CN1376906A - 扫描磁性探测器及其探针 - Google Patents

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泽村诚
末冈和久
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Abstract

本发明公开了一种扫描磁性探测器及其探针,该探测器包括一具有自旋极化和电传导性的单晶体固态材料制成的探针,当将所述探针接近给定磁性物质时,可通过检测所述探针和所述磁性物质表面之间的隧道电流,看出所述磁性物质的表面情况。

Description

扫描磁性探测器及其探针
技术领域
本发明涉及一种扫描磁性探测器和用于该扫描磁性探测器的探针，特别适用于隧道电子显微镜。
背景技术
传统上，利用包含有由铁磁金属或二氧化铬单晶体制成的探针的扫描磁性探测器，通过隧道电流，探测给定原子级磁物质的表面情况。
在包含铁磁金属制成的探针的扫描磁性探测器中，由于该探针可能与磁性物质之间发生强烈的磁作用，而扰乱该磁性物质的磁场条件。这样，就很难精确地探测磁性物质的表面情况。
另一方面，在具有二氧化铬单晶体探针的扫描磁场探针中，探针的最前端的磁性条件(自旋条件)并未被处理，探针的最前端可能由于氧化物的物理特性被污染。
从这点来说，扫描磁性探测器最好采用III-V价的半导体的混合物制成的探针。在扫描磁性探测器中，利用了由光激发引起的III-V价半导体混合物的被自旋极化的传导电子的隧道电流。由于该III-V价半导体混合物是非磁性的，因此，不会发生上述的磁扰乱，但是扫描磁性探测器的系统由于采用了激光系统等会变得更大和更复杂。
本发明概述
本发明的一个目的就是提供一种新的扫描磁性探测器和用于该扫描磁性探测器的探针。
为了实现上述目的，本发明涉及一种扫描磁性探测器，该探测器包括一具有自旋极化和导电性的单晶体固态材料制成的探针，当将所述探针接近给出的磁性物质时，可通过测量所述探针和所述磁性物质表面之间的隧道电流，检测所述磁性物质的表面情况。
本发明还涉及一种用于扫描磁性探测器的、由具有自旋极化和导电性的单晶体固态材料制成的、将其靠近给定磁性物质的探针，通过测量所述探针和所述磁性物质之间的隧道电流，检测所述磁性物质的表面情况。
本发明人致力于研究实现上述目的，发现一种新的扫描磁性探测器和用于上述探测器的探针。
当本发明的扫描磁性探测器的探针接近给定磁性物质的表面时，探针最前端中的电子微粒的波函数与磁性物质表面中的电子微粒的S型波函数重叠。此时，探针通过磁性物质的磁场的交换作用被磁性饱和，特定的隧道电流在探针和磁性物质之间流动。该隧道电流的量值和方向由磁性物质表面中的磁动量的量值和方向决定。
这就是说，当磁性物质的表面中的磁动量的量值变大时，隧道电流的量值就变大。而且，隧道电流与磁动量的方向平行。
另一方面，如果改变构成磁性物质表面的微粒的种类和排列，则磁动量也改变。因此，探测到的隧道电流的量值和方向取决于构成磁性物质表面的微粒的种类和排列，因此，可以通过隧道电流的量值和方向检测到磁性物质的表面情况。
本发明实施例的说明
本发明将参照附图进行详细说明。在本发明中，扫描磁性探测器的探针由具有电传导性和自旋极化的单晶体固态材料制成。固态材料可采用两种类型说明：一种是自身具有电传导性和自旋极化的固态材料，另一种是不具有电传导性只具有自旋极化的固态材料，因此向固态材料中添加施主杂质(donor)元素。
前一种固态材料，可采用CuF、CuCl、AgI、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、BP、AlAs、AlP、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InP、InSb和SiC，它们具有闪锌矿晶体结构。而且前一种固态材料也可采用具有金刚石(菱形)晶体结构的材料，如Si、Ge和Sn。
后一种固态材料可采用具有闪锌矿晶体结构的BN。而且后一种固态材料也可采用具有菱形晶体结构的材料，如C。
由于闪锌矿晶体结构或菱形晶体结构的固态材料中具有不完全的非键合轨道(imperfect non-bonding orbit)，因此上述固态材料具有很好的自旋极化条件。
作为不具有电传导性的固态材料的施主杂质元素，B为元素周期表中的III价元素，P或As为V价元素。这些元素可部分替换固态材料晶体晶格位置中的微粒，从而起到电子供应源的作用。从而使固态材料具有导电性。
探针的结构不受限制，但最好为锥形，特别是当固态材料由上述闪锌矿晶体结构或菱形晶体结构的材料制成时，探针的结构最好为锥形。
锥形探针的最前端由闪锌矿晶体结构或菱形晶体结构的固态材料的正交晶面构成。该锥形探针相对于通过顶点的轴线对称。然后，由于锥形探针由上述非磁性的固态材料制成，因此，探针的磁动量在对称轴线的周围产生。这样，在不影响磁性物质的磁性条件下，就可以通过锥形探针精确检测到磁性物质的表面情况。
探针的尺寸根据要从磁性物质的表面探测的信息种类而定。为了探测原子量级的磁性物质的表面情况，提供一种实用的探针和实用的扫描磁性探测器，该探针的尺寸优选被设为100nm或以下，最好为10nm或以下。
这里，“探针的尺寸”的意思是构成探针结构的各部件的尺寸。当为锥形探针时，“探针的尺寸”意味着探针的高度和底边长度。
探针最好通过切割上述的大块固态材料而制成。此时，该锥形探针比较容易制成设计尺寸。
另外，探针可通过利用CVD方法或MOCVD方法实现的晶体生长的方法制成。
从结构和探测原理上看，扫描磁性探测器可以作为一扫描磁力显微镜，或一扫描隧道电子显微镜。特别是，只有通过用如上所述的本发明的探针替换传统扫描隧道电子显微镜的探针，扫描隧道电子显微镜才能组成本发明所述的扫描磁性探测器。
虽然参照上述实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述公开的内容，在不脱离本发明实质的情况下，可以进行任何的变化和修改。
如上所述，根据本发明，一种扫描磁性探测器包括一自旋极化的单晶固态材料制成的探针。然后，测量探针和给定磁性物质之间的隧道电流。由于隧道电流的量值和方向取决于磁性物质的表面情况，因此，可以通过测量隧道电流精确地探测表面情况。

