JP2000131215A - スピン偏極走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
スピン偏極走査型トンネル顕微鏡Info
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Abstract
問題点である、表面凹凸像とスピン像との重ね合わせを
防ぎ、スピン像のみを取り出す。 【解決手段】 スピン偏極走査型トンネル顕微鏡におい
て、所定の2つのバイアス電圧V1 ,V2 に対し、ま
ず、バイアス電圧V1 にてトンネル電流が一定(I1 )
になるように探針と試料間の距離を制御決定し、次に探
針―試料間距離は変えずにバイアス電圧のみをV2へ変
え、その時のトンネル電流I2 を画像信号とすることを
特徴とする。
Description
微鏡に係わり、特に磁性材料の磁気構造あるいは強磁性
体の磁区構造を空間分解能数nm以下で観察するのに適
した走査型トンネル顕微鏡に関する。
めの最も分解能の高い磁区観察手段として、磁気力顕微
鏡が知られてきた。その分解能は最高で10nm程度で
ある。これに対して、磁気記録媒体等の超微細化に伴
い、超微細磁区観察技術のさらなる分解能向上が望まれ
ている。
Tunneling Microscopy)は、試
料あるいは探針を駆動させることにより探針を試料表面
上で試料に対し相対的に走査し、トンネル電流が探針―
試料間距離に対して極めて敏感であることを利用して、
表面の構造、物性を原子分解能で評価する手法である。
磁性体試料あるいは探針を用いた場合には、トンネル電
子はスピン偏極するため、スピン状態を分別できれば走
査型トンネル顕微鏡にて原子レベル分解能で表面の磁気
情報を得ることができる。
トンネル顕微鏡として、強磁性探針を用い、磁性体試料
表面との間のスピンに依存したトンネル電流変化からス
ピン情報を得る方法が文献(R. Wissendan
ger, H. −J. Guntherodt,
G. Guntherodt, R. J. Gamb
ino and R. Ruf, Physical
Review Letters, vol.65, p
247 (1990).)に開示されている。強磁性探
針を用いるこの方法は、特公平7−1687や特開平2
−199757に見られるような光学的手段を併用する
スピン偏極走査型トンネル顕微鏡に比べ、装置構成およ
び原理が簡易であるという大きな利点をもつ。しかし得
られる像は、前記文献に示されているように、表面の凹
凸像にスピン情報が重畳したものであり、表面形態およ
びスピン配置が未知な実際の試料表面からスピン像のみ
を取り出すことはできないという大きな欠点があった。
この欠点は、強磁性探針以外に、反強磁性探針を用いた
場合にも同様に発生することが予測される。
用いた場合の問題点である、表面凹凸像とスピン像との
重ね合わせを防ぎ、スピン像のみを取り出す方法を提供
する。
解決するために、強磁性体あるいは反強磁性体からなる
探針を用いたスピン偏極走査型トンネル顕微鏡におい
て、バイアス電圧V1 ,V2 における探針―試料からな
る系のスピン偏極度をそれぞれP1 ,P2 とした場合
に、
どちらかの条件を満たす2つのバイアス電圧V1 ,V2
を持つ探針を使用し、これら2つのバイアスに対し、ま
ず、バイアス電圧V1 にてトンネル電流が一定になるよ
う(I1 )に探針と試料間の距離を制御し、次に探針―
試料間距離は変えずにバイアス電圧のみをV2 へ変え、
その時のトンネル電流I2 を画像信号とする。
に流れるトンネル電流Iは、探針―試料間距離dに極め
て敏感であり、I∞exp(―2κd)で近似されるよ
うに距離の増加とともに指数関数的に減少する。よっ
て、一定電流になるように走査時に探針の試料表面から
の高さ(Z位置)を制御し、Z位置を画像信号とするこ
とで、表面の凹凸を表す像(トポグラフ像)が得られ
る。さて、試料が磁性体で、探針も磁性体の場合、スピ
ンに依存したトンネルコンダクタンスの差異から、トン
ネルに寄与する電子の持つスピンが平行、反平行の時の
コンダクタンスはそれぞれ次式のように変化する。
度であり、探針および試料のトンネルに寄与する電子の
スピン偏極度をpT ,pS とすると、P=pT×pS で
ある。また、IO は平均コンダクタンスを示す。これよ
り、一定電流になるように探針の試料に対しての相対Z
位置を制御させると、トンネルに寄与する電子のスピン
状態が平行ならば、電流が流れやすくなるため、探針は
遠ざかり、反平行ならば電流が流れ難いので探針は近づ
