中所示已经提出几种方法以原子级的分辨率测量各个原子的磁矩的方向。
根据在电子学方面近年来的进展，磁记录媒体上的记录密度逐年提高。图2是表示伴随磁记录媒体的变迁的记录密度的变化量与各种评定表面磁性的方法之间关系的曲线图。水平轴代表以格里(阳历)年计的时间，左侧竖直轴为线记录密度(周期/厘米)，右侧竖直轴代表以微米和毫微米计的评定表面磁性的各种方法的分辨率。在1900年开始的磁记录按照1毫米的波长，后来变得越来越密。在录音磁带中线记录密度得到提高。在β磁带和VHS磁带中同样提高。在最近的一种蒸镀式磁带中，一位的长度为0.3-0.4微米。在现代硬盘中，一位的长度已缩短到0.16-0.19微米。利用电子全息摄影技术在Co-Cr媒体上已观察到0.085微米的磁性记录位。评定表面磁性方法的分辨率也得到提高。利用Bitter(比特)技术的分辨率已由1微米提高到0.7微米，利用Kerr(克尔)效应方法的分辨率已由1微米提高到0.5微米。自旋极化扫描电子显微镜(SP-SEM)的分辨率由1984年的100-200微米到1994年20毫微米。利用磁力的显微镜(MFM)的分辨率1987年为100毫微米，1988年则为10毫微米。电子全息摄影的分辨率1991年为10毫微米，洛伦兹显微镜现在的分辨率为10毫微米，不久将来分辨率会达到0.7毫微米。
正如上面所解释的，表面磁性评定的分辨率已越来越高。然而，在材料特性或工程方面例如磁记录的基础研究都需要将分辨率提高。因此，热切地需要研究一种按照原子级分辨率评定固体表面的磁性特性的评定方法。本申请的发明人提出一种自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)。
图3是表示一种证实SP-STM效用的实验装置的示意图。在一实际的SP-STM中，试样是由磁性材料制成的，探头是由砷化镓(GaAs)制成的。然而，在该实验装置中，试样是由GaAs制成的，探头是由镍(Ni)制成的。只要试验研究是针对SP-STM的原理，这样构成不会带来任何问题。单模激光二极管1用作波长约830毫微米的线性偏振光源，最大输出功率约为30毫瓦。线性偏振激光束通过透镜2入射到一普克尔盒3。由振荡器4经过高压放大器5向普克尔盒3施加高电压。于是，按约400赫的调制频率受激励的圆偏振激光束被调制成为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。按这样一种方式，使受激的电子的自旋极化产生变化。经调制的激光束经过反射镜6-8，λ/4波片9和透镜10作为激励光入射到试样11上。由晶体Ni的丝制成的探头12由DC电压源13施加偏压，在压电元件14的控制下，使之接近试样11的表面11，这样一隧道电流可以由试样流向探头。由一控制单元15检测产生的隧道电流，控制单元的输出信号连同来自振荡器4的输出信号提供到监视器16。按照这种方式，检测取决于试样11的表面自旋极化的隧道电流。
在上述SP-STM中，检测由于射线激励产生的隧道电流，因此，不能适用于电绝缘的磁性材料。本发明人已经提出有一种可能的原子力的显微镜(AMF)，其能检测试样和探头之间的交换力。这样一种原子力显微镜可以应用于绝缘物体。
在该公知的原子力显微镜中，在一非接触区内进行测量，即在该区域内，探头的端部与试样表面分开相对大的距离，或者在一直接接触区内进行测量，即在该区域内，探头的端部与试样表面相接触。在非接触区内进行测量时，测量在磁偶极子之间产生的磁作用力。然而这些力属于长距离的作用力。因此不可能实现原子级的分辨率。在直接接触区内进行测量时，虽然可以按原子级的分辨率来评定表面结构，但不能以精确的方式测量试样和探头之间的交换力，因为探头端部与试样表面相接触并且受试样表面的磁特性的影响。因此不可能以精确的方式评定试样表面的本征磁性。
为了克服上述缺点，本发明人在同时待审的专利申请中提出了一种按原子级的分辨率测量探头和导电或绝缘的试样之间的交换力的方法。
按照这种方法，为了测量试样和探头之间的交换力，其中两者中的每一方都包含定域电子以及至少其中一方包含传导电子，试样和探头彼此以一定距离相对，这个距离在一个密切接近的范围内，即由传导电子云(波函数)开始彼此重叠的距离到定域电子云(波函数)基本上彼此不相重叠的距离，并测量在所述两种物质之间的交换力。上述密切接近的区域被称为RKKY型交换(力)交互作用区。
