JP2000146809A - Method for making image of sample surface in probe microscope - Google Patents

Method for making image of sample surface in probe microscope

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JP2000146809A
JP2000146809A JP11284630A JP28463099A JP2000146809A JP 2000146809 A JP2000146809 A JP 2000146809A JP 11284630 A JP11284630 A JP 11284630A JP 28463099 A JP28463099 A JP 28463099A JP 2000146809 A JP2000146809 A JP 2000146809A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make an image of unevenness, etc., on a sample surface with good reproducibility and with high accuracy by performing control in a non- contact and stable manner. SOLUTION: Vibration of 1 nm or less is applied to a tip 11 of a cantilever 1, and the distance between the tip 11 and a specimen 10 is feedback-controlled so that a force gradient becomes a constant negative value in an attractive force region where the tip 11 and the specimen 10 interact with each other while the tip 11 is caused to scan a surface of the specimen 10, and an image of the surface of the specimen 10 is made by using a signal of the feedback control.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡のうち、特に原子間力顕微鏡における試料の新規な
イメージ作成方法に関するもので、走査プローブのチッ
プに微細な振動を加え、負の力勾配と引力領域との下
で、チップの振動をきわめて正確に測定して試料の表面
に存在する凹凸とか形態、化学種分布のイメージを作成
するようにしたもので、磁気、静電気、ピエゾ電気等、
あらゆる種類のカンチレバーの駆動に利用することがで
きる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel method for creating an image of a sample in an atomic force microscope, in particular, of a scanning probe microscope. Under the gravitational region, the vibration of the tip is measured very accurately to create an image of the unevenness and morphology present on the surface of the sample, and the distribution of the chemical species. Magnetism, static electricity, piezoelectricity, etc.
It can be used to drive all kinds of cantilevers.

【0002】原子間力顕微鏡の最重要部品は、先端に細
いチップを取り付けたカンチレバーであり、カンチレバ
ーの自由端の動きにより、チップと試料との間に働く力
を計算することができる。ほとんどの原子間力顕微鏡
は、上記力を検出するためにのみ使用されるが、本発明
の原子間力顕微鏡ではチップの背後から直接力を加える
ことも可能である。
The most important component of an atomic force microscope is a cantilever having a thin tip attached to the tip, and the force acting between the tip and the sample can be calculated by the movement of the free end of the cantilever. Most atomic force microscopes are only used to detect the above forces, but with the atomic force microscope of the present invention it is also possible to apply forces directly from behind the tip.

【0003】本発明の特徴の一つは、カンチレバーを振
動させる力をチップに直接印加し、チップと試料間との
相互作用の力の絶対値ではなく、そのスティフネス(力
勾配)を一定に保ちながら、チップで試料の表面を走査
してイメージを作成するようにしたことである。そし
て、本発明では、負の力勾配と引力領域との範囲で、こ
のスティフネス信号を利用する点に新規性があり、この
ようなスティファネス信号を利用する手法は、従来の力
の絶対値の制御では実現することのできないものであっ
た。
One of the features of the present invention is that a force for oscillating the cantilever is applied directly to the tip, and the stiffness (force gradient) of the interaction between the tip and the sample is maintained, not the absolute value of the force. However, the image is created by scanning the surface of the sample with the chip. In the present invention, there is novelty in using this stiffness signal in the range between the negative force gradient and the attractive force region. A method using such a stiffness signal is a conventional method for controlling the absolute value of the force. Could not be realized.

【0004】[0004]

【従来の技術】チップと試料間との相互作用により生じ
るスティフネス測定については、一時期文献をにぎわし
たことがある。通常この目的のためには、試料を大振幅
で振動させたり、チップを大振幅で振動させたりする。
いずれの場合でも、AC(交流)信号の内でチップに作
用する力を制御可能な領域は斥力領域であり、かつ正の
力領域である(図1参照)。これらの例では、図1に示
すように、常に正の力領域でスティフネスが測定されて
いるため、一定のスティフネスの値を与える点が2ケ所
存在する。したがって、この手法では、スティフネス信
号をフィードバック信号として使用することは困難であ
る。
2. Description of the Related Art A stiffness measurement caused by an interaction between a chip and a sample has been described in literature for a while. Usually for this purpose, the sample is vibrated with a large amplitude or the tip is vibrated with a large amplitude.
In any case, the region in the AC (alternating current) signal where the force acting on the chip can be controlled is the repulsive region and the positive force region (see FIG. 1). In these examples, as shown in FIG. 1, since the stiffness is always measured in the positive force region, there are two points giving a constant stiffness value. Therefore, in this method, it is difficult to use the stiffness signal as a feedback signal.

【0005】従来技術では、設定点への接近は非可逆的
で、力または力勾配のチップと試料表面間の距離曲線で
は、ヒステリシスが現れる。このヒステリシスは、試料
表面および/またはチップの変形を表している。この変
形は、従来技術での制御では、チップと試料とが接触す
ることに起因している。
In the prior art, the approach to the set point is irreversible and hysteresis appears in the distance curve between the tip and the sample surface of the force or force gradient. This hysteresis is indicative of deformation of the sample surface and / or tip. This deformation is caused by the contact between the chip and the sample in the conventional control.

【0006】そして、カンチレバーのスティフネスは、
感度を高くするために低く押さえるのが一般的である。
負の力設定点を選ぶことも可能であるが、やわらかいカ
ンチレバーの場合には、この点に可逆的に到達すること
は不可能である。
The stiffness of the cantilever is
It is common to keep it low to increase sensitivity.
Although it is possible to choose a negative force set point, it is not possible to reach this point reversibly in the case of a soft cantilever.

【0007】また、チップが試料表面をたたくタッピン
グモードまたは間歇接触モードは、1つのサイクルの中
で、チップと試料との相互作用領域の全体にわたって、
チップが探索するように大きな振幅で振動する、共振点
またはその近傍のAC法である。チップの振動の振幅は
フィードバックパラメータとして使用され、チップは試
料の表面を接触しながら、試料の表面を走査する。
[0007] The tapping mode or the intermittent contact mode in which the chip hits the sample surface is performed in one cycle over the entire interaction area between the chip and the sample.
An AC method at or near the resonance point where the tip vibrates with a large amplitude to search. The vibration amplitude of the tip is used as a feedback parameter, and the tip scans the surface of the sample while making contact with the surface of the sample.

