JP2009115550A - Scanning probe microscope - Google Patents

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辻成悟
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scanning probe microscope for measuring the strength of a force as an object to be measured, in addition to ω<SB>0</SB>and Q<SB>0</SB>, in a sate where a cantilever is vibrated at all times and continuously with a fixed amplitude. <P>SOLUTION: In the scanning probe microscope, a probe scans a sample in a state where the probe attached to a leading end of the cantilever approaches the sample; change in the force received from the sample by the probe is detected by the excitation of the cantilever, while a force modulator modulates the force applied between the probe and the sample; and sample image in a micro region is rendered, based on its changed value, while the change is fed back to the excited amplitude of the cantilever by an automatic gain amplifier. The automatic gain amplifier is driven at an input amplification rate for vibrating the cantilever at a fixed amplitude, at all times. The excited amplitude of the cantilever is controlled so as to be fixed. The sample image in the micro region is rendered, by taking into consideration the index as a change in the exciting force which is received from the sample by the cantilever, which is obtained from the change in the input amplification rate that controls the amplification rate of the automatic gain amplifier. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、探針または試料を走査させて微小領域の試料像を観察する走査型プローブ顕微鏡に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope that scans a probe or a sample to observe a sample image of a minute region.

走査型プローブ顕微鏡は、探針と試料とを接近させた状態で探針を試料に対して相対的に走査する際に、探針から試料へ局所的刺激を発生させ、その刺激に対する試料表面からの局所的応答を測定することによって試料の表面を観察する顕微鏡である。   The scanning probe microscope generates a local stimulus from the probe to the sample when the probe is scanned relative to the sample in a state where the probe and the sample are brought close to each other, and from the sample surface to the stimulus. It is the microscope which observes the surface of a sample by measuring the local response of.

走査型プローブ顕微鏡は、応答の違いから、2種類に分別される。第1は、走査型トンネル顕微鏡である。これは、探針を金属製探針、刺激をトンネル電圧、それに対する応答をトンネル電流とするものである。第2は、走査型原子間力顕微鏡である。これは、探針を力検出用カンチレバー、刺激を原子間力、応答を力によるカンチレバーの変位とするものである。   Scanning probe microscopes are classified into two types based on the difference in response. The first is a scanning tunneling microscope. In this method, the probe is a metal probe, the stimulus is a tunnel voltage, and the response is a tunnel current. The second is a scanning atomic force microscope. In this method, the probe is a force detection cantilever, the stimulus is an atomic force, and the response is a displacement of the cantilever by force.

本発明が適用される装置は、後者の走査型原子間力顕微鏡に限定される。走査型原子間力顕微鏡から派生した顕微鏡として、走査型磁気力顕微鏡(探針:探針部に磁石が付着したカンチレバー、刺激:磁気力)、走査型静電気力顕微鏡(探針:探針部が電極として働くカンチレバー、刺激:静電気力)、走査型磁気共鳴力顕微鏡(探針:探針部に磁石が付着したカンチレバー、刺激:磁気力)などが開発されている。これらは全て力を応答として観察する顕微鏡と考えられ、走査型原子間力顕微鏡の範疇に属するものとする。   The apparatus to which the present invention is applied is limited to the latter scanning atomic force microscope. As a microscope derived from a scanning atomic force microscope, a scanning magnetic force microscope (probe: cantilever with a magnet attached to the probe, stimulation: magnetic force), a scanning electrostatic force microscope (probe: probe) A cantilever that works as an electrode, stimulation: electrostatic force), a scanning magnetic resonance force microscope (probe: cantilever with a magnet attached to the probe, stimulation: magnetic force), and the like have been developed. These are all considered to be microscopes that observe force as a response, and belong to the category of scanning atomic force microscopes.

走査型原子間力顕微鏡(Scanning Atomic Force Microscope、以下AFMと略記する)には、測定状況の違いから、接触式測定モードと、非接触式測定モードの2種類が存在する。接触式測定モードは、探針と試料表面の間に発生する強い斥力を刺激として、探針と試料表面を接触させながら力を観測する方法である。それに対し、非接触式測定モードは、探針と試料表面の間に発生する弱い引力を刺激として、探針と試料を接触させずに力を観測する測定方法である。   There are two types of scanning atomic force microscopes (hereinafter abbreviated as AFM), a contact-type measurement mode and a non-contact-type measurement mode, due to differences in measurement conditions. The contact measurement mode is a method of observing a force while bringing the probe and the sample surface into contact with a strong repulsive force generated between the probe and the sample surface as a stimulus. On the other hand, the non-contact measurement mode is a measurement method in which a force is observed without bringing the probe and the sample into contact by using a weak attractive force generated between the probe and the sample surface as a stimulus.

本発明は、後者の非接触式測定モードに限定して効果を発揮するものである。   The present invention is effective only in the latter non-contact measurement mode.

AFMは、探針と試料上の原子との間に発生する微弱な原子間力を観測することによって、高い空間分解能を持つ試料表面の凹凸像を提供することができる。AFMの特徴ならびに技術については、広く知られているところであり、例えば、解説書「走査型プローブ顕微鏡 基礎と未来予測」森田清三編著、丸善株式会社出版(2000)、および解説書“Scanning Probe Microscopy The Lab on a Tip”Ernst Meyer, Hans Josef Hug, Roaland Bennewitz Springer(2004)で概説されている。   AFM can provide a concavo-convex image of the sample surface with high spatial resolution by observing the weak atomic force generated between the probe and the atoms on the sample. The features and technologies of AFM are widely known. For example, the book “Scanning Probe Microscopy Basics and Future Prediction” written by Seizo Morita, published by Maruzen Co., Ltd. (2000), and the book “Scanning Probe Microscopy” The Lab on a Tip "Ernst Meyer, Hans Josef Hug, Roaland Bennewitz Springer (2004).

本発明は、AFMの中で、非接触式測定モードを用いた力検出法に限定して効果が期待されるものである。そこでまず、力検出法について説明する。AFMにおいて測定対象となる力は、片持ちバネであるカンチレバーを用いて検出するのが一般的であり、カンチレバー先端に付いたチップに掛かる力Fによってカンチレバーが撓む量xを、あるいは力fによって誘起されるカンチレバーの振動量Aを、精密な位置変位計で観測して、それぞれF=kx、あるいはf=kA/Q0から評価できる。ここでkはバネ定数であり、Q0はカンチレバーのQ値を表わす。 The present invention is expected to be effective only in the force detection method using the non-contact measurement mode in the AFM. First, the force detection method will be described. The force to be measured in the AFM is generally detected by using a cantilever which is a cantilever spring. The amount x by which the cantilever bends by the force F applied to the tip attached to the tip of the cantilever or the force f The induced vibration amount A of the cantilever can be observed from a precise position displacement meter and evaluated from F = kx or f = kA / Q 0 , respectively. Here, k is a spring constant, and Q 0 represents the Q value of the cantilever.