图4表示试样和探头的作用力和能量随其间的距离的变化。应注意，该作用可以通过对能量求微分获得。该RKKY型交换(力)交互作用区处在其中发生直接交换(力)交互作用的接触区和其中在磁偶极子之间交互作用的非接触区之间。在公知的原子力显微镜中，利用直接交换(力)交互作用区或非接触区。在这些区域内，不能按照原子级的分辨率测量试样和探头之间的作用力。应注意，在图4中用虚线表示直接交换(力)交互作用区，RKKY型交换交互作用区与磁偶极子交互作用区之间的边界，但是在实际上，这些边界是不能清楚确定的。
当试样和探头彼此面向并在RKKY型交换交互作用区内隔开某一距离时，试样和探头之间的交换力的量级为10-10牛顿。目前已有的原子力显微镜的测量极限约为10-12-10-13牛顿量级。因此，该10-10牛顿量级的交换力是可以测量的。
然而，如果要利用其中利用非接触区的悬臂梁式的已知的原子力显微镜来测量在RKKY型交换交互作用区内的交换力，要使探头与试样相接触，因为试样和探头之间的距离是不能精确控制的。由于悬臂梁的弹性常数是十分小的，当探头与试样密切接近时，悬臂梁的弹性力可能会克服试样和探头之间的作用力，而将悬臂梁吸向试样。当悬臂梁的弹性常数增加时，悬臂梁的灵敏度可能降低很多，不可能精确测量试样和探头之间的量级为10-10牛顿的交换力。
本发明的目的在于，提供一种新颖和实用的用于以原子级的分辨率精确测量彼此面对的按十分小的距离隔开的试样和探头之间在RKKY型交换力交互作用区内的交换力的装置。
根据本发明，一种测量试样和探头之间的交换力的装置，其中试样和探头之中的每一方包含定域电子以及其中的至少一方包含传导电子，该装置包含：
用于固定所述试样的装置，
弹性部件，用于支承所述探头，使所述试样和探头以在一紧密接近的区域内间隔的距离相对，即由传导电子云开始彼此重叠的距离到定域电子云基本上彼此不相重叠的距离；
位移测量装置，用于测量由于试样和探头之间的作用力引起的所述弹性部件的位移；
控制装置，用于克服试样和探头之间的作用力控制所述弹性部件的弹性，从而防止探头与试样相接触；以及
交换力检测装置，用于根据所述弹性部件的所述位移检测试样和探头之间的交换力。
根据本发明，所述弹性部件最好由一弹性悬臂梁构成，该悬臂梁一端固定到一稳定部件上；以及所述位移测量装置包含一固定到悬臂梁上的第一压电元件；一振荡器，用于向所述第一压电元件提供具有指定频率和指定辐值的驱动信号；以及光电式位置检测器件，用于检测悬臂梁的位移。
在根据本发明的一个优选实施例的装置中，所述控制装置包含一弹性常数调节装置，用于根据由位移测量装置提供的弹性部件的位移信号调节弹性部件的弹性常数。
另外，控制装置可以由这样一个装置构成，该装置利用电磁力或静电力防止探头与试样相接触。
在根据本发明的优选实施例的装置中，所述位移测量装置包含：固定到悬臂梁上的第一压电元件；一振荡器，用于产生具有指定频率和指定幅值的驱动信号；以及一光学式位置检测装置，用于以光电方式检测悬臂梁的位移；所述弹性常数调节装置包含第二压电元件和一控制电路，用于向所述第二压电元件提供控制信号，使悬臂梁按照指定频率和指定幅值振动；以及所述交换力检测装置包含计算电路，用于处理由所述控制电路提供的所述控制信号，以得到所述试样和探头之间的交换力。
图1是表示磁性试样表面的原子结构的示意图；
图2是表示在磁媒体、线记录密度、评定方法和分辨率各方面的进展的示意图。
图3是表示公知的自旋极化扫描隧道显微镜结构的示意图。
图4是表示距离与试样和探头之间作用力的相关关系的曲线图；
图5是表示在用于根据本发明的装置的测量原理的计算中所使用的试样和探头的示意图；
图6是表示试样和探头的原子结构模型的示意图；
图7是表示距离和试样与探头之间距离的相关关系的曲线图；
图8是表示距离和试样的磁矩的相关关系的曲线图；
图9A和9B是在直接交换(力)交互作用区和RKKY型交互作用区内的电子状态的示意图；
图10是表示利用根据本发明的方法测量交换力的装置的一个实施例的示意图；
图11是表示根据本发明的交换力测量装置的第二实施例的示意图；以及
图12是表示根据本发明的交换力测量装置的第三实施例的示意图。
首先，我们分析一简单的模型，其中使两个由一种3d过渡金属的铁制成薄膜彼此十分接近，如图5中所示。其中一个薄的铁薄膜可作为试样，另一个作为探头。在实际测量中，可以将试样看作为一薄膜，但探头是一十分尖的尖端，不能认为是薄膜。然而，从微观观点来看，探头也可以看作为一薄膜。还假设两个薄膜都具有由图6中所示的3个原子层组成的结构，各薄膜的(001)面彼此面对距离为d，薄膜的晶格常数为(2.83埃)。