く。このZ位置の差がスピン情報に相当するが、実際の
試料表面は原子レベルで全観察領域すべてが平らである
ことは特殊な場合を除いてありえず、試料凹凸を反映し
たZの変化が重なることとなる。しかも凹凸による変化
はスピン情報をあらわす変化以上に大きい。このためス
ピン情報についての像を分離することが出来なかった。
これが従来の欠点であった。
電圧において系のスピン偏極度が異なる探針を用いる。
その条件は、バイアス電圧V1 ,V2 における探針―試
料からなる系のスピン偏極度をそれぞれP1 ,P2 とし
た場合に、
どちらかを満たすことである。この条件において、ま
ず、バイアスV1 においてトンネル電流が一定になるよ
うに探針相対高さを制御すると、トポグラフ情報にスピ
ン情報が加味されてZ位置が決まる。その位置におい
て、バイアス電圧をV2 にかえると、トポ情報は変えず
に、スピン依存情報のみを変化させることができ、V2
における電流I2をによりスピン情報を取り出すことが
できる。ここで、V1 とV2 との関係は上記の式を満た
すことが条件である。この条件を満たすバイアス電圧値
は試料および探針の電子状態により最適値が異なる。P
1 =P2 の場合にはF=1であり、V2 におけるトンネ
ル電流I2 はスピン状態が変化しても変らず、従ってス
ピン像は得られない。また、Fが1に近過ぎた値の場合
にも、スピン像はノイズに埋もれて得られない。Fは1
以上できるだけ大きいか、1未満できるだけ小さいよう
にバイアス電圧を設定することが望ましい。F=1.1
以上あるいはF=0.9以下では十分なコントラストの
スピン像を得ることができる。また特に、P1 ×P2 が
負になる条件はより高いコントラストのスピン像が得ら
れ、好ましい。なお、2つのバイアス電圧の値V1 、V
2 は両方とも、−5Vから+5Vの範囲が適正である。
せながらV1 ,V2 を選ぶ方法は、次の2通りある。
図1のように、一回目の走査(時間t1 からt2 に対
応)はバイアス電圧V1 で行い、一定電流I1 が得られ
る探針―試料間距離を決めるピエゾのZ位置を記録す
る。2回目の走査(時間t2 からt3 に対応)は1回目
に記録されたZ位置を走査個所に応じて再現し、バイア
ス電圧V2 における電流I2 (磁化状態により変化す
る)を読み取り、画像信号とする。
おいて、V1 にてZ位置を決め、次にバイアス電圧をV
2 に変えてI2 を読み取る、これを各走査点(ピクセ
ル)に対して行う。図2に示すように、各ピクセルにお
いて、時間t1 からt2 において電圧をV1 にして一定
電流I1 が得られるようにピエゾ高さを調整し、次に時
間t2 でバイアス電圧をV2 に変えて電流I2 値を読み
取り、画像信号とする。この作業を走査時の各々のピク
セルに対して行う。なお、図2において、電圧は摸式的
に矩形波で変化しているが、V1 とV2 との間を変化す
れば、三角関数波などの変形は構わない。各ピクセルに
おいて、走査をそれぞれ止めて上記操作を行っても、あ
るいは走査しながら上記操作を行っても構わない。
る際、最も容易な方法はI2 そのものを画像化する方法
である。よりコントラストをはっきりさせたい等の場合
には、I1 との比I2 /I1 あるいは差(I2 ―I1 )
等、I2 を加減乗除した結果を画像信号とすることもで
きる。
e,Co,Ni,Cr,Mnおよびその化合物からなる
強磁性体あるいは反強磁性体が探針材料となる。特にホ
イスラー合金,CrO2 ,Fe3 O4 ,La1-X SrX
MnO3 などのハーフメタル磁性体は高い感度が得られ
るために好ましい。以上の単一物質からなる探針の他
に、上記材料を含む強磁性層/非強磁性層/強磁性層か
らなる積層膜、あるいはマトリックスに分散させたグラ
ニュラー膜などの複合材料も使用できる。前者の利点
は、漏れ磁場が小さく試料の磁化状態へのダメージを小
さくできること、後者の利点は信号強さを強くすること
ができる点である。また、特開平6―94813に示さ
れた導電性強磁性体と絶縁性反強磁性体との積層構造も
利用できる。以上に示した探針は、従来方法によればス
ピン像はトポグラフ像に重なるためスピン像のみを取り
出すことはできないが、本発明により、スピン像のみを
抽出することが可能となる。
走査型トンネル顕微鏡の動作原理を詳細に説明する。
例に説明する。図3にCoおよびCrの電子状態を模式
的に示す。Coの電子状態は図からわかるように、フェ
ルミエネルギーEF においても、また、EF よりもエネ
ルギーが高い準位に対してもどちらもマイノリティスピ
ン電子が支配的であり、スピン偏極度は共にマイナスで
ある。一方、CrはEF では探針先端に位置する原子の
磁気モーメント方向に対してマジョリティスピンが支配
的であるが、EF よりもエネルギーが2eV高い状態で
はマイノリティスピンが支配的である。
ス電圧を印可すると、トンネルに最も寄与する電子はC
o試料についてはEF よりも+0.2eVエネルギーの
高い電子、Cr探針についてはEF 付近の電子である、
よって、個々のスピン偏極度の積で表される系全体のス
ピン偏極度P1 は、符号がマイナスとなる。一方、―2
Vの試料バイアス電圧V2 を印可すると、CoのEFの
電子が、また、CrのEF よりも+2eVエネルギーの
高い準位がトンネルに最も大きく寄与する。この場合の
P2 は正の符号をとる。今、P1 とP2 を小さめに見積
もり−8%、P2 を+3%とすると、Fは0.80であ
り、条件を満たす。
に磁化方向が試料表面左(領域(ア))、中央(領域
(イ))、右(領域(ウ))とで反転し、それぞれ上向
き、下向き、上向きの状態を考える。さて、バイアスが
V1 の場合にトンネルに大きく寄与する電子状態は領域
(イ)、(ウ)ではそれぞれ、アップ、ダウンスピンを
もつ状態である(図中○で囲まれた矢印で示した)。こ
こに先端の磁気モーメントの向きが上向きのCr探針を
近づけると、試料バイアス電圧V1 =+0.2Vの時、
Cr探針においてトンネルに寄与する電子のスピン(図
中○で囲まれた矢印で示した)はアップスピンである。
従って、一定トンネル電流が流れるように探針―試料間
距離を制御すると、スピンに依存したトンネルコンダク
タンスの差違から、領域(イ)においては探針―試料間
距離はより遠ざかり、領域(ウ)においてはより近づ
く。それぞれの探針―試料間距離をS1 =S0 +Δ
S1 ,S2=S0 +ΔS2 とした場合に、磁化の違いに
よる探針―試料間距離の差ΔSは、ΔS=ΔS1 −ΔS
2 =(1/2κ)ln(1+P1 /1−P1 )となる。
一般的な値として2κ=2A-1を用いると、ΔSは−
0.08A程度となる。
2 =+2Vへ変える。領域(イ)の場合には、探針が平
均よりも遠くなっているため、トンネル電流は流れ難い
方向にあるが、さらに、トンネルに寄与する電子のスピ
ンの向きもこのバイアスにおいては反平行となるため、
流れる電流は益々小さくなる。一方、領域(ウ)の場合
には、平均よりも近くなっているから電流は流れ易く、
さらにスピンの向きが同じであるからますます流れ易
い。これらの電流比を調べると、I(領域(イ))/I
(領域(ウ))=exp(2κΔS)(1+P2 )/
(1−P2 )となり、0.8程度のコントラストが得ら
れる。トンネル電流におけるこの変化は、十分に検出可
能である。
作製方法例を示す。
の単物質からなる強磁性体あるいは反強磁性体は、ワイ
ヤー形状のものから、化学研磨あるいは電解研磨、ある
いは集束イオンビーム加工等で探針状に加工できる。ま
た、途中を細くしたワイヤーの両端を引っ張ることによ
り作製することができる。
化合物からなる強磁性体あるいは反強磁性体について
は、強磁性体の場合には、上記と同じ化学研磨あるいは
電解研磨、あるいは集束イオンビーム加工等を使用で
き、反強磁性体の場合には結晶構造を壊すことの少ない
電解研磨が好ましい。また、CrO2 ,Fe3 O4 ,L
a1―XSrXMnO3 などの酸化物等の延性を持たな
い物質については、へき解性を持つものについてはへき
解により、また割れる性質のある基板上に成長させた膜
については、膜のついた基板を割り、膜側の端を用いる
ことにより、探針とすることができる。
化合物が含まれる複合材としては、上記材料を含む強磁
性層/非強磁性層/強磁性層からなる積層膜、あるいは
マトリックス中に粒子が分散したグラニュラー膜などを
用いることができる。積層膜を用いた例を図5に示す。
図5(ア)は、強磁性層/非強磁性層から成る積層膜の
基板を一部はがし、膜部分のみをエッチングで膜面方向
に平行に細くしたもの、(イ)は積層膜にたいして膜面
垂直方向を探針軸方向としたものである。(ウ)は膜の
エッジ部分を使用するものである。(エ)は探針先端部
に積層膜を蒸着したものである。以上の積層膜は、強磁
性層/非強磁性層が交互に繰り返された構造(最低では
強磁性層/非強磁性層/強磁性層からなる)であるが、
この構造の代わりに、強磁性層/非強磁性層/強磁性層
/反強磁性層からなる磁化方向を固着する層を持った積
層膜でもよい。その場合、(イ)(ウ)(エ)に対応し
て、(オ)(カ)(キ)のようになる。
ー膜を使用した例を図5(ク)(ケ)(コ)に示す。
(ク)は基板を除去してグラニュラー膜部分を探針加工
したもの、(ケ)は膜面垂直に探針化したもの、(コ)
は基板がついたまま、へき解などにより基板を割り、角
を用いる方法である。(ク)(ケ)は、イオンビーム等
で細く加工したのち、エッチングで作製することができ
る。
い感度が期待される強磁性あるいは反強磁性探針を用い
て、試料表面の凹凸を現すトポグラフ像と分離してスピ
ン像を取り出すことができる。
る。
である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 0.1から10nmの間隔を隔てて試料
表面に配置された強磁性体あるいは反強磁性体からなる
探針と、前記探針を試料表面に対して相対的に走査させ
る駆動機構と、探針と試料間に印加するバイアス電圧源
および探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する検
出手段とを備えたスピン偏極走査型トンネル顕微鏡にお
いて、 バイアス電圧V1 ,V2 における探針―試料からなる系
のスピン偏極度をそれぞれP1 ,P2 とした場合に、 【数1】 で表されるFが、F>1.03あるいはF<0.97の
どちらかの条件を満たす2つのバイアス電圧V1 ,V2
に対し、まず、バイアス電圧V1 にてトンネル電流が一
定(I1 )になるように探針と試料間の距離を制御決定
し、次に探針―試料間距離は変えずにバイアス電圧のみ
をV2 へ変え、その時のトンネル電流I2を画像信号と
することを特徴とするスピン偏極走査型トンネル顕微
鏡。 - 【請求項2】 請求項1のスピン偏極走査型トンネル顕
微鏡において、探針材料が、Fe,Co,Ni,Cr,
Mnおよびその化合物からなる強磁性体あるいは反強磁
性体、あるいはこれらの材料が含まれる複合材からなる
ことを特徴とするスピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30536698A JP3172143B2 (ja) | 1998-10-27 | 1998-10-27 | スピン偏極走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30536698A JP3172143B2 (ja) | 1998-10-27 | 1998-10-27 | スピン偏極走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000131215A true JP2000131215A (ja) | 2000-05-12 |
JP3172143B2 JP3172143B2 (ja) | 2001-06-04 |
Family
ID=17944255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP30536698A Expired - Lifetime JP3172143B2 (ja) | 1998-10-27 | 1998-10-27 | スピン偏極走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3172143B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SG103326A1 (en) * | 2001-11-30 | 2004-04-29 | Inst Data Storage | Magnetic force microscopy having a magnetic probe coated with exchange coupled magnetic mutiple layers |
-
1998
- 1998-10-27 JP JP30536698A patent/JP3172143B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SG103326A1 (en) * | 2001-11-30 | 2004-04-29 | Inst Data Storage | Magnetic force microscopy having a magnetic probe coated with exchange coupled magnetic mutiple layers |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3172143B2 (ja) | 2001-06-04 |
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