カンチレバー先端に付いたチップに作用する力は、試料表面ともしくはその近傍との相互作用に起因する原子間力、静電気力、磁気力(この場合には、チップは磁性チップであること)などが対象となる。   The force acting on the tip attached to the tip of the cantilever is an atomic force, electrostatic force, magnetic force (in this case, the tip must be a magnetic tip) due to the interaction between the sample surface and its vicinity. It becomes a target.

以下に、力検出法を用いたAFMの事例として、非特許文献1を取り上げ、説明する。非特許文献1では、力検出法を用いた磁気共鳴力顕微鏡装置について記述されている。   Hereinafter, Non-Patent Document 1 will be described as an example of AFM using the force detection method. Non-Patent Document 1 describes a magnetic resonance force microscope apparatus using a force detection method.

図1に、構成要素を描いたブロック図を示す。磁気共鳴力顕微鏡は、試料001が載ったステージ002を走査して、各位置でカンチレバー003に掛かる磁気共鳴力のデータを収集する。そして、磁気共鳴力マップを取得し、適切な画像処理を施して、試料のスピン密度分布の情報を画像化する。以下では、力強度を評価するための動作に焦点を当て、説明を続ける。   FIG. 1 shows a block diagram depicting components. The magnetic resonance force microscope scans the stage 002 on which the sample 001 is placed, and collects data of magnetic resonance force applied to the cantilever 003 at each position. Then, a magnetic resonance force map is acquired, and appropriate image processing is performed to image information on the spin density distribution of the sample. In the following, the explanation will be continued focusing on the operation for evaluating the force intensity.

まず、試料001に含まれるスピンと、カンチレバー003の先端に載った磁石との間で磁気力が発生する。その力は、カンチレバー003に作用する。更に、力変調用発振器006で発生させた変調信号を、ドライバー005を介して力変調装置004に供給し、広く知られた磁気共鳴原理に基づき、力変調装置004を用いて試料001に含まれる一部のスピンを操作し、磁気力を定常的に変調させる。   First, a magnetic force is generated between the spin included in the sample 001 and the magnet placed on the tip of the cantilever 003. The force acts on the cantilever 003. Further, the modulation signal generated by the force modulation oscillator 006 is supplied to the force modulation device 004 via the driver 005, and is included in the sample 001 using the force modulation device 004 based on the widely known magnetic resonance principle. Manipulate some spins to constantly modulate the magnetic force.

力の変調振幅をfとする。変調の周波数をカンチレバー003の機械的共振角周波数ω0に一致させると、カンチレバー003は振幅A=fQ0/kで共振する。カンチレバー003が共振する振る舞いは、カンチレバー変位検出器007で検出される。検出された信号は、変調源である正弦波を参照信号としたロックイン増幅器008で検波され、カンチレバー003の振幅値Aが取得される。 Let the modulation amplitude of the force be f. When the modulation frequency is matched with the mechanical resonance angular frequency ω 0 of the cantilever 003, the cantilever 003 resonates with an amplitude A = fQ 0 / k. The behavior that the cantilever 003 resonates is detected by the cantilever displacement detector 007. The detected signal is detected by a lock-in amplifier 008 using a sine wave that is a modulation source as a reference signal, and an amplitude value A of the cantilever 003 is obtained.

非特許文献1では、更に現実的な問題として、カンチレバー003の共振周波数ω0が測定中に変化することを取り上げ、その変化に力変調用発振器006の発振周波数を常に一致する工程を加味している。 In Non-Patent Document 1, as a more realistic problem, the fact that the resonance frequency ω 0 of the cantilever 003 changes during measurement is taken into account, and the process of always matching the oscillation frequency of the force modulation oscillator 006 with this change is taken into account. Yes.

結局、力強度を評価するために、図2のような工程を実施している。   Eventually, a process as shown in FIG. 2 is performed to evaluate the force intensity.

A01:ステージ002を移動する。   A01: Move the stage 002.

A02:カンチレバー003の共振周波数を求めるために、カンチレバー励振器009とカンチレバー励振用ドライバー010を用いてカンチレバー003を加振する。   A02: In order to obtain the resonance frequency of the cantilever 003, the cantilever 003 is vibrated using the cantilever exciter 009 and the cantilever exciting driver 010.

A03:カンチレバー変位検出器007で検出されたカンチレバー003の振動の振る舞いから、正弦波発振器用周波数調整器011で周波数を計測する。   A03: Based on the vibration behavior of the cantilever 003 detected by the cantilever displacement detector 007, the frequency is measured by the frequency adjuster 011 for the sine wave oscillator.

A04:カンチレバー励振用ドライバー010の出力を停止して、カンチレバー003の加振を停止する。   A04: The output of the cantilever excitation driver 010 is stopped, and the excitation of the cantilever 003 is stopped.

A05:力変調用発振器006の周波数を、正弦波発振器用周波数調整器011で計測した周波数に一致させる。   A05: The frequency of the force modulation oscillator 006 is matched with the frequency measured by the sine wave oscillator frequency adjuster 011.

A06:カンチレバー003が加振されず、自然の状態で振動している状態にあることを確認してから、力変調装置004で試料001のスピンを変調し、その結果試料に発生する被測定対象である磁気共鳴力をカンチレバーへ作用させる。   A06: After confirming that the cantilever 003 is not vibrated and is oscillating in a natural state, the force modulation device 004 modulates the spin of the sample 001, and as a result, the measurement target generated in the sample The magnetic resonance force is applied to the cantilever.

A07:カンチレバー003の振動を、カンチレバー変位検出器007およびロックイン増幅器008を用いて観測する。   A07: The vibration of the cantilever 003 is observed using the cantilever displacement detector 007 and the lock-in amplifier 008.

A08:力変調装置004を停止させ、被測定対象である磁気共鳴力を停止する。そして、再びA01に戻り、同様の手順を繰り返す。   A08: The force modulation device 004 is stopped, and the magnetic resonance force that is the measurement target is stopped. And it returns to A01 again and repeats the same procedure.

図3に、工程A01から工程A08までの動作において、カンチレバー003の振動がどのように振舞っているかをイラストで示した。カンチレバー003は、カンチレバー励振器009とカンチレバー励振用ドライバー010による加振と、試料001の磁気共鳴力による励振を交互に繰り返す形となっている。   FIG. 3 shows an illustration of how the vibration of the cantilever 003 behaves in the operations from step A01 to step A08. The cantilever 003 is configured to alternately repeat excitation by the cantilever exciter 009 and the cantilever excitation driver 010 and excitation by the magnetic resonance force of the sample 001.