Claims (23)

1.一种扫描磁性探测器，包括一具有自旋极化和电传导性的单晶体固态材料制成的探针，当将所述探针接近给定磁性物质时，可通过检测所述探针和所述磁性物质表面之间的隧道电流，检测所述磁性物质的表面情况。
2.如权利要求1所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述固态材料为具有闪锌矿晶体结构的单晶体材料。
3.如权利要求2所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述固态材料为从包括CuF、CuCl、AgI、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、BP、AlAs、AlP、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InP、InSb和SiC的集合中选择出的至少一种材料。
4.如权利要求2所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述固态材料为部分晶体晶格位置被施主杂质元素替代的BN单晶体。
5.如权利要求1所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述固态材料为具有菱形晶体结构的单晶体材料。
6.如权利要求5所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述固态材料为从包括Si、Ge和Sn的集合中选择出的至少一种材料。
7.如权利要求5所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述固态材料为碳单晶体结构，其晶体晶格位置部分被施主杂质元素替换。
8.如权利要求2-7中任一个所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述探针为锥形。
9.如权利要求1所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述探针的尺寸被设为10nm或以下。
10.如权利要求2所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述探针通过切割大的单晶体制成。
11.如权利要求5所述的扫描磁性探测器，其特征在于：所述探针通过切割大的单晶体制成。
12.包括如权利要求1-11中任一个扫描磁性探测器的扫描隧道电子微探针。
13.一种用于扫描磁性探测器的探针，由具有自旋极化和电传导性的单晶体固态材料制成，当将所述探针接近给定磁性物质时，通过检测所述探针和所述磁性物质之间的隧道电流，检测所述磁性物质的表面情况。
14.如权利要求13所述的探针，其特征在于：所述固态材料为具有闪锌矿晶体结构的单晶体材料。
15.如权利要求14所述的探针，其特征在于：所述固态材料为从包括CuF、CuCl、AgI、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、BP、AlAs、AlP、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InP、InSb和SiC中选择出的至少一种材料。
16.如权利要求14所述的探针，其特征在于：所述固态材料为部分晶体晶格位置被施主杂质元素替代的BN单晶体。
17.如权利要求13所述的探针，其特征在于：所述固态材料为具有菱形晶体结构的单晶体材料。
18.如权利要求17所述的探针，其特征在于：所述固态材料为从包括Si、Ge和Sn的集合中选择出的至少一种材料。
19.如权利要求17所述的探针，其特征在于：所述固态材料为碳单晶体结构，其晶体晶格位置部分被施主杂质元素替换。
20.如权利要求13中所述的探针，其特征在于：所述探针为锥形。
21.如权利要求13中所述的探针，其特征在于：所述探针的尺寸被设为10nm或以下。
22.如权利要求14所述的探针，其特征在于：所述探针通过切割大的单晶体制成。
23.如权利要求17所述的探针，其特征在于：所述探针通过切割大的单晶体制成。
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