JP2001108598A - 走査トンネル顕微鏡発光集光装置 - Google Patents

走査トンネル顕微鏡発光集光装置

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竜一 荒船
Shisho Shioda
資勝 潮田
Kenji Sakamoto
謙二 坂本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＳＴＭのもつ高い空間分解能を犠牲にするこ
となく、真空中でより高い集光効率をもった走査トンネ
ル顕微鏡発光集光装置を提供する。 【解決手段】 走査トンネル顕微鏡発光集光装置におい
て、走査トンネル顕微鏡と、この走査トンネル顕微鏡の
操作での発光を集光するために、前記走査トンネル顕微
鏡探針１の先端を中心として前記走査トンネル顕微鏡探
針１の周りに放射状に配置される複数の光ファイバー２
を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）発光分光に係り、特に発光強度の小さな試
料の測定において重要な、高効率集光を行うことができ
る走査トンネル顕微鏡発光集光装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の光ファイバーを用いたＳＴＭ発光
分光用集光系としては、 （１）一方向からのみ光（グラス）ファイバーを近づけ
てＳＴＭ探針−試料から発する光を集光するもの［Ｃ．
Ｔｈｉｒｓｔｒｕｐ，Ｍ．Ｓａｋｕｒａｉ，Ｋ．Ｓｔｏ
ｋｂｒｏ，ａｎｄ Ｍ．Ａｏｎｏ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．
Ｌｅｔｔ．８２，１２４１（１９９９）．］。 （２）一方向からのみ〔開口数（ＮＡ）の大きな〕プラ
スチック・ファイバーを用い、ＳＴＭ探針−試料からの
発光を集光するもの［Ｍ．Ｊ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，
Ｓ．Ｈｏｗｅｌｌｓ，Ｌ．Ｙｉ，Ｔ．Ｃｈｅｎ，ａｎｄ
Ｄ．Ｓａｒｉｄ，Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．２７８，２７０
（１９９２）］。 （３）先鋭化した光ファイバーに透明電極をコートした
ＳＴＭ探針を用い、その探針を用いて集光するもの
［Ｔ．Ｍｕｒａｓｈｉｔａ，ａｎｄ Ｍ．Ｔａｎｉｍｏ
ｔｏ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４，４３９
８（１９９５）］。がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭ発光の量子効率
は通常極めて低い（〜１０-4以下）のでＳＴＭの高い空
間分解能を維持しながら（トンネル電流、バイアス電圧
を大きくすることなく）、発光計測を行うことは容易で
はない。したがって、高い集光効率を実現することがＳ
ＴＭ発光分光測定において重要である。
【０００４】しかしながら、上記先行技術（１）が抱え
る問題は一方向からのみ光ファイバーを近づける点にあ
る。このために集光立体角が光ファイバーのＮＡ（〜
０．２程度）によって決まる値に制限されてしまい、そ
の値以上の集光立体角を得ることができない。
【０００５】上記先行技術（２）が抱える問題は、集光
立体角を大きくするために、ＮＡの大きなプラスチック
・ファイバーを使用している点にある。しかし、このプ
ラスチック・ファイバーは耐熱性に欠け、超高真空中で
の利用が困難である（超高真空を実現するために、通常
〜１５０℃程度の温度でベーキングを行う必要がある
が、この温度に対して耐熱性をもつプラスチック光ファ
イバーは存在しない）。
【０００６】超高真空中での実験が行えないということ
は、ＳＴＭ発光分光を清浄表面の評価に用いることがで
きないことを意味し、ＳＴＭ発光分光の適用範囲を大幅
に縮めることになる。
【０００７】上記先行技術（３）が抱える問題は、探針
を加工するためにＳＴＭ測定にとって重要な探針材料の
種類が制限される点にある。
【０００８】本発明は、上記問題点を除去し、ＳＴＭの
もつ高い空間分解能を犠牲にすることなく、真空中でよ
り高い集光効率をもった走査トンネル顕微鏡発光集光装
置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕走査トンネル顕微鏡発光集光装置において、走査
トンネル顕微鏡と、この走査トンネル顕微鏡の操作での
発光を集光するために、前記走査トンネル顕微鏡探針の
先端を中心として前記走査トンネル顕微鏡探針の周りに