当将坐标的原点置于两个薄膜之间的中点时，第一薄膜中的第一层x1中的原子位置用x1(0,0,d/2)来表示，第二层x2中的原子位置用x2(a/2,a/2,d/2+a/2)，以及第三层x3中的原子位置用x3(0,0,d/2+a)来表示。与之相似，在第二薄膜中，第一层x1’中的原子位置用x1’(a/2,a/2,-d/2)来表示，第二层x2’中的原子位置用x2’(0,0,-d/2-a/2)来表示，第三层x3’中的原子位置用x3’(a/2,a/2,-d/2-a)来表示。没有考虑表面松驰。这样假设晶格是刚性的。
由于两个薄膜之间的交换力可以按两个力之间的差得到，第一个力是在这些薄膜的各磁矩的方向彼此平行的状态下得到的，第二个力是在这些薄膜中的各磁矩的方向彼此逆平行的状态下得到的。因此，根据在这两个薄膜之间的距离研究这些第一和第二力之间的相关关系。利用对于密度-函数理论的定位自旋近似，通过第一原理计算得出该关系。在计算时，利用全位(full potential)线性扩展平面波(LAPW)法。本发明人例如在“日本应用物理学报(JJAP)”第33卷(1994)第2692-2695页、“材料科学和工程”B31(1995)第69-76页，以及“物理学报(Physicoal Review)”B56(1995)第3218-3321页上举出在这样一种状态下即各磁矩的方向彼此平行的状态下施加到各个原子的作用力的计算结果。为了测量实际的交换力，需要得到在这样一种状态即各磁矩的方向彼此平行的状态下所测量的作用力以及在这样一种状态即各磁矩的方向彼此逆平行的状态下所测量的作用力之间的差。
根据本发明，不仅对在各磁矩的方向平行的状态下施加于各个薄膜的作用力，而且对在各磁矩的反向平行状态下施加于各个薄膜的作用力以极为精确的方式进行计算，可以得到如在图7中所示的计算结果。在图7中，水平轴表示利用晶格常数(d./a)归一化的距离。竖直轴表示作用力F(10-9牛顿)。曲线Fp代表在平行条件的作用力，曲线FAP代表沿逆平行条件的作用力。
在二薄膜间的作用力包含不同于交换力的一些作用力，因此为了只得到交换力，需要通过得到各作用力之间的差来消除不同于交换力的其他作用力。在图7中，由曲线Fex=FAP-FP表示所计算的交换力。由Fex曲线可以看出，交换力与两个薄膜之间的距离有很大的相关性。在d/a≤1.7的范围内，出现交换力。特别是，在d/a＜1.0的范围内，可识别出很大的交换力。在1.0≤d/a≤1.7的范围内，可识别出有交换力的存在。然而，在d/a＞2.0的范围内不可能有交换力出现。
然后，研究在平行和逆平行的状态下薄膜的磁矩的相关性，在图8中表示得到的结果。在图8中，水平轴代表利用晶格常数(d/a)归一化的薄膜之间的距离，竖直轴代表磁矩m(μB)。曲线X1(P)和X1(AP)、X2和X3分别表示在层X1、X2和X3中的原子的磁矩。由线X1(P)表示在平行的状态下磁矩的变化，曲线X1(AP)表示在逆平行的状态下磁矩的变化。在第二层X2中的原子的磁矩基本上与该主体(bulk)的对应磁矩相同。当两个薄膜之间的归一化的距离d./a小于1.0时，第一层X1的磁矩大为降低。这意味着在第一层X1中的原子受到直接交换交互作用。在该归一化的距离d/a小于1.0的范围内，第一薄膜中的各自旋磁矩是直接交换(力)交互作用的。因此，在本发明中，这一范围称之为直接交换(力)交互作用区。正如前面参照图7上面解释的，在归一化的距离d./a小于1.0的直接交换(力)交互作用内，可得到大的交换力。然而，在这一直接交换(力)交互作用区内，磁矩变化是很大的，因此，试样表面的磁结构可能受到探头的影响，试样表面的磁特性不能精确地评定。
根据本发明，更为优选的是测量在1.0≤d/a≤1.7范围内的交换力。在d/a＜1.0的直接交换交互作用区内，例如3d轨道上的定域电子云(波函数)相互重叠如图9A中所示，而1.0≤d/a≤1.7的范围内，虽然各定域电子云彼此分开的，如图9B中所示，但4S和3P轨道上的传导电子云(波函数)是彼此重叠的。因此，根据本发明，通过将试样表面和探头彼此分开一定距离来测量交换力，这一距离处在一个范围内，即由4S和3P轨道的传导电子云开始彼此重叠的距离到3d轨道上的定域电子云彼此基本上不相重叠的距离。在本说明书中，这样一个区域称之为RKKY型交换(力)交互作用区。根据本发明对交换力的测量不仅适用于上述3d的过渡金属，而且也适用于显示磁性的分子、4f稀土金属和化合物以及磁性的半导体。应注意，本发明同样适用于这样两种物质，即两者都包含定域自旋以及两者中的至少一方包含传导电子。