K. Wago, D. Botkin, C. S. Yannoni and D. Ruger,“Paramagnetic and ferromagnetic resonance imaging with a tip-on-cantilever magnetic resonance force microscope”, Appl. Phys. Lett., vol. 72, pp. 2757-2759 (1998)K. Wago, D. Botkin, CS Yannoni and D. Ruger, “Paramagnetic and magnetic resonance imaging with a tip-on-cantilever magnetic resonance force microscope”, Appl. Phys. Lett., Vol. 72, pp. 2757-2759 (1998) Lee E. Harrell, Kent R. Thurber and Doran D. Smith,“Cantilever noise in off-cantilever-resonance force-detected nuclear magnetic resonance”, J. Appl. Phys., vol. 95, pp. 2577-2581 (2004)Lee E. Harrell, Kent R. Thurber and Doran D. Smith, “Cantilever noise in off-cantilever-resonance force-detected nuclear magnetic resonance”, J. Appl. Phys., Vol. 95, pp. 2577-2581 (2004 ) T. R. Albrecht, P. Grutter, D. Horne and D. Ruger,“Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity”, J. Appl. Phys., vol. 69, pp. 668-673 (1991)T. R. Albrecht, P. Grutter, D. Horne and D. Ruger, “Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity”, J. Appl. Phys., Vol. 69, pp. 668-673 (1991) 特開2007−85955号公報JP 2007-85955 A 特開2005−241539号公報JP 2005-241539 A 特開2005−114580号公報JP 2005-114580 A 特開2003−294602号公報JP 2003-294602 A 特開2003−28773号公報JP 2003-28773 A 特開2001−242231号公報JP 2001-242231 A

ところで、カンチレバーの振動変位から、カンチレバーに作用している力を定量的に評価するためには、カンチレバーの共振角周波数ω0ならびにQ値Q0が既知である必要がある。非特許文献1で指摘されているように、探針に対して試料の相対的な位置をステージによって移動した際にω0が変化するのであれば、ステージを移動する毎にω0を逐次測定し続ける必要がある。 By the way, in order to quantitatively evaluate the force acting on the cantilever from the vibration displacement of the cantilever, it is necessary to know the resonance angular frequency ω 0 and the Q value Q 0 of the cantilever. As pointed out in Non-Patent Document 1, if ω 0 changes when the relative position of the sample with respect to the probe is moved by the stage, ω 0 is sequentially measured each time the stage is moved. It is necessary to continue.

また、一般にステージ移動に伴ってQ0が変化することも考えられる。この場合には、ステージを移動する毎にQ0も逐次測定し続ける必要がある。 In general, Q 0 may change as the stage moves. In this case, it is necessary to continuously measure Q 0 every time the stage is moved.

Dissipation force microscopyはAFMの1つとして広く知られている顕微鏡であるが、その顕微鏡が提供する像はQ0の変化を描いた像に対応していることを考慮すると、走査の際にQ0の変化を伴うことは特別ではないと言える。 When Dissipation force microscopy is a microscopic widely known as one of the AFM, the image which the microscope is provided considering that correspond to the image depicting the change in Q 0, Q 0 when the scanning It can be said that the change is not special.

背景技術で例示した方法では、この課題に対し、ステージを走査する毎に、カンチレバーを加振して、その間にω0を計測し、発振器の発振周波数を更新し続ける方法が述べられている。非特許文献1では、Q0の更新については触れられていない。しかしながら、ω0の更新方法として非特許文献1で述べられたカンチレバーを加振する方法は、例えばその方法の1つであるリングダウン法を取り上げると、ω0だけでなくQ0も測定できることは自明であり、ω0とQ0の両方を更新できる手法であることは言うまでもない。 In the method exemplified in the background art, a method is described in which the cantilever is vibrated each time the stage is scanned, ω 0 is measured during the scanning, and the oscillation frequency of the oscillator is continuously updated. Non-Patent Document 1 does not mention updating Q 0 . However, as a method of updating ω 0, the method of vibrating a cantilever described in Non-Patent Document 1 can measure not only ω 0 but also Q 0 when the ring-down method, which is one of the methods, is taken up, for example. Needless to say, this is a technique that can update both ω 0 and Q 0 .

しかしながら、背景技術で述べた方法では、カンチレバーに掛かる力を検出する際には、被測定力で励振されるカンチレバーの振動振幅を計測する必要があり、ω0やQ0の測定を目的とした加振の影響は無視できる状況になっていなくてはならない。 However, in the method described in the background art, when detecting the force applied to the cantilever, it is necessary to measure the vibration amplitude of the cantilever excited by the force to be measured, and the purpose is to measure ω 0 and Q 0 . The influence of vibration must be negligible.

例えば、微弱な力を対象とする場合に、加振に要する力が被測定力に対して100倍大きいとすると、加振の影響がカンチレバーの振動に現れなくなるまでに、4.6×2Q00の時間だけ待たなくてはならない。Q0=1000、ω0=2π[1000Hz]だとすると、4.6×2Q00=1.5秒程度になる。 For example, when a weak force is targeted, if the force required for vibration is 100 times larger than the force to be measured, 4.6 × 2Q 0 until the influence of vibration does not appear in the vibration of the cantilever. / ω You have to wait for 0 time. If Q 0 = 1000 and ω 0 = 2π [1000 Hz], then 4.6 × 2Q 0 / ω 0 = 1.5 seconds or so.

このように、ω0とQ0の更新と力強度測定との両方が必要であるという課題に対して、従来技術のように、カンチレバーの振幅を観測し、かつカンチレバーの加振と加振停止とを繰り返さなくてはならない状況下は、測定時間が待ち時間の分だけ長くなってしまう。 Thus, in response to the problem that both the update of ω 0 and Q 0 and the measurement of force intensity are necessary, the amplitude of the cantilever is observed and the cantilever is vibrated and stopped, as in the prior art. In a situation where the above must be repeated, the measurement time becomes longer by the waiting time.

非特許文献2では、上記の課題に対して、カンチレバーの共振周波数が変化しても力変調用発振器の周波数を変化させない方法を提案している。   Non-Patent Document 2 proposes a method that does not change the frequency of the force modulation oscillator even when the resonance frequency of the cantilever changes, in response to the above-described problem.

この手法では、装置の出力としてS/Nを観測すると述べられている。カンチレバーの伝達関数をG(ω0,Q0)とすると、被測定量である力fによって誘起される振動量はfG、熱ノイズ力Nによって励起される振動量はNGであり、S/Nはf/Nで与えられ、Gを変数に含まない。 In this method, it is stated that S / N is observed as the output of the apparatus. Assuming that the transfer function of the cantilever is G (ω 0 , Q 0 ), the vibration amount induced by the force f, which is the measured amount, is fG, the vibration amount excited by the thermal noise force N is NG, and S / N Is given by f / N and does not include G as a variable.

しかしながら、この方法は、ω0やQ0が大きく変化する場合には適切でない。第1の理由は、ωがω0から大きく離れるとG(ω0,Q0)が著しく小さくなり、ノイズについてNGに比べてNGとは異なる測定ノイズが主になり、S/Nを悪化させてしまうからである。第2の理由は、Nは統計力学的な考察から、ω0、Q0、カンチレバーのバネ定数kに依存するパラメーターであり、それらの数値が変化すると、Nの値が変わることになる。 However, this method is not appropriate when ω 0 or Q 0 changes greatly. The first reason is, omega is omega 0 when large extent from the G (ω 0, Q 0) is significantly reduced, it becomes the main different measurement noise and NG compared to NG Noise exacerbates the S / N Because it will end up. The second reason is that N is a parameter that depends on ω 0 , Q 0 , and the spring constant k of the cantilever from statistical mechanics considerations, and the value of N changes when these numerical values change.

本発明の目的は、上述した点に鑑み、常にカンチレバーを一定の振幅で加振し続けた状況で、ω0やQ0だけでなく、被測定対象である力の強度も測定可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a scanning type capable of measuring not only ω 0 and Q 0 but also the strength of a force to be measured in a situation where the cantilever is continuously vibrated with a constant amplitude in view of the above points. It is to provide a probe microscope.

この目的を達成するため、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、
カンチレバー先端に取り付けた探針と試料とを接近させた状態で該探針を試料に対して走査し、力変調装置で該探針と試料の間に働く力を変調させながら、前記試料から前記探針が受け取る力の変化を前記カンチレバーの励振によって検出し、該変化を自動利得増幅器でカンチレバーの励振振幅に帰還させながら、その変化の値に基づいて微小領域の試料像を描かせるようにした走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーが常に一定の振幅で振動するような入力増幅率で前記自動利得増幅器を駆動させて、前記カンチレバーの励振振幅を一定に制御するとともに、前記自動利得増幅器の増幅率を制御している前記入力増幅率の値の変化から分かる前記カンチレバーが前記試料から受け取る励振力の変化を指標にして、微小領域の試料像を描かせるようにしたことを特徴としている。
In order to achieve this object, a scanning probe microscope according to the present invention includes:
The sample is scanned from the sample while the probe attached to the tip of the cantilever and the sample are brought close to each other, and the force acting between the probe and the sample is modulated by a force modulator. Changes in the force received by the probe are detected by excitation of the cantilever, and the change is fed back to the excitation amplitude of the cantilever by an automatic gain amplifier, and a sample image of a minute region is drawn based on the value of the change. In a scanning probe microscope,
The automatic gain amplifier is driven at an input amplification factor such that the cantilever always vibrates with a constant amplitude, the excitation amplitude of the cantilever is controlled to be constant, and the amplification factor of the automatic gain amplifier is controlled. It is characterized in that a sample image of a minute region can be drawn by using, as an index, a change in excitation force received from the sample by the cantilever which can be understood from a change in the value of the input amplification factor.

また、前記入力増幅率は、前記力変調装置の励振信号をリファレンス信号とするロックイン増幅器で前記カンチレバーの振幅変化を検出することにより得ることを特徴としている。   The input amplification factor is obtained by detecting a change in amplitude of the cantilever with a lock-in amplifier using the excitation signal of the force modulation device as a reference signal.

また、前記探針と試料の間に働く力は、磁気共鳴力であることを特徴としている。   The force acting between the probe and the sample is a magnetic resonance force.

本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、
カンチレバー先端に取り付けた探針と試料とを接近させた状態で該探針を試料に対して走査し、力変調装置で該探針と試料の間に働く力を変調させながら、前記試料から前記探針が受け取る力の変化を前記カンチレバーの励振によって検出し、該変化を自動利得増幅器でカンチレバーの励振振幅に帰還させながら、その変化の値に基づいて微小領域の試料像を描かせるようにした走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーが常に一定の振幅で振動するような入力増幅率で前記自動利得増幅器を駆動させて、前記カンチレバーの励振振幅を一定に制御するとともに、前記自動利得増幅器の増幅率を制御している前記入力増幅率の値の変化から分かる前記カンチレバーが前記試料から受け取る励振力の変化を指標にして、微小領域の試料像を描かせるようにしたので、
常にカンチレバーを一定の振幅で加振し続けた状況で、ω0やQ0だけでなく、被測定対象である力の強度も測定可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することが可能になった。
According to the scanning probe microscope of the present invention,
The sample is scanned from the sample while the probe attached to the tip of the cantilever and the sample are brought close to each other, and the force acting between the probe and the sample is modulated by a force modulator. Changes in the force received by the probe are detected by excitation of the cantilever, and the change is fed back to the excitation amplitude of the cantilever by an automatic gain amplifier, and a sample image of a minute region is drawn based on the value of the change. In a scanning probe microscope,
The automatic gain amplifier is driven at an input amplification factor such that the cantilever always vibrates with a constant amplitude, the excitation amplitude of the cantilever is controlled to be constant, and the amplification factor of the automatic gain amplifier is controlled. Since the cantilever that can be seen from the change in the value of the input amplification factor is the change in the excitation force received from the sample, the sample image of the minute region is drawn,
It is possible to provide a scanning probe microscope capable of measuring not only ω 0 and Q 0 but also the strength of the force to be measured in a situation where the cantilever is constantly vibrated with a constant amplitude.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図4は、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の一実施例である。図中101は、試料である。試料101が載ったステージ102を走査して、各位置で探針付きカンチレバー103に掛かる力強度のデータを収集して画像化する。あるいは、力強度が一定になるようにZ方向に調整しながら、試料101が載ったステージ102をXY方向に走査し、各XY位置に対してZ位置のデータを収集して画像化する。   FIG. 4 shows an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention. In the figure, reference numeral 101 denotes a sample. The stage 102 on which the sample 101 is placed is scanned, and data on the strength of the force applied to the cantilever 103 with a probe at each position is collected and imaged. Alternatively, the stage 102 on which the sample 101 is placed is scanned in the XY direction while adjusting in the Z direction so that the force intensity is constant, and data on the Z position is collected and imaged for each XY position.

このとき、カンチレバー103を自己励振させることによって、ω0とQ0を更新する工程を不要とし、カンチレバー103を励振させる励振器のパワー変化から、力強度を評価する。 At this time, the self-excitation of the cantilever 103 eliminates the need to update ω 0 and Q 0 , and the force intensity is evaluated from the power change of the exciter that excites the cantilever 103.

図5は、力強度のデータを収集して画像化する手順を流れ図として示したものである。   FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for collecting and imaging force intensity data.

B01:予め、以下に述べるカンチレバーの自己励振ループをONにする。カンチレバーを安定して励振するための自己励振ループは、非特許文献3の中で提案されている。   B01: The self-excitation loop of the cantilever described below is turned ON in advance. Non-Patent Document 3 proposes a self-excitation loop for stably exciting a cantilever.

カンチレバー変位検出器107において、カンチレバーの振動の振る舞いx(t)が計測される。自動利得増幅器112では、x(t)の振幅が指定値A0になるように、x(t)の振幅値が小さいときには入力x(t)に対して増幅率を上げて出力し、x(t)の振幅値が大きいときには入力x(t)に対して増幅率を下げて出力する。 In the cantilever displacement detector 107, the vibration behavior x (t) of the cantilever is measured. In the automatic gain amplifier 112, when the amplitude value of x (t) is small, the amplification factor is increased with respect to the input x (t) so that the amplitude of x (t) becomes the specified value A 0 , and x (t When the amplitude value of t) is large, the output is reduced with respect to the input x (t).

x(t)の振幅は、ロックイン増幅器108でx(t)を検波して算出される。ロックイン増幅器108のリファレンス信号(REF)には、振幅調整器106および移相器111を介して供給される自己励振ループの発振信号が用いられる。   The amplitude of x (t) is calculated by detecting x (t) with the lock-in amplifier 108. As the reference signal (REF) of the lock-in amplifier 108, an oscillation signal of a self-excitation loop supplied via the amplitude adjuster 106 and the phase shifter 111 is used.

微分回路113では、αx(t)(αは比例定数)に対してαdx(t)/dtが出力できるようにする。カンチレバー励振器用ドライバー110は、微分回路113から出力された微分信号でカンチレバー103が励振できるように、カンチレバー励振器109へ微分信号を増幅して送信する。このループによって、カンチレバー103の振幅値が一定値A0となるように保たれる。 The differentiating circuit 113 enables αdx (t) / dt to be output with respect to αx (t) (α is a proportional constant). The cantilever exciter driver 110 amplifies and transmits the differential signal to the cantilever exciter 109 so that the cantilever 103 can be excited by the differential signal output from the differentiation circuit 113. By this loop, the amplitude value of the cantilever 103 is kept at a constant value A 0 .

カンチレバー103の運動x(t)は、以下の方程式で記述される。   The motion x (t) of the cantilever 103 is described by the following equation.

2x/dt2+(ω0/Q0)dx/dt+ω0 2x={(ω0 2ex/k)/v}dx/dt
ここでFexはカンチレバー励振器109がカンチレバー103へ与える力、v(=Aω0)はdx/dtの振幅値を表わす。カンチレバー103の振幅値が一定値になることは、上式の左辺第2項と、右辺の項とが等しくなるときに実現される。このとき、以下の式が得られる。
d 2 x / dt 2 + (ω 0 / Q 0 ) dx / dt + ω 0 2 x = {(ω 0 2 F ex / k) / v} dx / dt
Here F ex is the force cantilever exciter 109 provides the cantilever 103, v (= Aω 0) represents the amplitude value of dx / dt. That the amplitude value of the cantilever 103 is a constant value is realized when the second term on the left side of the above equation is equal to the term on the right side. At this time, the following equation is obtained.

ex=kA0/Q0
ここでA0は既知である。kはk=mω0(mはカンチレバーの総質量)であり、共振周波数ω0の値から評価できる。よって上式は、Fexを知ることができれば、Q0が導出できることを示唆する。
F ex = kA 0 / Q 0
Here, A 0 is known. k is k = mω 0 (m is the total mass of the cantilever) and can be evaluated from the value of the resonance frequency ω 0 . Therefore, the above equation suggests that Q 0 can be derived if F ex can be known.

exの大きさを制御しているのは、自動利得増幅器112の増幅率であり、両者は比例の関係にある。比例係数の較正は、以下のようにして可能である。 The magnitude of F ex is controlled by the amplification factor of the automatic gain amplifier 112, which is in a proportional relationship. Calibration of the proportionality factor is possible as follows.

カンチレバー103の先端が、例えば試料101近傍に近づいていないときなど、自由振動をしているときに、カンチレバー103の振動ノイズスペクトル測定などからQ0を求めることができる。このとき、上式からFexが評価できる。増幅率がゼロのときは、Fexはゼロであることを認めると、評価されたFexと、そのときの自動利得増幅器112の増幅率との比から、比例係数を評価することができる。 When the tip of the cantilever 103 does not approach the vicinity of the sample 101, for example, when free vibration occurs, Q 0 can be obtained from measurement of the vibration noise spectrum of the cantilever 103 or the like. At this time, Fex can be evaluated from the above equation. When the gain is zero, if it is recognized that F ex is zero, the proportionality coefficient can be evaluated from the ratio between the evaluated F ex and the gain of the automatic gain amplifier 112 at that time.

よって、自己励振ループにおいて発振した信号振幅が安定化したときに、自動利得増幅器112の増幅率が分かれば、Q0の情報が得られたことになる。 Therefore, if the amplification factor of the automatic gain amplifier 112 is known when the amplitude of the signal oscillated in the self-excitation loop is stabilized, information on Q 0 is obtained.

B02:ステージ102を移動して、試料101の表面近傍の測定したい局所的な部分を、カンチレバー103の先端へ近づける。   B02: The stage 102 is moved, and a local portion to be measured near the surface of the sample 101 is brought close to the tip of the cantilever 103.

B03:自動利得増幅器112の増幅率(Q0の情報)と、周波数復調器114で測定される自己励振ループで発生した周波数ω0を記録しておく。 B03: The gain (information of Q 0 ) of the automatic gain amplifier 112 and the frequency ω 0 generated in the self-excitation loop measured by the frequency demodulator 114 are recorded.

B04:試料101の表面近傍の局所的な部分とカンチレバー103の先端との間に何らかの力が発生し、その力がカンチレバー103に作用しているとする。更に、力変調装置104を用いると、その力が変調できるものと仮定する。例えば、原子間力が対象であれば、ステージ102をZ方向に位置を変動させる装置が力変調装置104に当てはまる。静電気力が対象であれば、試料101やステージ102に対するカンチレバー103の電位差を変化させる装置が力変調装置104に当てはまる。   B04: It is assumed that some force is generated between a local portion near the surface of the sample 101 and the tip of the cantilever 103, and that force acts on the cantilever 103. Further, it is assumed that the force modulation device 104 can be used to modulate the force. For example, if the atomic force is a target, a device that varies the position of the stage 102 in the Z direction applies to the force modulation device 104. If the electrostatic force is a target, a device that changes the potential difference of the cantilever 103 with respect to the sample 101 or the stage 102 applies to the force modulation device 104.