【0008】プローブの振動の設定点における振幅は1
0nm以上で、レバーアームのエネルギーは各サイクル
で試料の表面にぶつかるために失われるエネルギーより
もはるかに大きく設定してある。この主な目的は、チッ
プで試料表面をイメージするときに、側面から働く力の
影響を小さくすることである。
The amplitude of the probe vibration at the set point is 1
Above 0 nm, the energy of the lever arm is set to be much greater than the energy lost to hit the sample surface in each cycle. The main purpose of this is to reduce the influence of the force acting from the side when imaging the sample surface with the tip.

【0009】チップと試料とが接触している状態でのス
ティフネスとタッピングの効果が、チップの振動の振幅
の観測値に二重に影響するのと、各サイクルの中でカン
チレバーが、表面の弾性変形および、おそらく可塑変形
を含む、相互作用ポテンシャルの大部分のデータを集め
るので、チップと試料との相互作用に関する正確な定量
的情報を抽出することが困難である。
[0009] The effects of stiffness and tapping in the state where the tip and sample are in contact have a double effect on the observed value of the amplitude of the tip vibration, and the cantilever in each cycle changes the surface elasticity. Since most data on interaction potential, including deformation and possibly plastic deformation, is collected, it is difficult to extract accurate quantitative information about chip-sample interaction.

【0010】そして、超高真空内において、カンチレバ
ーを共振点またはその近傍で振動させる2つのイメージ
ングモードが使用されている。
[0010] Two imaging modes for oscillating the cantilever at or near the resonance point in an ultra-high vacuum are used.

【0011】第1の方法は、ピエゾ素子を使ってカンチ
レバーのチップ全体を振動させ、共振点近くに励起した
カンチレバーの振動の振幅を測定する方法である。振動
の振幅は、一般的には10nm以上であるが、15オン
グストローム(ピーク間)のフリーレバー振幅によりイ
メージ作成したという報告もある。しかし、共振周波数
のシフトに加えて、Q−値の変動も振動の振幅を左右す
るので、振動の振幅と相互作用の力勾配との間に、明確
な関係を決めることができない。
The first method is to vibrate the entire tip of the cantilever using a piezo element and measure the amplitude of the vibration of the cantilever excited near the resonance point. The amplitude of the vibration is generally 10 nm or more, but there are reports that images were created with a free lever amplitude of 15 Å (between peaks). However, in addition to the shift of the resonance frequency, the variation of the Q-value also affects the amplitude of the vibration, so that a clear relationship cannot be determined between the amplitude of the vibration and the force gradient of the interaction.

【0012】これは共振周波数の近傍を利用する方法な
ので、超高真空でたいていのカンチレバーのQ−値が高
くなることから、新たな問題を生ずる。この場合、散逸
が少なく、その結果、緩和時間が秒のオーダーになるた
め、振動の振幅の減衰がきわめて遅くなって適切な走査
時間が得られない。
Since this method uses the vicinity of the resonance frequency, a new problem arises because the Q-value of most cantilevers becomes high in an ultra-high vacuum. In this case, the dissipation is small, and as a result, the relaxation time is on the order of seconds, so that the attenuation of the vibration amplitude is extremely slow, so that an appropriate scanning time cannot be obtained.

【0013】第2の方法は、周波数変調法を利用する方
法で、カンチレバーが定振幅オッシレータの周波数決定
要因となる。そして、オッシレータ出力の周波数は、直
ちにカンチレバーに働く力勾配の変動により変調を受け
る。この方法では、一般的には20nm(ピーク間)以
上の振動振幅が使用される。
The second method is a method using a frequency modulation method, in which the cantilever becomes a factor for determining the frequency of the constant amplitude oscillator. The frequency of the oscillator output is immediately modulated by the fluctuation of the force gradient acting on the cantilever. In this method, a vibration amplitude of 20 nm (peak-to-peak) or more is generally used.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上記した両方法とも原
子レベルの分解能をもつイメージが得られるが、チップ
の各振動のサンプリング範囲が大きいため、チップと試
料表面との間の相互作用に関する正確な定量的情報を得
ることが困難である。同様な理由で、イメージング機構
を決定的に解明したり、振動の転回点におけるチップと
試料間との最少間隔を決めることが難しい。この分野は
今でも論議の対象となっている。
Although both of the above methods provide images with atomic resolution, the sampling range of each vibration of the chip is large, so that accurate information regarding the interaction between the chip and the sample surface is obtained. It is difficult to obtain quantitative information. For the same reason, it is difficult to definitively elucidate the imaging mechanism or determine the minimum distance between the tip and the sample at the turning point of the vibration. This area is still under discussion.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の方法では、カン
チレバーのスティフネスを最大力勾配よりも大きくとり
(図1のMAX点)、カンチレバーの振動の振幅から設
定点を決めることにより、上記した問題を解決してい
る。これは、カンチレバーのスティフネスが図1のMA
X点より小さいとすると2つの安定な点が同時に存在し
(例えば図1中の非接触モードサンプリング領域を示す
線)、機械的に不安定になり、制御不能となることよ
る。そして、一番重要なことは、チップと試料間との相
互作用の正の力領域に入らないで設定点に到達できるこ
とである。こうして直接のチップ振動法を用いて、必要
な感度が得られている。
According to the method of the present invention, the stiffness of the cantilever is set larger than the maximum force gradient (MAX point in FIG. 1), and the set point is determined from the amplitude of the vibration of the cantilever. Has been resolved. This is because the stiffness of the cantilever is MA in FIG.
If the value is smaller than the point X, two stable points exist at the same time (for example, a line indicating the non-contact mode sampling region in FIG. 1), so that the point becomes mechanically unstable and becomes uncontrollable. Most importantly, the set point can be reached without entering the positive force region of the interaction between the tip and the sample. The required sensitivity is thus obtained using the direct tip vibration method.