正如参照图7上面解释的，在RKKY型交换(力)交互作用区(即1.0≤d/a≤1.7)内测量的交换力Fex幅值小于在直接交换(力)交互作用区内测量的对应值，但依然在10-10牛顿的量级。可以测量到具有这样幅值的交换力是因为常规的利用原子力的显微镜具有约10-12到10-13牛顿的分辨率。此外，这种RKKY型交换力按正弦方式变化，因此利用这一特征可以精确地测量交换力。
下面解释根据本发明的用于测量试样和探头之间交换力的装置的几个实施例。
图10是表示根据本发明的用于测量上述RKKY型交换力的装置的第一实施例的示意图。将需评定磁特性的试样21置于在一可以沿三维方向移动的载物台22上。在载物台22上方配置一弹性悬臂梁23，它的一端利用第一压电元件25固定到一稳定部件上。弹性悬臂梁23由硅、氮化硅、不锈钢、磷青铜等制成的弹性条构成。探头24固定到近于弹性悬臂梁23前端的下表面上。最好，探头24具有尖的顶端。根据本发明，对试样21和探头24的材料组合没有专门限制，从可加工性来看探头可以由任何适宜的材料制成，除去考虑由于磁性试样的特性所要求的条件以外。因此，根据本发明，悬臂梁23和探头24可以作为单一整体形成。
正如上面解释的，悬臂梁23利用第一压电元件25固定到稳定部件上，压电元件25连接到一产生几百千赫频率的驱动信号的振荡器26上，使悬臂梁23按照这一频率变化。在悬臂梁23的上表面上装有一反射部件27，使由激光源28发射的激光束沿入射方向入射到反射部件上。由反射部件27反射的激光束由一位置传感器29接收。位置传感器29包含由多个光接收元件组成的阵列，可以检测激光束入射的位置。按照这种方式，可以非常精确地检测在与试样21表面相垂直的Z方向的探头24的位置。
试样台22、悬臂梁23、激光源28和位置传感器29全都安装在真空室30内部，而真空室连通到一真空泵(未表示)。按照这种方式，真空室30内部的空间可以维持在超高真空状态下，以及可以不受沉积在试样21上的灰尘影响实现对交换力的精确测量。如果将装置置于一非常清洁的环境中，不必使用真空室。
为了防止由于试样21和探头24之间的作用力克服悬臂梁23的弹性力而使探头24与试样21相接触，在本实施例中，装设一弹性常数控制装置。就是说，在悬臂梁23上装设一第二压电元件31。这一第二压电元件31连接到控制电路32。
在真空室30外侧，除了上述振荡器26和控制电路32以外，设有一驱动电路33，用于驱动载物台22；连接到所述位置传感器29上的位移测量电路34；计算电路35，用于计算由控制电路32提供的输出信号，得到施加于探头24上的交换力；以及处理电路36，用于处理由计算电路35提供的输出信号，以便根据所测量的施加到探头24上的交换力评定试样21的磁特性。
在将试样21置于载物台22上并对真空室30抽真空后，由驱动电路33驱动载物台22，使探头24的端部面向试样的指定位置。在这种情况下，将试样21和探头24的端部之间的距离设定到一处在上述RKKY型交换交互作用区内的数值上。然后，由振荡器26驱动压电元件25，以使弹性悬臂梁23和探头24沿Z方向按指定频率振动。该频率最好设定为悬臂梁23的谐振频率上。由于这种振动，激光束入射到位置传感器29上的位置以周期方式改变。当探头24位置远离试样21以及在试样21和探头24之间未产生作用力时，弹性悬臂梁23的振动完全不受影响，该梁按照指定频率和幅值振动。然而，当探头24与试样21接近距离处在所述RKKY型交换(力)交互作用区内时，在试样21和探头24之间引起作用力，梁23的振动受到这一作用力的影响。于是，弹性悬臂梁23的振动频率和幅值改变。在本实施例中，由位移测量电路34产生的位移信号提供到控制电路32。控制电路32产生控制信号以及这样产生的控制信号提供到第二压电元件31。形成的控制信号使悬臂梁23按与试样21和探头24之间的交换力无关的指定的频率和幅值振动。换句话说，在本实施例中，向第二压电元件31提供这样一种信号，即根据试样21和探头24之间距离的降低使弹性悬臂梁23的弹性常数增加。
