JP2000162218A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JP2000162218A JP2000162218A JP10340333A JP34033398A JP2000162218A JP 2000162218 A JP2000162218 A JP 2000162218A JP 10340333 A JP10340333 A JP 10340333A JP 34033398 A JP34033398 A JP 34033398A JP 2000162218 A JP2000162218 A JP 2000162218A
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- Japan
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- probe
- sample
- atoms
- scanning
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- Pending
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 探針の微細かつ高速な動きを可能にし、動き
回る原子や分子を捕獲可能にする。 【解決手段】 探針と試料とを近接させ、両者間に流れ
る電流または両者間に働く作用が一定になるようにフィ
ードバックをかけながら探針を走査する走査型プローブ
顕微鏡において、探針を原子サイズに近い形状で、かつ
フィードバックが追随しない高速で移動させる手段を設
けたものである。
回る原子や分子を捕獲可能にする。 【解決手段】 探針と試料とを近接させ、両者間に流れ
る電流または両者間に働く作用が一定になるようにフィ
ードバックをかけながら探針を走査する走査型プローブ
顕微鏡において、探針を原子サイズに近い形状で、かつ
フィードバックが追随しない高速で移動させる手段を設
けたものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は原子操作や、原子の
動き等の測定を行えるようにした走査型プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）に関するものである。
動き等の測定を行えるようにした走査型プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＳＰＭは１９８２年に登場してから、そ
の高分解能の可能性や幅広い応用範囲が認められ、着実
にその評価を上げ、現在では試料表面の評価手段として
重要な地位を占めるようになってきている。ＳＰＭに
は、その物理量の測定方式から，探針と試料間に流れる
電流を検出する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、表面
で働く色々な力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、
探針と試料との間に働く摩擦力を測定する摩擦力顕微鏡
（ＦＦＭ）、表面磁界の磁気分布を測定する磁気力顕微
鏡（ＭＦＭ）等、色々の方法がある。
の高分解能の可能性や幅広い応用範囲が認められ、着実
にその評価を上げ、現在では試料表面の評価手段として
重要な地位を占めるようになってきている。ＳＰＭに
は、その物理量の測定方式から，探針と試料間に流れる
電流を検出する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、表面
で働く色々な力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、
探針と試料との間に働く摩擦力を測定する摩擦力顕微鏡
（ＦＦＭ）、表面磁界の磁気分布を測定する磁気力顕微
鏡（ＭＦＭ）等、色々の方法がある。
【０００３】また、ＳＰＭの発展は色々の関連する技術
の新たなる誕生と発展の基になってきている。例えば、
試料表面の摩擦を測定するとか、表面の粘性や弾性を測
定し、あるいは表面の電位を測定する、あるいは磁気特
性を測定する等である。このような技術的な進歩は極低
温物理にも画期的な測定技術を提供できるようになって
きている。
の新たなる誕生と発展の基になってきている。例えば、
試料表面の摩擦を測定するとか、表面の粘性や弾性を測
定し、あるいは表面の電位を測定する、あるいは磁気特
性を測定する等である。このような技術的な進歩は極低
温物理にも画期的な測定技術を提供できるようになって
きている。
【０００４】原子レベルの高分解能の観察が可能なＳＰ
Ｍは、最近では原子レベルでの研究、特に原子操作や原
子の結合エネルギーを測定したい等の要求も強くなって
きている。このような要求に対応する技術としては、Sw
artzentruber B.S.(Phys.Rev.Lett.,4,335(1997)の論文
があり、方式としては探針を動き回る原子との距離を一
定にするように探針を追随させる技術が提案されてい
る。
Ｍは、最近では原子レベルでの研究、特に原子操作や原