放射状に配置される複数の光ファイバーを具備すること
を特徴とする。
【００１０】〔２〕上記〔１〕記載の走査トンネル顕微
鏡発光集光装置において、前記光ファイバーがガラス製
の光ファイバーであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
【００１２】本発明では、複数の光ファイバーを探針の
先端を中心として放射状に配置することによって、ＳＴ
Ｍの性能を犠牲にすることなく、高い集光効率を実現す
る。
【００１３】図１は本発明の実施例を示すＳＴＭ発光集
光装置の模式図であり、図１（ａ）はその平面図、図１
（ｂ）はその側面図である。図２はＳＴＭの被測定試料
面と光ファイバーとの角度を示す図である。
【００１４】これらの図に示すように、Ｎ本の光ファイ
バー２をＳＴＭ探針１を中心に放射状に配置する。ここ
では、Ｎ＝４の場合の光ファイバーの配置を示してい
る。ＳＴＭ探針１の材料はタングステン、被測定試料３
はＡｕ蒸着膜を用いた。光ファイバー２はコア径２００
μｍの石英系の光ファイバー（ＮＡ〜０．２：集光立体
角０．１２７に相当）を使用した。
【００１５】図２に示すように光ファイバー２を被測定
試料３の表面よりθfiber ＝３０°の方向から近づけ
る。この角度θにする理由はＳＴＭ発光において（特に
金属試料の場合）最も強い発光強度となる方向であるた
めである。
【００１６】ここで、図２に示すように、ファイバーの
先端２ＡとＳＴＭ探針の先端１Ａ間の距離ｄは、光ファ
イバー２の焦点距離に相当する次式で与えられる値以下
とする。
【００１７】 光ファイバーコアの半径／［ｔａｎ（ｓｉｎ-1ＮＡ）］ …（１） この実施例では、０．４９ｍｍ以下とした。
【００１８】このように配置することにより、本発明
は、０．１２７×Ｎｓｔｒの集光立体角を持つことに相
当して、１本の光ファイバーの場合と比較してＮ倍（図
１の例の場合Ｎ＝４）の発光強度を観測することができ
た。
【００１９】本発明によれば、光ファイバーとＳＴＭ探
針は独立しており、通常使用する探針（実験目的に依
存）をそのまま使用可能であるので、本発明によってＳ
ＴＭの性能が犠牲となることはない。
【００２０】また、ＳＴＭのもつ高い空間分解能をその
まま維持することができるとともに、従来のファイバー
を用いたＳＴＭ発光の集光よりも高い集光効率をもった
走査トンネル顕微鏡発光集光装置を提供できる。
【００２１】更に、光ファイバーとして耐熱性、耐真空
性に優れたガラス製の光ファイバーを用いることが望ま
しい。それにより、真空中で高い集光効率を実現でき
る。
【００２２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００２３】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【００２４】（１）複数の光ファイバーをＳＴＭ探針の
先端を中心としてこのＳＴＭ探針の周りに放射状に配置
することによって、ＳＴＭのもつ高い空間分解能を犠牲
にすることなく、従来のファイバーを用いたＳＴＭ発光
の集光よりも高い集光効率をもった走査トンネル顕微鏡
発光集光装置を実現できる。
【００２５】（２）ガラス製の光ファイバーを用いるこ
とにより、耐熱性、耐真空性に優れ、真空中で高い集光
効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すＳＴＭ発光集光装置の模
式図である。
【図２】本発明の実施例を示すＳＴＭの被測定試料面と
光ファイバーとの角度を示す図である。
【符号の説明】
１ ＳＴＭ探針 １Ａ ＳＴＭ探針の先端 ２ 光ファイバー ２Ａ 光ファイバーの先端 ３ 被測定試料

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）走査トンネル顕微鏡と、（ｂ）該走
    査トンネル顕微鏡の操作での発光を集光するために、前
    記走査トンネル顕微鏡探針の先端を中心として前記走査
    トンネル顕微鏡探針の周りに放射状に配置される複数の
    光ファイバーを具備することを特徴とする走査トンネル
    顕微鏡発光集光装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の走査トンネル顕微鏡発光
    集光装置において、前記光ファイバーがガラス製の光フ
    ァイバーであることを特徴とする走査トンネル顕微鏡発
    光集光装置。
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