正如上面解释的，利用第二压电元件31控制悬臂梁23，使得悬臂梁23按照所述指定频率和幅值振动，因此，由控制电路向第二压电元件31提供的控制信号代表试样21和探头24之间引起的作用力。所以，控制信号还提供到计算电路35，以便求得试样21和探头24之间的作用力。这样计算的作用力一旦存储在计算电路35中。如上所述，在这样一些状态下即各磁矩方向彼此平行和各磁矩方向彼此反向平行的状态下，测量试样21和探头24之间的作用力，以及按照这两种作用力之间的差测量交换力。通过围绕探头24形成一电磁线圈以及流过使探头沿第一方向磁化的第一方向的电流，可以实现这些平行状态和反向平行状态。在测量第一和第二作用力其中之一以后，使电流沿与所述第一方向相反的第二方向流过线圈，测量所述第一和第二作用力其中的另一方。在测量作用力的过程中，没有电流流过线圈，因此，对作用力的测量完全不受影响。
然后，计算第一和第二作用力之间的差，并存储在计算电路35中，以求得试样21和探头24之间的作用力。最后，将所计算的交换力(信号)提供到处理电路36，根据该交换力评定试样21的磁特性。
图11是表示根据本发明的交换力测量装置的第二实施例中的主要部分的示意图。在上面解释的第一实施例中，利用设在悬臂梁上的第二压元件31控制弹性悬臂梁23的弹性常数，按这样一种方式防止由于试样和探头之间的作用力的作用使探头24与试样24相接触。在本实施例中，利用磁力防止悬臂梁吸住。为此，利用压电元件41使弹性悬臂梁42振动，并将磁性元件43固定到悬臂梁42的前端。在磁性元件43上方设置磁化线圈44，其连接到控制电路46上。控制电路46连接到位移测量电路45上。
在本实施例中，通过根据由位移测量电路45提供的位移信号由控制电路46控制提供到磁化线圈44上的电流，产生施加到磁性元件43上的磁力，使得磁性元件向上移动，固定到悬臂梁42上的探头48不会由于试样和探头之间的作用力而吸向试样47。
按照这样一种方式，通过控制提供到磁线圈44上的电流，悬臂梁42按照指定的频率和幅值振动。于是，由控制电路46产生的控制信号代表试样47和探头48之间的交换力。在本实施例中，磁化线圈44置于悬臂梁42上方，但是也可设置于悬臂梁下方。
图12是表示根据本发明的交换力测量装置第三实施例的示意图。在本实施例中，弹性悬臂梁52由压电元件51驱动按指定频率和幅值振动，电极53置于在悬臂梁上方。一可变DC电压源54连接在悬臂梁52和电极53之间。探头56固定到悬臂梁56的前端，面向试样55。调节由加在悬臂梁52和电极53之间的可变DC电压源54根据控制信号提供的DC电压，而该控制信号是根据悬臂梁52的位移产生的。于是，悬臂梁52受到在悬臂梁52和电极53之间产生的静电力的作用，防止吸向试样55。通过调节控制信号，使悬臂梁52按照与试样55和探头56之间的作用力无关的指定频率和幅值振动，通过处理该控制信号可以测量试样和探头之间的交换力。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明的范围内由本技术领域的熟练人员可以考虑进行很多替换和改进。在上述各实施例中，利用机械力、磁力和静电力来防止设在悬臂梁上的探头吸到试样上。然而，根据本发明，可以采用其它方式防止由于试样和探头之间的交换力作用而使探头吸到试样上。
如上所述，在根据本发明的测量交换力的装置中，设有控制装置，以便克服试样和探头之间的作用力控制弹性悬臂梁的弹性，使得能防止探头吸到试样上。因此，可以不必考虑试样和探头的成分按照原子级的分辨率精确地测量试样和探头之间的交换力，以及根据所测量的交换力精确的地评定试样的磁特性。

Claims (9)

1．一种测量试样和探头之间的交换力的装置，试样和探头都包含定域电子以及至少其中的一方包含传导电子，该装置包含：
一用于固定所述试样的装置；
一弹性部件，用于支承所述探头，使得所述试样和探头彼此面向、间隔处在密切接近范围内的一个距离，即由传导电子云开始彼此重叠的距离到定域电子云彼此基本上不相重叠的距离；
位移测量装置，用于测量由于试样和探头的作用力作用产生的所述弹性部件的位移；
控制装置，用于克服在试样和探头之间的作用力控制所述弹性部件的弹性，使得能防止探头与试样相接触；以及
交换力检测装置，用于根据所述弹性部件的位移检测试样和探头之间的交换力。
2．根据权利要求1所述的装置，其中所述控制装置包含一弹性常数调节装置，用于根据由位移测量装置提供的弹性部件的位移信号调节弹性部件的弹性常数。
3．根据权利要求2所述的装置，其中所述弹性部件是由一弹性悬臂梁构成的，其一端固定到一稳定部件上；以及