子の結合エネルギーを測定したい等の要求も強くなって
きている。このような要求に対応する技術としては、Sw
artzentruber B.S.(Phys.Rev.Lett.,4,335(1997)の論文
があり、方式としては探針を動き回る原子との距離を一
定にするように探針を追随させる技術が提案されてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いまま
で提案されている技術では、原子レベルでの研究の要求
に対応するには十分なものではなく、今後の発展が期待
されている。本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、探針の微細かつ高速な動きを可能にし、動き回
る原子や分子を捕獲可能にすることを目的とする。
で提案されている技術では、原子レベルでの研究の要求
に対応するには十分なものではなく、今後の発展が期待
されている。本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、探針の微細かつ高速な動きを可能にし、動き回
る原子や分子を捕獲可能にすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、探針と試料と
を近接させ、両者間に流れる電流または両者間に働く作
用が一定になるようにフィードバックをかけながら探針
を走査する走査型プローブ顕微鏡において、前記探針を
フィードバックが追随しない速度で移動させる手段を設
けたことを特徴とする。また、本発明は、前記移動させ
る手段は原子サイズに近い任意形状で探針を動かすこと
を特徴とする。
を近接させ、両者間に流れる電流または両者間に働く作
用が一定になるようにフィードバックをかけながら探針
を走査する走査型プローブ顕微鏡において、前記探針を
フィードバックが追随しない速度で移動させる手段を設
けたことを特徴とする。また、本発明は、前記移動させ
る手段は原子サイズに近い任意形状で探針を動かすこと
を特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の基本概念図である。一般的
にＳＰＭ、例えばＳＴＭは、金属探針と導電性の試料間
を量子効果によりトンネル電流が流れる距離（１ｎｍ以
下）に保持しながら両者間に数Ｖ以下のバイアス電圧を
加えて相対的に二次元走査させ、このときの距離の変化
やトンネル電流の変化を効果的に検出することで、原子
レベルでの凹凸像を得ようとする技術である。例えば、
図１に示すように、探針１とある傾斜を持った導電性試
料２の間に図示しない電源によりバイアス電圧を加えて
試料表面を測定するものとする。探針１と試料２との間
には任意のトンネル電流が流れ、このトンネル電流を一
定にするようにフィードバックがかけられる。このと
き、探針１をフィードバックが追随しない程度に高速に
図の矢印で示すように螺旋回転させておくと、試料表面
の傾斜に伴う探針との距離の変化により流れるトンネル
電流が変化することになる。この電流を検出してトンネ
ル電流が増える方向や減少する方向、またトンネル電流
を一定にする方向に移動させることが可能であり、本発
明はこのような考え方を基本になされたものである。
て説明する。図１は本発明の基本概念図である。一般的
にＳＰＭ、例えばＳＴＭは、金属探針と導電性の試料間
を量子効果によりトンネル電流が流れる距離（１ｎｍ以
下）に保持しながら両者間に数Ｖ以下のバイアス電圧を
加えて相対的に二次元走査させ、このときの距離の変化
やトンネル電流の変化を効果的に検出することで、原子
レベルでの凹凸像を得ようとする技術である。例えば、
図１に示すように、探針１とある傾斜を持った導電性試
料２の間に図示しない電源によりバイアス電圧を加えて
試料表面を測定するものとする。探針１と試料２との間
には任意のトンネル電流が流れ、このトンネル電流を一
定にするようにフィードバックがかけられる。このと
き、探針１をフィードバックが追随しない程度に高速に
図の矢印で示すように螺旋回転させておくと、試料表面
の傾斜に伴う探針との距離の変化により流れるトンネル
電流が変化することになる。この電流を検出してトンネ
ル電流が増える方向や減少する方向、またトンネル電流
を一定にする方向に移動させることが可能であり、本発
明はこのような考え方を基本になされたものである。
【０００８】図２は本発明を構成するＳＰＭのブロック
ダイアグラムを示している。図において、ＳＰＭコント
ローラ１４は既存のものであり、ピエゾ素子からなるス
キャナー１５をＸ，Ｙ，Ｚの３次元方向に駆動して探針
１６を走査し、探針１６の先端（Ｔｉｐ）と試料１７と
の間に所定の距離ｓを保って、探針と試料間に電圧ＶB
を印加し、探針と試料間に流れるトンネル電流ＩT を一
定にするように制御している。本発明はこの既存のＳＰ
Ｍコントローラ１４にロックイン・アンプ１１と移相器
１２、加算器１３からなる回路を付加し、スキャナー１
５を任意の方向に高速で回転させるものである。ロック
インアンプ１０は、ＡＣ成分とＤＣ成分（Ａ cosθ、Ａ
sinθ）を出力し、ＡＣ成分を移相器１１で９０°移相