結果として、自己励振ループの微分回路113から取り出され、振幅調整器106を経て得られた電気信号(1/v)dx(t)/dtが、ドライバー105を経て、力変調装置104に受信され、力の時間変化f(t)=(f/t)dx(t)/dtに変換されるものとする。ここでfは未知数であり、評価したいパラメータである。   As a result, the electric signal (1 / v) dx (t) / dt taken out from the differentiation circuit 113 of the self-excitation loop and obtained through the amplitude adjuster 106 is received by the force modulation device 104 via the driver 105. , Force change with time f (t) = (f / t) dx (t) / dt. Here, f is an unknown and is a parameter to be evaluated.

B05:力変調装置104に由来する力の変動f(t)によって、カンチレバー103の振幅はA0−Aとなる。ここでA=fQ0/kである。自己励振ループでは、振幅をA0とするように自動利得増幅器112が増幅率を自動的に調整するので、カンチレバー励振器109へ送信する力をFex→Fex+Ak/Q0と変更することになる。 B05: The amplitude of the cantilever 103 is A 0 -A due to the force fluctuation f (t) derived from the force modulation device 104. Here, A = fQ 0 / k. In the self-excitation loop, the automatic gain amplifier 112 automatically adjusts the amplification factor so that the amplitude is A 0. Therefore, the force transmitted to the cantilever exciter 109 is changed from F ex → F ex + Ak / Q 0. become.

よって、B03の工程で測定しておいた被測定力が働かないときのFexと、働くときのFex+Ak/Q0との差を求めることによって、Ak/Q0を求めることができる。 Therefore, it is possible to obtain the F ex when the measured force which had been measured in B03 process does not work, the F ex + by obtaining the difference between Ak / Q 0, Ak / Q 0 when working.

B06:力変調装置104の出力を停止する。そして、工程B02へ戻って、工程B02から工程B06までの手順を繰り返す。   B06: The output of the force modulation device 104 is stopped. And it returns to process B02 and repeats the procedure from process B02 to process B06.

図6に、工程B02から工程B06までの動作において、カンチレバー103の振動と自動利得増幅器112の増幅率とがどのように振舞っているかをイラストで示した。   FIG. 6 shows an illustration of how the vibration of the cantilever 103 and the amplification factor of the automatic gain amplifier 112 behave in the operation from the process B02 to the process B06.

尚、上記の補足として、工程B04で被測定対象である力発生、工程B05で力測定、工程B06で力停止としているが、工程B04から工程B06の一連の動作を、定常的に変更することでも構わない。すなわち、定常的かつ周期的に力のON/OFFを変化させ、その周期的に変動する力に起因したカンチレバーの強度変調分を検波することでも構わない。   As a supplement to the above, the generation of the force to be measured in the process B04, the force measurement in the process B05, and the force stop in the process B06 are performed, but the series of operations from the process B04 to the process B06 is constantly changed. It doesn't matter. That is, the force ON / OFF may be constantly and periodically changed, and the intensity modulation of the cantilever caused by the periodically changing force may be detected.

図7は、本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の一実施例である。図中201は、試料である。試料201が載ったステージ202を走査して、各位置で探針付きカンチレバー203に掛かる力強度のデータを収集して画像化する。あるいは、力強度が一定になるようにZ方向に調整しながら、試料201が載ったステージ202をXY方向に走査し、各XY位置に対してZ位置のデータを収集して画像化する。   FIG. 7 shows an embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention. In the figure, 201 is a sample. The stage 202 on which the sample 201 is placed is scanned, and data on the force intensity applied to the cantilever 203 with a probe at each position is collected and imaged. Alternatively, the stage 202 on which the sample 201 is placed is scanned in the XY direction while adjusting in the Z direction so that the force intensity is constant, and data on the Z position is collected and imaged for each XY position.

このとき、カンチレバー203を自己励振させることによって、ω0とQ0を更新する工程を不要とし、カンチレバー203を励振させる励振器のパワー変化から、力強度を評価する。 At this time, the self-excitation of the cantilever 203 eliminates the need to update ω 0 and Q 0 , and the force intensity is evaluated from the power change of the exciter that excites the cantilever 203.

図8は、力強度のデータを収集して画像化する手順を流れ図として示したものである。   FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for collecting and imaging force intensity data.

C01:予め、以下に述べるカンチレバーの自己励振ループをONにする。カンチレバーを安定して励振するための自己励振ループは、非特許文献3の中で提案されている。   C01: The cantilever self-excitation loop described below is turned ON in advance. Non-Patent Document 3 proposes a self-excitation loop for stably exciting a cantilever.

カンチレバー変位検出器207において、カンチレバーの振動の振る舞いx(t)が計測される。自動利得増幅器212では、x(t)の振幅が指定値A0になるように、x(t)の振幅値が小さいときには入力x(t)に対して増幅率を上げて出力し、x(t)の振幅値が大きいときには入力x(t)に対して増幅率を下げて出力する。 The cantilever displacement detector 207 measures the vibration behavior x (t) of the cantilever. In the automatic gain amplifier 212, when the amplitude value of x (t) is small so that the amplitude of x (t) becomes the specified value A 0 , the amplification factor is increased with respect to the input x (t) and output, and x (t When the amplitude value of t) is large, the output is reduced with respect to the input x (t).

x(t)の振幅は、ロックイン増幅器208でx(t)を検波して算出される。ロックイン増幅器208のリファレンス信号(REF)には、振幅調整器206および移相器211を介して供給される自己励振ループの発振信号が用いられる。   The amplitude of x (t) is calculated by detecting x (t) with the lock-in amplifier 208. As a reference signal (REF) of the lock-in amplifier 208, an oscillation signal of a self-excited loop supplied via the amplitude adjuster 206 and the phase shifter 211 is used.

微分回路213では、αx(t)(αは比例定数)に対してαdx(t)/dtが出力できるようにする。カンチレバー励振器用ドライバー210は、微分回路213から出力された微分信号でカンチレバー203が励振できるように、カンチレバー励振器209へ微分信号を増幅して送信する。このループによって、カンチレバー203の振幅値が一定値A0となるように保たれる。 The differentiation circuit 213 can output αdx (t) / dt with respect to αx (t) (α is a proportional constant). The cantilever exciter driver 210 amplifies and transmits the differential signal to the cantilever exciter 209 so that the cantilever 203 can be excited by the differential signal output from the differentiation circuit 213. By this loop, the amplitude value of the cantilever 203 is kept at a constant value A 0 .

カンチレバー203の運動x(t)は、以下の方程式で記述される。   The motion x (t) of the cantilever 203 is described by the following equation.