所述位移测量装置包含：固定到悬臂梁上的第一压电元件；一振荡器，用于向所述第一压电元件提供具有指定频率和指定幅值的驱动信号；以及光电式位置检测装置，用于检测悬臂梁的位移。
4．根据权利要求3所述的装置，其中所述弹性常数调节装置包含：一第二压电元件和一控制装置，其用于根据悬臂梁的位移向第二压电元件提供控制信号，以使悬臂梁按指定频率和幅值振动，以及所述交换力检测装置包含计算电路，用于处理由所述控制电路提供的所述控制信号，以求得试样和探头之间的交换力。
5．根据权利要求4所述的装置，其中所述控制装置包含电磁控制装置，用于根据悬臂梁的位移向探头施加一作用力以使探头远离试样。
6．根据权利要求5所述的装置，其中所述电磁控制装置包含设在悬臂梁上的磁性元件和与所述磁性元件相对设置的磁化线圈。
7．根据权利要求4所述的装置，其中所述控制装置包含一利用静电力防止探头与试样接触的静电控制装置。
8．根据权利要求7所述的装置，其中所述静电控制装置包含与所述悬臂梁相对设置的电极和一可变DC电压源，其连接到所述悬臂梁和电极之间，用于根据悬臂梁的位移提供DC电压。
9．根据权利要求1-8中之一所述的装置，其中所述试样和探头是由具有晶格常数为a的过渡金属制成的，且探头面向试样表面间隔距离为d，满足1.0≤d/a≤1.7的条件。
CNB981096956A 1997-04-15 1998-04-15 用于测量交换力的装置 Expired - Fee Related CN1161605C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP97132/97 1997-04-15
JP09713297A JP3210961B2 (ja) 1997-04-15 1997-04-15 交換相互作用力の測定装置
JP97132/1997 1997-04-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1212365A true CN1212365A (zh) 1999-03-31
CN1161605C CN1161605C (zh) 2004-08-11

Family

ID=14184050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB981096956A Expired - Fee Related CN1161605C (zh) 1997-04-15 1998-04-15 用于测量交换力的装置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6078174A (zh)
EP (1) EP0872707B1 (zh)
JP (1) JP3210961B2 (zh)
KR (1) KR100263528B1 (zh)
CN (1) CN1161605C (zh)
DE (1) DE69815926T2 (zh)
HK (1) HK1018312A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100592088C (zh) * 2003-07-15 2010-02-24 布里斯托尔大学 原子力显微镜探针
CN104865408A (zh) * 2015-04-28 2015-08-26 中山大学 一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置
CN110127588A (zh) * 2019-05-22 2019-08-16 季华实验室 用于加工衬底材料的钝化层的探针
CN110146370A (zh) * 2019-05-30 2019-08-20 中国科学技术大学 一种微小力的加载测量装置和方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3566567B2 (ja) * 1998-12-17 2004-09-15 独立行政法人 科学技術振興機構 磁気共鳴型交換相互作用力顕微鏡及びそれを用いた観察方法
JP4510277B2 (ja) * 2000-12-15 2010-07-21 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 走査型プローブ顕微鏡