【0016】そこで、本発明はカンチレバーのチップに
1nm以下の振動を与え、チップと試料との相互作用の
引力領域においてその力勾配が負の一定値となるよう
に、チップと試料との間の距離をフィードバック制御す
るとともに、試料表面上でチップを走査し、そのときの
フィードバック制御信号を用いて試料表面のイメージを
作成する、 ことを特徴とするプローブ顕微鏡における
試料表面のイメージ作成方法を提供するものである。
Therefore, the present invention applies a vibration of 1 nm or less to the tip of the cantilever, so that the force gradient between the tip and the sample becomes a negative constant value in the attractive region of the interaction between the tip and the sample. Providing a method of creating an image of a sample surface in a probe microscope, wherein the distance is feedback-controlled, a chip is scanned on the sample surface, and an image of the sample surface is created using the feedback control signal at that time. Things.

【0017】また、本発明は、カンチレバーのチップに
1nm以下の振動を与え、チップと試料との相互作用の
引力領域においてその力勾配が負の一定値となるよう
に、チップと試料との間の距離をフィードバック制御
し、さらにチップの振動の振幅あるいは位相が一定とな
るように振動の振幅あるいは位相のフィードバック制御
を行うとともに、試料表面上でチップを走査しそのとき
の振幅あるいは位相のフィードバック制御信号を用いて
試料表面のイメージを作成する、ことを特徴とするプロ
ーブ顕微鏡における試料表面のイメージ作成方法を提供
するものである。
Further, the present invention provides a method in which a tip of a cantilever is provided with a vibration of 1 nm or less, and a force gradient between the tip and the sample is set to a negative constant value in an attractive region of interaction between the tip and the sample. Feedback control of the distance of the tip, feedback control of the amplitude or phase of the vibration so that the amplitude or phase of the tip vibration becomes constant, and feedback control of the amplitude or phase at that time by scanning the tip over the sample surface An object of the present invention is to provide a method of creating an image of a sample surface in a probe microscope, wherein an image of the sample surface is created using a signal.

【0018】また、本発明は、上記力勾配が負の一定値
に制御されるとき、チップと試料との相互作用は引力で
あり、かつ双方間の距離はただ一点に制御される、こと
を特徴とするプローブ顕微鏡における試料表面のイメー
ジ作成方法を提供するものである。
The present invention also provides that when the force gradient is controlled to a negative constant value, the interaction between the tip and the sample is attractive and the distance between the two is controlled to only one point. An object of the present invention is to provide a method of creating an image of a sample surface in a probe microscope, which is a feature of the present invention.

【0019】さらに、本発明は、上記力勾配を負の一定
値とする制御において、チップと試料との間の距離によ
って変化する電流を用いて試料表面のイメージを作成す
る、ことを特徴とするプローブ顕微鏡における試料表面
のイメージ作成方法を提供するものである。
Further, the present invention is characterized in that, in the control for setting the force gradient to a negative constant value, an image of the sample surface is created by using a current that changes depending on the distance between the chip and the sample. An object of the present invention is to provide a method for creating an image of a sample surface in a probe microscope.

【0020】また、本発明は、上記チップの振動によ
り、チップの先端を原子一個にとがらせ先端に原子一個
を留めた状態とし、その状態で測定を行う、ことを特徴
とするプローブ顕微鏡における試料表面のイメージ作成
方法を提供するものである。
Further, the present invention provides a sample for a probe microscope, characterized in that the tip of the tip is pointed to one atom by the vibration of the tip and one atom is fixed to the tip, and measurement is performed in that state. It provides a method for creating a surface image.

【0021】また、本発明は、上記力勾配を負の一定値
とする制御と同時に、チップにねじり振動を与え側方運
動を生じさせてその際の摩擦力勾配を検出し、この摩擦
力勾配を用いて試料表面のイメージを作成する、ことを
特徴とするプローブ顕微鏡における試料表面のイメージ
作成方法を提供するものである。
Further, according to the present invention, at the same time as controlling the force gradient to be a negative constant value, a torsional vibration is applied to the tip to generate a lateral motion, and the frictional force gradient at that time is detected. A method of creating an image of a sample surface in a probe microscope, wherein the method creates an image of the sample surface using the method.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
すると、図2から、プローブ顕微鏡におけるカンチレバ
ーのチップと試料との間の相互作用における負の範囲の
力勾配であって、またチップと試料とが吸引する方向に
作用する引力領域において、力曲線の極小値を可逆的に
通過できることがわかる。このことは、試料表面に永続
的な変形を、全くまたはほとんど残さないため、上記し
た負の力勾配と引力領域を有効に利用できることを示し
ている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below. FIG. 2 shows a force gradient in a negative range in an interaction between a cantilever tip and a sample in a probe microscope. It can be seen that the minimum value of the force curve can be reversibly passed in an attractive region in which the sample and the sample act in the suction direction. This indicates that the negative force gradient and the attractive force region described above can be effectively used because little or no permanent deformation is left on the sample surface.

【0023】また、この領域において、チップと試料と
の相互作用の傾斜が急なので、適当にとがったチップを
使用すれば、このモードで原子レベルの解像度をもつイ
メージングが可能であると期待される。
In this region, since the interaction between the tip and the sample has a steep gradient, it is expected that an image having an atomic level resolution can be obtained in this mode if an appropriately sharp tip is used. .

【0024】特に図1において、チップと試料との間の
相互作用における負の範囲の力勾配で、本発明のイメー
ジ作成方法を実施できる範囲の新しいイメージング領域
を示している。
In particular, FIG. 1 shows a new imaging area in which the imaging method of the present invention can be implemented with a negative range of force gradients in the interaction between the tip and the sample.

【0025】そして、安定した形でこの領域を利用する
には、実験装置におけるチップと試料とのスティフネス
が、接近中に遭遇する最高の力勾配以上でなければなら
ない(図1および2において、点MAXで示してあ
る。)。これを実現するには、大きな機械的スティフネ
スをもつレバーを使用するか、フィードバックでスティ
フネスを強調したレバーを使用する。
In order to utilize this region in a stable manner, the stiffness between the tip and the sample in the experimental setup must be greater than the highest force gradient encountered during approach (points in FIGS. 1 and 2). MAX). This can be achieved by using levers with large mechanical stiffness or levers with enhanced stiffness in the feedback.