2x/dt2+(ω0/Q0)dx/dt+ω0 2x={(ω0 2ex/k)/v}dx/dt
ここでFexはカンチレバー励振器209がカンチレバー203へ与える力、v(=Aω0)はdx/dtの振幅値を表わす。カンチレバー203の振幅値が一定値になることは、上式の左辺第2項と、右辺の項とが等しくなるときに実現される。このとき、以下の式が得られる。
d 2 x / dt 2 + (ω 0 / Q 0 ) dx / dt + ω 0 2 x = {(ω 0 2 F ex / k) / v} dx / dt
Here F ex is the force cantilever exciter 209 provides the cantilever 203, v (= Aω 0) represents the amplitude value of dx / dt. The fact that the amplitude value of the cantilever 203 becomes a constant value is realized when the second term on the left side of the above equation is equal to the term on the right side. At this time, the following equation is obtained.

ex=kA0/Q0
ここでA0は既知である。kはk=mω0(mはカンチレバーの総質量)であり、共振周波数ω0の値から評価できる。よって上式は、Fexを知ることができれば、Q0が導出できることを示唆する。
F ex = kA 0 / Q 0
Here, A 0 is known. k is k = mω 0 (m is the total mass of the cantilever) and can be evaluated from the value of the resonance frequency ω 0 . Therefore, the above equation suggests that Q 0 can be derived if F ex can be known.

exの大きさを制御しているのは、自動利得増幅器212の増幅率であり、両者は比例の関係にある。比例係数の較正は、以下のようにして可能である。 The magnitude of F ex is controlled by the amplification factor of the automatic gain amplifier 212, which is in a proportional relationship. Calibration of the proportionality factor is possible as follows.

カンチレバー203の先端が、例えば試料201近傍に近づいていないときなど、自由振動をしているときに、カンチレバー203の振動ノイズスペクトル測定などからQ0を求めることができる。このとき、上式からFexが評価できる。増幅率がゼロのときは、Fexはゼロであることを認めると、評価されたFexと、そのときの自動利得増幅器212の増幅率との比から、比例係数を評価することができる。 For example, when the tip of the cantilever 203 is not approaching the vicinity of the sample 201 and is in free vibration, Q 0 can be obtained from measurement of the vibration noise spectrum of the cantilever 203 or the like. At this time, Fex can be evaluated from the above equation. When it is recognized that F ex is zero when the amplification factor is zero, the proportionality coefficient can be evaluated from the ratio between the evaluated F ex and the amplification factor of the automatic gain amplifier 212 at that time.

よって、自己励振ループにおいて発振した信号振幅が安定化したときに、自動利得増幅器212の増幅率が分かれば、Q0の情報が得られたことになる。 Therefore, if the amplification factor of the automatic gain amplifier 212 is known when the amplitude of the signal oscillated in the self-excitation loop is stabilized, the information of Q 0 is obtained.

C02:ステージ202を移動して、試料201の表面近傍の測定したい局所的な部分を、カンチレバー203の先端へ近づける。   C02: The stage 202 is moved to bring the local portion to be measured near the surface of the sample 201 closer to the tip of the cantilever 203.

C03:自動利得増幅器212の増幅率(Q0の情報)と、周波数復調器214で測定される自己励振ループで発生したカンチレバー203の共振周波数の変化を記録しておく。 C03: The gain (information of Q 0 ) of the automatic gain amplifier 212 and the change in the resonance frequency of the cantilever 203 generated in the self-excitation loop measured by the frequency demodulator 214 are recorded.

C04:試料201の表面近傍の局所的な部分とカンチレバー203の先端との間に何らかの力が発生し、その力がカンチレバー203に作用しているとする。更に、力変調装置204を用いると、その力が変調できるものと仮定する。例えば、原子間力が対象であれば、ステージ202をZ方向に位置を変動させる装置が力変調装置204に当てはまる。静電気力が対象であれば、試料201やステージ202に対するカンチレバー203の電位差を変化させる装置が力変調装置204に当てはまる。   C04: It is assumed that some force is generated between a local portion in the vicinity of the surface of the sample 201 and the tip of the cantilever 203, and that force acts on the cantilever 203. Further, it is assumed that the force modulation device 204 can be used to modulate the force. For example, if the atomic force is a target, a device that varies the position of the stage 202 in the Z direction applies to the force modulation device 204. If the electrostatic force is a target, a device that changes the potential difference of the cantilever 203 with respect to the sample 201 and the stage 202 applies to the force modulation device 204.

結果として、自己励振ループから取り出され、振幅調整器206を経て得られた電気信号(1/A0)x(t)が、ドライバー205を経て、力変調装置204に受信され、力の時間変化f(t)=(f/A0)x(t)に変換されるものとする。ここでfは未知数であり、評価したいパラメータである。 As a result, the electric signal (1 / A 0 ) x (t) taken out from the self-excitation loop and obtained through the amplitude adjuster 206 is received by the force modulator 204 through the driver 205, and the time change of the force It is assumed that f (t) = (f / A 0 ) x (t). Here, f is an unknown and is a parameter to be evaluated.

C05:力変調装置204に由来する力の変動f(t)によって、カンチレバー203の共振周波数は√(ω0 2−f/A0)となる。その周波数が自己励振ループで発生した信号の周波数となる。そしてその周波数は、周波数復調器14で測定される。 C05: The resonance frequency of the cantilever 203 becomes √ (ω 0 2 −f / A 0 ) due to the force fluctuation f (t) derived from the force modulation device 204. That frequency becomes the frequency of the signal generated in the self-excited loop. The frequency is measured by the frequency demodulator 14.

よって、工程C03で測定しておいた被測定力が働かないときの角周波数の2乗ω0 2と、働くときの角周波数の2乗(ω0 2−f/A0)との差を求めることによって、f/A0を求めることができる。 Therefore, the difference between the square frequency ω 0 2 when the measured force measured in step C03 does not work and the square of the angular frequency when it works (ω 0 2 −f / A 0 ) By obtaining, f / A 0 can be obtained.

C06:力変調装置204の出力を停止する。そして、工程C02へ戻って、工程C02から工程C06までの手順を繰り返す。   C06: The output of the force modulation device 204 is stopped. And it returns to process C02 and repeats the procedure from process C02 to process C06.

図9に、工程C02から工程C06までの動作において、カンチレバー203の振動と自動利得増幅器212の増幅率、そしてカンチレバーの共振周波数(周波数復調器214の出力)とがどのように振舞っているかをイラストで示した。   FIG. 9 illustrates how the vibration of the cantilever 203, the amplification factor of the automatic gain amplifier 212, and the resonance frequency of the cantilever (the output of the frequency demodulator 214) behave in the operations from step C02 to step C06. It showed in.

尚、上記の補足として、工程C04で被測定対象である力発生、工程C05で力測定、工程C06で力停止としているが、工程C04から工程C06の一連の動作を、以下のように変更することも可能である。すなわち、定常的かつ周期的に力のON/OFFを変化させ、その周期的に変動する力に起因したカンチレバーの周波数変調量を、周波数復調器214で読み取った周波数の測定量に対して検波することでも構わない。   As a supplement to the above, the force to be measured is generated in step C04, the force is measured in step C05, and the force is stopped in step C06. The series of operations from step C04 to step C06 is changed as follows. It is also possible. That is, the force ON / OFF is periodically and periodically changed, and the frequency modulation amount of the cantilever caused by the periodically changing force is detected with respect to the frequency measurement amount read by the frequency demodulator 214. It doesn't matter.

磁気共鳴力顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡に広く利用できる。   It can be widely used for scanning probe microscopes such as magnetic resonance force microscopes.

従来の走査型プローブ顕微鏡の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional scanning probe microscope. 従来の走査型プローブ顕微鏡において測定の流れを示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the flow of a measurement in the conventional scanning probe microscope. 従来の走査型プローブ顕微鏡において測定中のカンチレバーの振動を示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the vibration of the cantilever during measurement in the conventional scanning probe microscope. 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the scanning probe microscope concerning this invention. 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡において測定の流れを示す図の一実施例である。It is one Example of the figure which shows the flow of a measurement in the scanning probe microscope concerning this invention. 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡において測定中のカンチレバーの振動を示す図の一実施例である。It is one Example of the figure which shows the vibration of the cantilever under measurement in the scanning probe microscope concerning this invention. 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡の別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example of the scanning probe microscope concerning this invention. 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡において測定の流れを示す図の別の実施例である。It is another Example of the figure which shows the flow of a measurement in the scanning probe microscope concerning this invention. 本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡において測定中のカンチレバーの振動を示す図の別の実施例である。It is another Example of the figure which shows the vibration of the cantilever under measurement in the scanning probe microscope concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

001:試料、002:ステージ、003:探針付きカンチレバー、004:力変調装置(変調磁場発生装置)、005:力変調装置を駆動させるドライバー、006:力変調用発振器、007:カンチレバー変位検出器、008:ロックイン増幅器、009:カンチレバー励振器、010:カンチレバー励振用ドライバー、011:正弦波発振器用周波数調整器、101:試料、102:ステージ、103:探針付きカンチレバー、104:力変調装置(変調磁場発生装置)、105:力変調装置を駆動させるドライバー、106:振幅調整器、107:カンチレバー変位検出器、108:ロックイン増幅器、109:カンチレバー励振器、010:カンチレバー励振用ドライバー、111:移相器、112:自動利得増幅器、113:微分回路、114:周波数復調器、201:試料、202:ステージ、203:探針付きカンチレバー、204:力変調装置(変調磁場発生装置)、205:力変調装置を駆動させるドライバー、206:振幅調整器、207:カンチレバー変位検出器、208:ロックイン増幅器、209:カンチレバー励振器、210:カンチレバー励振用ドライバー、211:移相器、212:自動利得増幅器、213:微分回路、214:周波数復調器 001: Sample, 002: Stage, 003: Cantilever with probe, 004: Force modulation device (modulation magnetic field generator), 005: Driver for driving the force modulation device, 006: Oscillator for force modulation, 007: Cantilever displacement detector , 008: Lock-in amplifier, 009: Cantilever exciter, 010: Driver for cantilever excitation, 011: Frequency adjuster for sine wave oscillator, 101: Sample, 102: Stage, 103: Cantilever with probe, 104: Force modulator (Modulated magnetic field generator), 105: Driver for driving the force modulator, 106: Amplitude adjuster, 107: Cantilever displacement detector, 108: Lock-in amplifier, 109: Cantilever exciter, 010: Driver for cantilever excitation, 111 : Phase shifter, 112: automatic gain amplifier, 113: fine Circuit: 114: Frequency demodulator, 201: Sample, 202: Stage, 203: Cantilever with probe, 204: Force modulation device (modulation magnetic field generator), 205: Driver for driving the force modulation device, 206: Amplitude adjuster 207: Cantilever displacement detector 208: Lock-in amplifier 209: Cantilever exciter 210: Cantilever excitation driver 211: Phase shifter 212: Automatic gain amplifier 213: Differentiation circuit 214: Frequency demodulator

Claims (3)

カンチレバー先端に取り付けた探針と試料とを接近させた状態で該探針を試料に対して走査し、力変調装置で該探針と試料の間に働く力を変調させながら、前記試料から前記探針が受け取る力の変化を前記カンチレバーの励振によって検出し、該変化を自動利得増幅器でカンチレバーの励振振幅に帰還させながら、その変化の値に基づいて微小領域の試料像を描かせるようにした走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバーが常に一定の振幅で振動するような入力増幅率で前記自動利得増幅器を駆動させて、前記カンチレバーの励振振幅を一定に制御するとともに、前記自動利得増幅器の増幅率を制御している前記入力増幅率の値の変化から分かる前記カンチレバーが前記試料から受け取る励振力の変化を指標にして、微小領域の試料像を描かせるようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
The sample is scanned from the sample while the probe attached to the tip of the cantilever and the sample are brought close to each other, and the force acting between the probe and the sample is modulated by a force modulator. Changes in the force received by the probe are detected by excitation of the cantilever, and the change is fed back to the excitation amplitude of the cantilever by an automatic gain amplifier, and a sample image of a minute region is drawn based on the value of the change. In a scanning probe microscope,
The automatic gain amplifier is driven at an input amplification factor such that the cantilever always vibrates with a constant amplitude, the excitation amplitude of the cantilever is controlled to be constant, and the amplification factor of the automatic gain amplifier is controlled. A scanning probe microscope characterized in that a sample image of a minute region can be drawn by using, as an index, a change in excitation force received from the sample by the cantilever, which is known from a change in input amplification factor.
前記入力増幅率は、前記力変調装置の励振信号をリファレンス信号とするロックイン増幅器で前記カンチレバーの振幅変化を検出することにより得る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。 The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the input amplification factor is obtained by detecting a change in amplitude of the cantilever with a lock-in amplifier using an excitation signal of the force modulation device as a reference signal. 前記探針と試料の間に働く力は、磁気共鳴力である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。 2. The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the force acting between the probe and the sample is a magnetic resonance force.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012047689A (en) * 2010-08-30 2012-03-08 Jeol Ltd Scanning prove microscope
JP2012512398A (en) * 2008-12-17 2012-05-31 スペックス・チューリヒ・ゲーエムベーハー Scanning probe microscope with current-controlled actuator
KR101920606B1 (en) 2008-11-13 2019-02-13 브루커 나노, 인코퍼레이션. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101920606B1 (en) 2008-11-13 2019-02-13 브루커 나노, 인코퍼레이션. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope
JP2012512398A (en) * 2008-12-17 2012-05-31 スペックス・チューリヒ・ゲーエムベーハー Scanning probe microscope with current-controlled actuator
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