US6545495B2 (en) * 2001-04-17 2003-04-08 Ut-Battelle, Llc Method and apparatus for self-calibration of capacitive sensors
KR101195729B1 (ko) 2003-07-15 2012-10-29 더 유니버시티 오브 브리스톨 원자력 현미경용 탐침 및 그 사용 방법
CN100356160C (zh) * 2005-05-25 2007-12-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种经改进的微悬臂梁弹性系数的测试方法
CN1979126B (zh) * 2005-12-07 2012-08-22 国际商业机器公司 用于样品分析的方法及设备
US8069492B2 (en) * 2008-03-31 2011-11-29 Seagate Technology Llc Spin-torque probe microscope
RU2696518C1 (ru) * 2018-07-02 2019-08-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет" ФГБОУ ВО "АГТУ" Устройство биметаллического днища головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01259210A (ja) * 1988-04-08 1989-10-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 表面形状測定装置
JP3076889B2 (ja) * 1993-09-02 2000-08-14 セイコーインスツルメンツ株式会社 磁気力顕微鏡
JP3226424B2 (ja) * 1994-09-02 2001-11-05 キヤノン株式会社 走査型プローブ顕微鏡ならびに該顕微鏡を用いた加工装置および情報処理装置
WO1996032623A1 (en) * 1995-04-10 1996-10-17 International Business Machines Corporation Apparatus and method for controlling a mechanical oscillator
JPH08313545A (ja) * 1995-05-16 1996-11-29 Olympus Optical Co Ltd カンチレバー
JPH08313544A (ja) * 1995-05-24 1996-11-29 Hitachi Ltd 電子顕微鏡及びこれを用いた試料観察方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100592088C (zh) * 2003-07-15 2010-02-24 布里斯托尔大学 原子力显微镜探针
CN104865408A (zh) * 2015-04-28 2015-08-26 中山大学 一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置
CN110127588A (zh) * 2019-05-22 2019-08-16 季华实验室 用于加工衬底材料的钝化层的探针
CN110127588B (zh) * 2019-05-22 2022-02-22 季华实验室 用于加工衬底材料的钝化层的探针
CN110146370A (zh) * 2019-05-30 2019-08-20 中国科学技术大学 一种微小力的加载测量装置和方法
CN110146370B (zh) * 2019-05-30 2020-08-25 中国科学技术大学 一种微小力的加载测量装置和方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE69815926D1 (de) 2003-08-07
JPH10288620A (ja) 1998-10-27
US6078174A (en) 2000-06-20
DE69815926T2 (de) 2004-04-22
EP0872707A1 (en) 1998-10-21
HK1018312A1 (en) 1999-12-17