【0026】チップが実際に負の力勾配で引力領域に入
っていることを確認するためにはレバーの自由端を振動
させ、振動の位相または振幅を測定する。もしこの振動
がレバーの共振周波数より低くて、相互作用ポテンシャ
ルによる共振シフトが、振幅に影響を与えない場合に
は、振幅の測定値がA/A0=k/(k−dF/dz)
の数式により直接相互作用力勾配と関係づけられる。
To confirm that the tip is actually in the attractive region with a negative force gradient, the free end of the lever is vibrated and the phase or amplitude of the vibration is measured. If this oscillation is lower than the resonance frequency of the lever and the resonance shift due to the interaction potential does not affect the amplitude, the measured amplitude is A / A0 = k / (k-dF / dz)
Is directly related to the interaction force gradient.

【0027】ただし、Aはレバー振幅の測定値、A0は
フリーレバーの振幅、kはレバーのスティフネス、dF
/dzは力勾配である。
Where A is the measured value of the lever amplitude, A0 is the amplitude of the free lever, k is the stiffness of the lever, dF
/ Dz is the force gradient.

【0028】上記した直接的な関係により、測定データ
の定量解析がきわめて簡単になり、周波数変調法による
検出イメージング法に比べて、大幅の改善となる。
The above-described direct relationship greatly simplifies the quantitative analysis of the measured data, and greatly improves the detection imaging method based on the frequency modulation method.

【0029】共振周波数から離れたところでは、レバー
のQ−値がきわめて大きくなる超高真空の下でも、振動
を小さく押さえることができる。この方法は超高真空の
下で実証された、唯一の共振周波数外のイメージング技
法であるという点で、独自のものである。
At a distance from the resonance frequency, the vibration can be suppressed even under an ultra-high vacuum where the Q value of the lever becomes extremely large. This method is unique in that it is the only off-resonance imaging technique demonstrated under ultra-high vacuum.

【0030】スティフネスの大きいカンチレバーを力セ
ンサとして用いるもう一つの利点は、熱的な振動がきわ
めて小さく、駆動された振動の振幅がオングストローム
以下の場合でも、チップと試料との間の距離が外部から
印加した振動によって決まることである。この微小振動
技法は、トンネル効果や電気伝導のような、第2の距離
依存パラメータを測定する際にも有用である。
Another advantage of using a cantilever having a large stiffness as a force sensor is that the distance between the chip and the sample is externally increased even when the thermal vibration is extremely small and the amplitude of the driven vibration is less than angstrom. It is determined by the applied vibration. This micro-vibration technique is also useful for measuring second distance-dependent parameters, such as tunneling and electrical conduction.

【0031】カンチレバーにおける振動の振幅または位
相は、図3に示すロックイン増幅器を用いてモニタする
ことができる。ダイナミック測定法を使用すると、信号
/ノイズ比や感度が著しく改善される。振動の振幅また
は位相と比例した信号を設定点と比較し、設定点と測定
値との差から作られるフィードバック信号を用いて、カ
ンチレバーまたは試料の位置を調整することもできる。
The amplitude or phase of the vibration in the cantilever can be monitored using a lock-in amplifier shown in FIG. The use of dynamic measurements significantly improves the signal / noise ratio and sensitivity. A signal proportional to the amplitude or phase of the vibration can be compared to a set point, and the position of the cantilever or sample can be adjusted using a feedback signal generated from the difference between the set point and the measured value.

【0032】写真として示す図4は、図2の設定点で作
成した金表面(超高真空でマイカ上にスパッタ/アニー
ルした蒸着金)の安定した試料のイメージを示す。第1
のイメージの中で選択した一部を拡大した第2のイメー
ジは、新しいイメージング技法が再現性のあるイメージ
を作ることを示している。
FIG. 4, shown as a photograph, shows an image of a stable sample of the gold surface (deposited gold sputtered / annealed on mica under ultra-high vacuum) created at the set points of FIG. First
The second image, which enlarges a selected portion of the images, shows that the new imaging technique produces a reproducible image.

【0033】図3は本発明方法を実施するための構成例
を概略的に示す図である。図において、カンチレバー1
はレバー13の先端にチップ11と磁石12とを有して
いる。鉄心コア付きコイル(電磁石)9は、コイルドラ
イバ5からの制御電流で磁場を発生し、その磁場で磁石
12に力を加え、チップ11を1nm以下の振幅で試料
10に対して往復動する方向に振動させる。コイルドラ
イバ5は関数ジェネレータ3が発生する振動信号に基づ
いて制御電流を出力している。ピエゾチューブ16は、
ピエゾドライバ8からの制御電流でXYZ方向に微小変
動し、先端に配置した試料10とチップ11との間の距
離を制御するとともに、チップ11に対して試料10の
表面で走査させる。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration example for carrying out the method of the present invention. In the figure, cantilever 1
Has a tip 11 and a magnet 12 at the tip of a lever 13. The coil (electromagnet) 9 with an iron core generates a magnetic field by a control current from the coil driver 5, applies a force to the magnet 12 with the magnetic field, and reciprocates the tip 11 with respect to the sample 10 with an amplitude of 1 nm or less. Vibrate. The coil driver 5 outputs a control current based on the vibration signal generated by the function generator 3. The piezo tube 16
The control current from the piezo driver 8 causes a minute fluctuation in the XYZ directions to control the distance between the sample 10 placed at the tip and the chip 11 and to scan the chip 11 on the surface of the sample 10.

【0034】チップ11の振動変位は、発光ダイオード
21と受光ダイオード22とで構成された微小変動測定
装置2によって測定され、その測定データは、ロックイ
ン増幅器4に出力される。ロックイン増幅器4は、微小
変動測定装置2からの測定データおよび関数ジェネレー
タ3からの振動信号に基づいて、力勾配(振動変位の微
分)を求め、その力勾配をレギュレータ6に出力する。
レギュレータ6には、予め力勾配の設定点Sが負の一定
値(図1のS点、図2の設定点)として設定されてお
り、レギュレータ6は、この力勾配設定点Sと、ロック
イン増幅器4からの力勾配データとを比較し、その差分
に応じた制御信号をフィードバック制御信号としてピエ
ゾドライバ8に出力する。このフィードバック制御信号
で力勾配は負の一定値(S点)に制御され、チップ11
と試料10との間の距離も、距離D(図1)に保たれ
る。
The vibration displacement of the chip 11 is measured by the minute fluctuation measuring device 2 composed of the light emitting diode 21 and the light receiving diode 22, and the measured data is output to the lock-in amplifier 4. The lock-in amplifier 4 calculates a force gradient (differentiation of vibration displacement) based on the measurement data from the minute fluctuation measuring device 2 and the vibration signal from the function generator 3, and outputs the force gradient to the regulator 6.
The set point S of the force gradient is set in the regulator 6 in advance as a negative constant value (point S in FIG. 1 and set point in FIG. 2). It compares the force gradient data from the amplifier 4 and outputs a control signal corresponding to the difference to the piezo driver 8 as a feedback control signal. With this feedback control signal, the force gradient is controlled to a constant negative value (point S), and the tip 11
The distance between the sample and the sample 10 is also kept at the distance D (FIG. 1).

【0035】このように、力勾配が負の一定値(S点)
に制御されるとき、チップ11と試料10との相互作用
は引力領域に留まるとともに、双方間の距離はただ一点
(図1のC点)に制御される。なお、図1のO点はチッ
プ11と試料10との距離が「0」となる点である。
As described above, the force gradient has a negative constant value (point S).
In this case, the interaction between the tip 11 and the sample 10 remains in the attractive region, and the distance between them is controlled to only one point (point C in FIG. 1). The point O in FIG. 1 is a point at which the distance between the chip 11 and the sample 10 becomes “0”.

【0036】そして、上記の力勾配制御を、走査により
試料10の表面各点で行うと、その際のフィードバック
制御信号は、試料10表面での凹凸情報を表すようにな
る。したがって、このフィードバック制御信号を用いて
試料10の表面のイメージを作成可能となる。
When the above-described force gradient control is performed at each point on the surface of the sample 10 by scanning, the feedback control signal at that time comes to represent unevenness information on the surface of the sample 10. Therefore, an image of the surface of the sample 10 can be created using the feedback control signal.

【0037】上記の説明では、フィードバック制御信号
をピエゾドライバ8に出力するように構成したが、この
フィードバック制御信号をコイルドライバ5に同時に出
力するように構成してもよい。
In the above description, the feedback control signal is output to the piezo driver 8. However, the feedback control signal may be output to the coil driver 5 at the same time.

【0038】すなわち、レギュレータ6は、負の一定値
として予め設定されている力勾配設定点Sと、ロックイ
ン増幅器4からの力勾配データとを比較し、その差分に
応じた制御信号をフィードバック制御信号としてピエゾ
ドライバ8に出力し、力勾配が負の一定値となるように
チップ11と試料10との間の距離を制御する。さら
に、レギュレータ6は、ロックイン増幅器4からのチッ
プ11の振幅データあるいは位相データと、予め設定し
た振幅あるいは位相の一定値との差分に応じた制御信号
をコイルドライバ5に出力し、チップ11の振幅あるい
は位相が一定となるようにフィードバック制御を行うと
ともに、試料10の表面上でチップ11を走査する。そ
して、そのときの振幅あるいは位相のフィードバック制
御信号を用いて試料10の表面のイメージを作成する。
この場合、チップ11と試料10との間の距離は、図1
のC点に制御され、かつチップ11の振幅あるいは位相
が一定値に制御される。したがって、このフィードバッ
ク制御信号には、試料10表面の凹凸に関する情報だけ
でなく粘着性に関する情報も含まれることとなり、従来
入手困難であった非接触での粘着性に関する情報をも精
度良く得ることができる。
That is, the regulator 6 compares the force gradient set point S, which is set in advance as a negative constant value, with the force gradient data from the lock-in amplifier 4, and feedback-controls a control signal corresponding to the difference. The signal is output to the piezo driver 8 as a signal, and the distance between the chip 11 and the sample 10 is controlled so that the force gradient becomes a constant negative value. Further, the regulator 6 outputs to the coil driver 5 a control signal corresponding to a difference between the amplitude data or phase data of the chip 11 from the lock-in amplifier 4 and a predetermined amplitude or phase value. Feedback control is performed so that the amplitude or the phase becomes constant, and the chip 11 is scanned on the surface of the sample 10. Then, an image of the surface of the sample 10 is created using the feedback control signal of the amplitude or phase at that time.
In this case, the distance between the chip 11 and the sample 10 is as shown in FIG.
, And the amplitude or phase of the chip 11 is controlled to a constant value. Therefore, this feedback control signal includes not only the information on the irregularities on the surface of the sample 10 but also the information on the adhesiveness, and it is possible to accurately obtain the information on the non-contact adhesiveness which has been difficult to obtain conventionally. it can.

【0039】このように、微小な振幅の振動の下で、チ
ップ11を斥力領域に入る手前の引力領域内のC点に留
めて位置制御するため、高感度の制御を行うことができ
る。しかも、この場合の設定点Sは力勾配の負の一定値
(S点)に設定されていて、このような設定点Sは、チ
ップ11と試料10との間の距離の全体にわたって、た
だの1点しか存在しておらず、したがって、この点から
も、チップ11と試料10との間の微小距離Dでの高感
度の制御が可能となる。
As described above, since the position of the chip 11 is controlled at the point C in the attractive region just before entering the repulsive force region under the vibration of a small amplitude, highly sensitive control can be performed. In addition, the set point S in this case is set to a negative constant value of the force gradient (point S), and such a set point S is simply set over the entire distance between the tip 11 and the sample 10. Since only one point exists, high-sensitivity control at a small distance D between the chip 11 and the sample 10 is possible from this point as well.

【0040】上記したチップ11の振動のフィードバッ
ク制御において、先端が大きいチップを用いると、相互
作用する面積が大きくなり、引力がとてつもなく大きく
なり、たとえ制御がかかっていても、この大きな引力に
よりチップ11と試料10表面との接触が起こる(図5
(a)(b))。こうなるとフィードバック制御信号に
より無理矢理にチップ11が引き戻される(図5
(c)。その際、いわゆるガムのように接触部分の原子
群が伸び続け、先端近傍がだんだん鋭くなり、最終的に
切れる瞬間に真に先端に一個の原子11aが留まった状
態のチップ11ができあがる(図5(d)。すなわち、
この実施形態では、チップ11に1nm以下の振動を継
続的に与えるので、上記のように、チップ11の先端が
丸みを持ち大きくなっている場合でも、最終的には先端
にただ一個の原子11aが留まる状態にすることができ
る。その後はチップ11の先端が小さくなったことで引
力が適度なものとなり、非接触で測定が継続できるの
で、これによって測定をより一層高精度に、原子レベル
の精度で行えるようになる。
In the above-described feedback control of the vibration of the tip 11, if a tip having a large tip is used, the area of interaction becomes large, and the attractive force becomes extremely large. Contact between the sample and the surface of the sample 10 (FIG. 5)
(A) (b)). In this case, the tip 11 is forcibly pulled back by the feedback control signal (FIG. 5).
(C). At that time, the atom group of the contact portion continues to grow like a so-called gum, the vicinity of the tip becomes gradually sharper, and at the moment when the tip is finally cut off, the chip 11 in which one atom 11a actually stays at the tip is completed (FIG. 5). (D), that is,
In this embodiment, since vibration of 1 nm or less is continuously applied to the tip 11, even if the tip of the tip 11 is round and large as described above, finally, only one atom 11a is added to the tip. Can stay. Thereafter, as the tip of the tip 11 becomes smaller, the attractive force becomes appropriate, and the measurement can be continued without contact. Therefore, the measurement can be performed with higher accuracy at the atomic level.

【0041】上記の説明では、チップ11の振動を制御
するフィードバック制御信号を用いてイメージを作成す
ることとしたが、チップ11と試料10との間の距離に
よって変化する電流を用いて試料10表面のイメージを
作成するようにしてもよい。電流の検出には、導電性の
高いカンチレバーとチップとを用い、通常の走査トンネ
ル顕微鏡と同じようにして、チップと試料表面に流れる
電流を計ればよい。その際、チップ振動の振幅が、その
振動周期の全体にわたって電流が流れ続ける程度に微小
であることが重要で、チップ振動の振幅が微小であれ
ば、電流は、ロックイン増幅器を用いて振動の一周期に
わたっての平均値として検出される。このように、イメ
ージ作成に電流を用いることで、電気伝導性の異なる物
質の分布状況や不均一性に関する情報を得ることができ
る。
In the above description, the image is created using the feedback control signal for controlling the vibration of the chip 11, but the surface of the sample 10 is changed using the current that changes depending on the distance between the chip 11 and the sample 10. May be created. The current can be detected by using a highly conductive cantilever and a tip, and measuring the current flowing through the tip and the sample surface in the same manner as in a normal scanning tunneling microscope. At this time, it is important that the amplitude of the chip vibration is small enough that the current continues to flow throughout the entire vibration period. If the amplitude of the chip vibration is small, the current can be reduced using a lock-in amplifier. It is detected as an average over one cycle. As described above, by using the current to create an image, it is possible to obtain information on the distribution state and non-uniformity of substances having different electric conductivity.

【0042】また、上記の説明では、チップ11を試料
10に対して往復動する方向で振動させるようにした
が、この往復動に加えてカンチレバー1に熱振動や静電
力、磁気力によりねじり振動を与え、チップ11に側方
運動を生じさせその際の摩擦力勾配を検出し、この摩擦
力勾配を用いて試料表面のイメージを作成するようにし
てもよい。往復振動とねじり振動とを同時に与えるため
には、図3において磁極が磁石12の磁極と直交するも
う一個の磁石をチップ11近傍のレバー13に設け、磁
石12と電磁石9との間の相互作用により往復振動を発
生させ、もう一個の磁石と電磁石9との間の相互作用に
よりねじり振動を発生させるようにすればよい。そし
て、この場合、フォトダイオード22を図3に示すよう
に、A,B,C,Dの四個の組み合わせで構成し、各々
のフォトダイオードの検出信号を用いることで、往復振
動は{(A+B)−(C+D)}で、またねじり振動は
{(A+C)−(B+D)}でそれぞれ演算して検出可
能となる。
In the above description, the tip 11 is vibrated in the direction of reciprocating movement with respect to the sample 10. In addition to the reciprocating movement, the cantilever 1 is subjected to torsional vibration by thermal vibration, electrostatic force, and magnetic force. , The lateral motion is caused in the tip 11, the gradient of the frictional force at that time is detected, and an image of the sample surface may be created using the gradient of the frictional force. In order to simultaneously apply the reciprocating vibration and the torsional vibration, another magnet whose magnetic pole is orthogonal to the magnetic pole of the magnet 12 in FIG. 3 is provided on the lever 13 near the chip 11, and the interaction between the magnet 12 and the electromagnet 9 is performed. , A reciprocating vibration is generated, and torsional vibration is generated by an interaction between another magnet and the electromagnet 9. In this case, as shown in FIG. 3, the photodiode 22 is composed of four combinations of A, B, C, and D, and the detection signal of each photodiode is used. ) − (C + D)}, and the torsional vibration can be detected and calculated by {(A + C) − (B + D)}.

【0043】このように、イメージ作成に摩擦力勾配を
用いることで、試料10表面の摩擦に係る物性情報を得
ることができる。
As described above, by using the frictional force gradient for creating an image, it is possible to obtain physical property information on the friction on the surface of the sample 10.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上のように本発明は、走査型プローブ
顕微鏡、とくに原子間力顕微鏡において、チップに振動
力を直接印加し、チップと試料間との相互作用のスティ
フネスを一定に保ちながら、試料の表面をチップで走査
することが可能である。
As described above, the present invention provides a scanning probe microscope, particularly an atomic force microscope, in which an oscillating force is directly applied to a tip to maintain a constant stiffness of interaction between the tip and a sample. It is possible to scan the surface of the sample with the tip.

【0045】また、カンチレバーのチップに1nm以下
の振動を与え、チップと試料との相互作用の引力領域に
おいて、その力勾配が負の一定値となるように、チップ
と試料との間の距離をフィードバック制御したので、チ
ップと試料とは接触することはなく、したがって、安定
した状態で制御を行うことができる。また双方間の距離
はただ一点に制御されるので、この点からも安定した状
態での制御が可能となり、しかも非接触を保つので、試
料表面の凹凸等のイメージ作成を再現性良く高精度に行
うことができる。
Further, a vibration of 1 nm or less is applied to the tip of the cantilever, and the distance between the tip and the sample is set so that the force gradient becomes a constant negative value in the attractive region of the interaction between the tip and the sample. Since the feedback control is performed, the chip and the sample do not come into contact with each other, so that the control can be performed in a stable state. In addition, since the distance between the two is controlled to only one point, control in a stable state is possible from this point as well, and non-contact is maintained, so that images such as unevenness on the sample surface can be created with high reproducibility and high accuracy. It can be carried out.

【0046】また、カンチレバーのチップに1nm以下
の振動を与え、チップと試料との相互作用の引力領域に
おいてその力勾配が負の一定値となるように、チップと
試料との間の距離をフィードバック制御し、さらにチッ
プの振動の振幅あるいは位相が一定となるように振動の
振幅あるいは位相のフィードバック制御を行うようにし
たので、上記のチップと試料との間の距離をフィードバ
ック制御した場合と同様に、チップと試料とは接触する
ことはなく、したがって、安定した状態で制御を行うこ
とができる。また双方間の距離はただ一点に制御される
ので、安定した状態での制御が可能となり、しかも非接
触を保つので、試料表面の凹凸等のイメージ作成を再現
性良く高精度に行うことができ、さらにこのフィードバ
ック制御信号には、試料表面の凹凸に関する情報だけで
なく粘着性に関する情報も含まれることとなり、従来入
手困難であった非接触領域での粘着性に関する情報をも
精度良く得ることができる。
Further, a vibration of 1 nm or less is applied to the tip of the cantilever, and the distance between the tip and the sample is fed back so that the force gradient becomes a constant negative value in the attractive region of the interaction between the tip and the sample. Control, and furthermore, the feedback control of the vibration amplitude or phase is performed so that the vibration amplitude or phase of the chip becomes constant, similar to the case where the distance between the chip and the sample is feedback-controlled as described above. Therefore, the chip and the sample do not come into contact with each other, so that control can be performed in a stable state. In addition, since the distance between the two is controlled at only one point, control in a stable state is possible, and since non-contact is maintained, images of irregularities on the sample surface can be created with high reproducibility and high accuracy. Further, the feedback control signal includes not only the information on the unevenness of the sample surface but also the information on the adhesiveness, so that it is possible to accurately obtain the information on the adhesiveness in the non-contact area, which was difficult to obtain conventionally. it can.

【0047】また、チップと試料との間の距離によって
変化する電流を用いて試料表面のイメージを作成するよ
うにしたので、電気伝導性の異なる物質の分布状況や不
均一性に関する情報を得ることができる。
Further, since an image of the sample surface is created by using an electric current which varies depending on the distance between the chip and the sample, information on the distribution state and non-uniformity of substances having different electric conductivity can be obtained. Can be.

【0048】また、先端に原子一個を留めた状態のチッ
プを形成することができ、このチップを用いて測定する
ので、測定をより一層高精度で、原子レベルの精度で行
うことができる。
In addition, a chip in which one atom is attached to the tip can be formed, and the measurement is performed using this chip, so that the measurement can be performed with higher accuracy and at the atomic level.

【0049】さらに、カンチレバーに同時にねじり振動
を与え、その際の摩擦力勾配を用いて試料表面のイメー
ジを作成するようにしたので、試料表面の摩擦に係る物
性情報を得ることができる。
Further, since the torsion vibration is simultaneously applied to the cantilever and an image of the sample surface is created using the frictional force gradient at that time, it is possible to obtain physical property information on the friction of the sample surface.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】チップと試料間との距離に対して、力相互作用
をプロットした曲線で、スティフネス測定、タッピング
モードおよび非接触モードの典型的な作動範囲を示した
概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a typical operating range of a stiffness measurement, a tapping mode, and a non-contact mode in a curve in which a force interaction is plotted with respect to a distance between a tip and a sample.

【図2】本発明による実験的に測定した力勾配曲線であ
って、力勾配曲線上に、イメージングを行った設定点を
指示し、接近・後退のサイクルがプロットされ、イメー
ジングを行った範囲では、ヒステリシスを伴うことな
く、可逆的にプロービングが可能なことを示す概念図で
ある。
FIG. 2 is an experimentally measured force gradient curve according to the present invention, in which a set point at which imaging was performed is indicated on the force gradient curve, and a cycle of approach / retreat is plotted; FIG. 2 is a conceptual diagram showing that reversible probing can be performed without hysteresis.

【図3】本発明のイメージ作成のためのフィードバック
回路の実施の形態を示したブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of a feedback circuit for creating an image according to the present invention.

【図4】フィードバック法の例として、新しいイメージ
ングモードで作成したマイカ上の金のイメージを示す顕
微鏡写真である。
FIG. 4 is a photomicrograph showing an image of gold on mica created in a new imaging mode as an example of a feedback method.

【図5】チップ先端に原子一個が留まるようになる状況
の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a situation in which one atom stays at the tip of a chip.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カンチレバー 2 微小変動測定装置 3 関数ジェネレータ 4 ロックイン増幅器 5 コイルドライバ 6 レギュレータ 8 ピエゾドライバ 9 鉄心コア付きコイル(電磁石) 10 試料 11 チップ 12 磁石 13 レバー 16 ピエゾチューブ 21 発光ダイオード 22 受光ダイオード REFERENCE SIGNS LIST 1 cantilever 2 minute fluctuation measuring device 3 function generator 4 lock-in amplifier 5 coil driver 6 regulator 8 piezo driver 9 coil with core (electromagnet) 10 sample 11 chip 12 magnet 13 lever 16 piezo tube 21 light emitting diode 22 light receiving diode

フロントページの続き (71)出願人 390009531 インターナショナル・ビジネス・マシーン ズ・コーポレイション INTERNATIONAL BUSIN ESS MASCHINES CORPO RATION アメリカ合衆国10504、ニューヨーク州 アーモンク (番地なし) (74)上記2名の代理人 100061642 弁理士 福田 武通 (外2名) (72)発明者 スーザン フィリッパ ジャービス 茨城県つくば市東1−1−4 工業技術院 産業技術融合領域研究所内 技術研究組 合オングストロームテクノロジ研究機構内 (72)発明者 ウルス デューリック スイス シーエッチ−8803 リュシュリコ ン ゾイマーストラッセ 4 インターナ ショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポ レイション研究部門 チューリッヒ研究所 内 (72)発明者 マーク アルフレッド ランツ 茨城県つくば市東1−1−4 工業技術院 産業技術融合領域研究所内 技術研究組 合オングストロームテクノロジ研究機構内 (72)発明者 徳本 洋志 茨城県つくば市東1−1−4 工業技術院 産業技術融合領域研究所内Continuation of the front page (71) Applicant 3990009531 International Business Machines Corporation INTERNAL BUSINESS ESS MASCHINES CORPORATION 10504, Armonk, NY 10504 United States of America (No address) (72) Inventor Susan Philippa Jarvis 1-1-4 Higashi, Tsukuba City, Ibaraki Pref. Institute of Industrial Science and Technology, Research Institute of Industrial Technology Integration Technology Research Association, Angstrom Technology Research Institute (72) Inventor Urs Durrick Swiss C 8803 Ruschlicon Zoimersstrasse 4 International Business Machines Corporation Research Division Zurich Institute (72) Inventor Mark Alfred Lands Tsukuba, Ibaraki East 1-1-4 Agency of Industrial Science and Technology Industrial Science and Technology, Interdisciplinary Institute in technology research union Angstrom technology research mechanism within the (72) inventor Tokumoto Hiroshi Higashi, Tsukuba, Ibaraki, 1-1-4 Agency of Industrial Science and Technology fusion region Institute

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カンチレバーのチップに1nm以下の振
動を与え、チップと試料との相互作用の引力領域におい
てその力勾配が負の一定値となるように、チップと試料
との間の距離をフィードバック制御するとともに、試料
表面上でチップを走査し、そのときのフィードバック制
御信号を用いて試料表面のイメージを作成する、 ことを特徴とするプローブ顕微鏡における試料表面のイ
メージ作成方法。
1. A vibration of 1 nm or less is applied to a tip of a cantilever, and a distance between the tip and the sample is fed back so that a force gradient of the interaction between the tip and the sample becomes a negative constant value. A method for creating an image of a sample surface in a probe microscope, comprising controlling and scanning a chip on the sample surface, and creating an image of the sample surface using a feedback control signal at that time.
【請求項2】 カンチレバーのチップに1nm以下の振
動を与え、チップと試料との相互作用の引力領域におい
てその力勾配が負の一定値となるように、チップと試料
との間の距離をフィードバック制御し、さらにチップの
振動の振幅あるいは位相が一定となるように振動の振幅
あるいは位相のフィードバック制御を行うとともに、試
料表面上でチップを走査しそのときの振幅あるいは位相
のフィードバック制御信号を用いて試料表面のイメージ
を作成する、 ことを特徴とするプローブ顕微鏡における試料表面のイ
メージ作成方法。
2. A vibration of less than 1 nm is applied to the tip of the cantilever, and the distance between the tip and the sample is fed back so that the force gradient becomes a constant negative value in the attractive region of the interaction between the tip and the sample. Control, and feedback control of the amplitude or phase of the vibration so that the amplitude or phase of the vibration of the chip is constant, and scanning the chip on the sample surface and using the feedback control signal of the amplitude or phase at that time A method for creating an image of a sample surface in a probe microscope, wherein the method creates an image of the sample surface.
【請求項3】 上記力勾配が負の一定値に制御されると
き、チップと試料との相互作用は引力であり、かつ双方
間の距離はただ一点に制御される、 ことを特徴とする請求項1または2に記載のプローブ顕
微鏡における試料表面のイメージ作成方法。
3. When the force gradient is controlled to a negative constant value, the interaction between the tip and the sample is attractive, and the distance between the two is controlled to only one point. Item 3. The method for creating an image of a sample surface with a probe microscope according to Item 1 or 2.
【請求項4】 上記力勾配を負の一定値とする制御にお
いて、チップと試料との間の距離によって変化する電流
を用いて試料表面のイメージを作成する、 ことを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のプロ
ーブ顕微鏡における試料表面のイメージ作成方法。
4. The method according to claim 1, wherein in the control of setting the force gradient to a negative constant value, an image of a sample surface is created using a current that changes according to a distance between the chip and the sample. 3. The method for creating an image of a sample surface in the probe microscope according to any one of 3.
【請求項5】 上記チップの振動により、チップの先端
を原子一個にとがらせ先端に原子一個を留めた状態と
し、その状態で測定を行う、 ことを特徴とする請求項1から4の何れかに記載のプロ
ーブ顕微鏡における試料表面のイメージ作成方法。
5. The method according to claim 1, wherein the tip of the tip is pointed at one atom by the vibration of the tip, and one atom is held at the tip, and the measurement is performed in that state. 2. A method for creating an image of a sample surface using a probe microscope according to item 1.
【請求項6】 上記力勾配を負の一定値とする制御と同
時に、チップにねじり振動を与え側方運動を生じさせて
その際の摩擦力勾配を検出し、この摩擦力勾配を用いて
試料表面のイメージを作成する、 ことを特徴とする請求項1から5の何れかに記載のプロ
ーブ顕微鏡における試料表面のイメージ作成方法。
6. At the same time as controlling the force gradient to be a negative constant value, a torsional vibration is applied to the tip to generate a lateral motion, and a frictional force gradient at that time is detected. The method for creating an image of a sample surface in a probe microscope according to any one of claims 1 to 5, wherein an image of the surface is created.
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