させた成分とで旋回信号を生成し、またＡ sinθ，Ａ c
osθをスキャナーを任意の方向にシフトさせる信号とす
る。振幅Ａを変えれば旋回する半径、シフト分が変更
し、移相する角度を変えれば楕円旋回とすることができ
る。そして、加算器１３の中で、走査（旋回）信号（Ａ
Ｃ）はシフト分（ＤＣ）と加算されて、ＳＰＭコントロ
ーラのＸ，Ｙ入力に送られて探針を駆動する。なお、こ
のような走査回路を既存のＳＰＭコントローラに付加せ
ず、専用のスキャンジェネレータを使用するようにして
もよい。
ダイアグラムを示している。図において、ＳＰＭコント
ローラ１４は既存のものであり、ピエゾ素子からなるス
キャナー１５をＸ，Ｙ，Ｚの３次元方向に駆動して探針
１６を走査し、探針１６の先端（Ｔｉｐ）と試料１７と
の間に所定の距離ｓを保って、探針と試料間に電圧ＶB
を印加し、探針と試料間に流れるトンネル電流ＩT を一
定にするように制御している。本発明はこの既存のＳＰ
Ｍコントローラ１４にロックイン・アンプ１１と移相器
１２、加算器１３からなる回路を付加し、スキャナー１
５を任意の方向に高速で回転させるものである。ロック
インアンプ１０は、ＡＣ成分とＤＣ成分（Ａ cosθ、Ａ
sinθ）を出力し、ＡＣ成分を移相器１１で９０°移相
させた成分とで旋回信号を生成し、またＡ sinθ，Ａ c
osθをスキャナーを任意の方向にシフトさせる信号とす
る。振幅Ａを変えれば旋回する半径、シフト分が変更
し、移相する角度を変えれば楕円旋回とすることができ
る。そして、加算器１３の中で、走査（旋回）信号（Ａ
Ｃ）はシフト分（ＤＣ）と加算されて、ＳＰＭコントロ
ーラのＸ，Ｙ入力に送られて探針を駆動する。なお、こ
のような走査回路を既存のＳＰＭコントローラに付加せ
ず、専用のスキャンジェネレータを使用するようにして
もよい。
【０００９】次に、このような装置を用いて動き回る原
子を捕捉し、追跡する例について説明する。図３は、図
２の装置を用いた原子トラッキングの概念図である。図
において、３は探針を示しており、矢印４に示すよう
に、高速で回転できるものとする。５はシリコン等の試
料６を構成する原子で、７はこの試料表面を動き回る動
的原子を示している。今、試料６の上に任意の位置で任
意の方向に動いている原子７が軌跡を示す線８ａのよう
に動いているものとする。探針３を旋回させ、動的原子
７の近傍にもっていき、探針３に近接して動的原子７は
探針３との間でトンネル電流が流れる程度に近づくと、
探針に捕捉されて追跡が開始される。その後、トンネル
電流が最大になるように原子の動きに従って追随させる
ことで、線８ｂに示すような軌跡を描くことが可能であ
る。
子を捕捉し、追跡する例について説明する。図３は、図
２の装置を用いた原子トラッキングの概念図である。図
において、３は探針を示しており、矢印４に示すよう
に、高速で回転できるものとする。５はシリコン等の試
料６を構成する原子で、７はこの試料表面を動き回る動
的原子を示している。今、試料６の上に任意の位置で任
意の方向に動いている原子７が軌跡を示す線８ａのよう
に動いているものとする。探針３を旋回させ、動的原子
７の近傍にもっていき、探針３に近接して動的原子７は
探針３との間でトンネル電流が流れる程度に近づくと、
探針に捕捉されて追跡が開始される。その後、トンネル
電流が最大になるように原子の動きに従って追随させる
ことで、線８ｂに示すような軌跡を描くことが可能であ
る。
【００１０】なお、上記の例では図２に示すような特定
の回路を用いる方式について説明したが、探針の駆動回
路についてはこれに限定されるものではなく、任意の方
式であってもよい。また、探針の旋回についてもこれに
限定されるものではなく、例えば四角形、三角形、楕円
形、直線等、任意の形状の動きとしても良い。例えば原
子レベルのステップ端での挙動等はステップエッジに直
線的な例が多く、この場合等は四角形や直線状の走査の
方が原子の捕捉率が高くなる。また、上記説明では、
Ｘ，Ｙ方向に水平旋回させるものであったが、特に試料
表面に大きな傾斜がある場合には、Ｘ，Ｙの動きにさら
にＺ方向の変位を加えて、三次元的に動かすことによ
り、動的原子や分子等の微細粒子をより正確に捕捉する
ことが可能となる。また、上記ではＳＴＭを例にとって
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
ＡＦＭ、ＦＦＭ等、他のＳＰＭを用いることも可能であ
る。
の回路を用いる方式について説明したが、探針の駆動回
路についてはこれに限定されるものではなく、任意の方
式であってもよい。また、探針の旋回についてもこれに
限定されるものではなく、例えば四角形、三角形、楕円
形、直線等、任意の形状の動きとしても良い。例えば原
子レベルのステップ端での挙動等はステップエッジに直
線的な例が多く、この場合等は四角形や直線状の走査の
方が原子の捕捉率が高くなる。また、上記説明では、
Ｘ，Ｙ方向に水平旋回させるものであったが、特に試料
表面に大きな傾斜がある場合には、Ｘ，Ｙの動きにさら
にＺ方向の変位を加えて、三次元的に動かすことによ
り、動的原子や分子等の微細粒子をより正確に捕捉する
ことが可能となる。また、上記ではＳＴＭを例にとって
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
ＡＦＭ、ＦＦＭ等、他のＳＰＭを用いることも可能であ
る。
【００１１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、任意形状
に探針を高速移動させて動的原子や分子等の微細粒子と
の間の相互作用を維持しながら移動させることにより、
これらを正確に捕捉し、追随させることができるので、
原子操作や原子の動き、結合エネルギーの測定等を行い
たいとする要請に応えることが可能となる。
に探針を高速移動させて動的原子や分子等の微細粒子と
の間の相互作用を維持しながら移動させることにより、
これらを正確に捕捉し、追随させることができるので、
原子操作や原子の動き、結合エネルギーの測定等を行い
たいとする要請に応えることが可能となる。
【図１】 本発明の基本概念図である。
【図２】 本発明を構成するＳＰＭの構成を示す図であ
る。
る。
【図３】 図２の装置を用いた原子トラッキングの概念
図である。
図である。
１…探針、２…試料、３…探針、４…矢印、５…原子、
６…試料、７…動的原子、８ａ，８ｂ…軌跡、１１…ロ
ックインアンプ、１２…移相器、１３…加算器、１４…
ＳＰＭコントローラ、１５…スキャナー、１６…探針、
１７…試料。
６…試料、７…動的原子、８ａ，８ｂ…軌跡、１１…ロ
ックインアンプ、１２…移相器、１３…加算器、１４…
ＳＰＭコントローラ、１５…スキャナー、１６…探針、
１７…試料。
Claims (2)
- 【請求項１】 探針と試料とを近接させ、両者間に流れ
る電流または両者間に働く作用が一定になるようにフィ
ードバックをかけながら探針を走査する走査型プローブ
顕微鏡において、前記探針をフィードバックが追随しな
い速度で移動させる手段を設けたことを特徴とする走査
型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記移動させる手段は原子サイズに近い
任意形状で探針を動かすことを特徴とする請求項１記載
の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10340333A JP2000162218A (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10340333A JP2000162218A (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000162218A true JP2000162218A (ja) | 2000-06-16 |
Family
ID=18335945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10340333A Pending JP2000162218A (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000162218A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006289542A (ja) * | 2005-04-08 | 2006-10-26 | Osaka Univ | 原子位置固定装置、原子位置固定方法及び原子操作方法 |
| JP2008191062A (ja) * | 2007-02-07 | 2008-08-21 | Jeol Ltd | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2012030358A (ja) * | 2011-09-14 | 2012-02-16 | Osaka Univ | 原子位置固定装置、原子位置固定方法及び原子操作方法 |
-
1998
- 1998-11-30 JP JP10340333A patent/JP2000162218A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006289542A (ja) * | 2005-04-08 | 2006-10-26 | Osaka Univ | 原子位置固定装置、原子位置固定方法及び原子操作方法 |
| JP2008191062A (ja) * | 2007-02-07 | 2008-08-21 | Jeol Ltd | 走査型プローブ顕微鏡 |
| JP2012030358A (ja) * | 2011-09-14 | 2012-02-16 | Osaka Univ | 原子位置固定装置、原子位置固定方法及び原子操作方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040414 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040903 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050824 |