EP0872707B1 (en) 2003-07-02
KR100263528B1 (ko) 2000-08-01
KR19980081427A (ko) 1998-11-25
CN1161605C (zh) 2004-08-11
JP3210961B2 (ja) 2001-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100961571B1 (ko) 주사 탐침 현미경
JP3249132B2 (ja) 原子間力顕微鏡内の交流検出用力センサを磁気変調させる方法
CN1161605C (zh) 用于测量交换力的装置
KR100366701B1 (ko) 전계 효과 트랜지스터 채널 구조가 형성된 스캐닝 프로브마이크로스코프의 탐침 및 그 제작 방법
Rugar et al. Force microscope using a fiber‐optic displacement sensor
JP2709240B2 (ja) 音響顕微鏡法を行う方法
US5431055A (en) Surface measuring apparatus using a probe microscope
CN1174417C (zh) 显微制造的器件中的移位的磁传感
JP3069923B2 (ja) カンチレバー型プローブ及び原子間力顕微鏡、情報記録再生装置
KR102559746B1 (ko) 캔틸레버 및 프로브 팁을 포함하는 프로브를 사용하여 샘플의 표면 위 또는 아래의 구조를 검출하기 위한 방법 및 시스템
CN1107219C (zh) 测量相互作用力的方法和用该相互作用力评价磁性的方法
JP5418413B2 (ja) 原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振方法
JP3698872B2 (ja) スピン偏極走査型トンネル顕微鏡及びその探針、及び磁化情報評価方法
Koelmans et al. Parallel optical readout of a cantilever array in dynamic mode
JP2002340770A (ja) 電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成されたスキャニングプローブマイクロスコープの探針及びその製作方法
JP3465899B2 (ja) 静電潜像読み取り方法及び装置
CN1858575A (zh) 高密度光栅偏振相关自成像的探测方法和装置
Gutier et al. Spurious microwave frequency range resonance in PZT/silicon FRAM-like devices written and read with a nanolithography process
Eng Inspection and Manipulation of Ferroelectrics on the Nanometer Scale
Celotta Advances in microscopy: Scanning tunneling and electron polarization microscopy
Kolier Investigation of magnetic multilayers with BEEM
JPH06337261A (ja) 走査型プローブ顕微鏡
Chahal Optical end point sensing and digital control of a scanning tunneling microscope
JPH09196928A (ja) 走査型顕微鏡装置
JPH06118742A (ja) 静電潜像読み取り方法及び装置

Legal Events

Date Code Title Description
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C06 Publication
PB01 Publication
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C19 Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee