JP2012008072A - 電流の方向と密度の測定方法、表示方法及び測定表示装置 - Google Patents

電流の方向と密度の測定方法、表示方法及び測定表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜の局所領域の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出可能な電流の方向と密度の測定方法、その表示方法及びその測定表示装置を提供することを課題とする。
【解決手段】薄膜の一面に開口部を設ける工程S1と、前記開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させる工程S2と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出する工程S3と、を有する電流の方向と密度の測定方法を用いることによって前記課題を解決できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電流の方向と密度の測定方法、表示方法及び測定表示装置に関する。
近年、様々な薄膜電子デバイスが開発されている。高性能な薄膜電子デバイスを開発する上で、薄膜の局所領域における電流の方向と電流密度に関する情報が必要である。そのため、これらの情報を容易にかつ正確に測定・算出することが求められている。
これまで薄膜の面内の電流の測定はいろいろ試みられているが、直接的な方法で高い空間分解能で微細な領域を高感度で、しかも電流の強さと方向の同時測定を行う手法は限定されていた。特に、薄膜の1mm以下の局所領域における電流の流れの測定・算出はより困難とされている。
薄膜の面方向を流れる電流の密度を測定する方法として、次のようなものがある。
非特許文献1には、薄膜に磁気光学効果を持つ膜を密着させ、この膜の磁気光学効果を観測することにより、薄膜の面方向を流れる電流の密度を測定する方法が開示されている。
この方法は、観測できる磁場分布強度の感度が低く、強磁場大電流領域での測定に限られ、弱磁場下において測定できないという問題がある。また、光学的な限界および機械的密着性の限界によりその空間分解能が限定されてしまうという問題がある。
また、非特許文献2には、磁場センサーを用い、薄膜全体の磁気像を測定したうえで、逆フーリエ変換により電流ベクトルを推定する方法が開示されている。
しかし、この方法では、薄膜の端部で発散が発生し、薄膜全体での電流モデルをたてた上で、実測値との比較により推定しなくてはならないという問題があった。
更に、非特許文献3は、超伝導デバイスを観察するために開発されたマイクロ−DC−SQUIDマグネトメーター(micro−DC−SQUID magnetometer)に関するものであり、スキャニングSQUIDの原理等について記載されている。
J.Appl.Phys.65.1988,361 Physica.C469.2009,1450 Jpn.J.Appl.Phys.38,1999,L119
本発明は、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜の局所領域の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出可能な電流の方向と密度の測定方法、その表示方法及びその測定表示装置を提供することを課題とする。
本発明者は、開口部を設けた薄膜に電流を流した時に、2枚の無限平板に電流を流した時と同様に、一対の正の磁界と負の磁界が発生することを見出した。そこで、2枚の無限平板モデルをもとに、開口部の周囲を流れる電流の大きさと方向を算出することができることを発見し、本研究を創作した。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、薄膜の一面に開口部を設ける工程と、前記開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させる工程と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とを結ぶ線の垂直二等分線上であって、左手側が前記負の磁界となる方向を、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向とするとともに、
前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とから、前記薄膜の局所領域を流れる電流の大きさを算出することを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、前記開口部が平面視略円形状であり、前記開口部の直径が0.5μm以上であることを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、前記開口部を前記薄膜に複数設けることを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、前記開口部を前記薄膜に格子状に設けることを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、前記薄膜が半導体、導電体又は超伝導体のいずれかであることを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の表示方法は、先に記載の電流の方向と密度の測定方法を用いて、前記薄膜の局所領域を流れる電流の大きさを算出してから、前記電流の方向と密度を、磁場分布の測定画像に重畳表示することを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の表示方法は、前記電流の方向と密度を、矢印の方向と長さで表示することを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定表示装置は、先に記載の電流の方向と密度の表示方法に用いられる測定表示装置であって、薄膜に設けられた開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させることが可能であるとともに、その磁場分布を測定可能な磁場分布測定装置と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出可能な演算処理部と、前記電流の方向と密度を、前記磁場分布の測定画像に重畳表示する画像表示部と、を有することを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定表示装置は、前記磁場分布測定装置の分解能が1μm以上100μm以下であることを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定表示装置は、前記磁場分布測定装置が、走査SQUID顕微鏡、走査ホール素子顕微鏡又は走査磁気力顕微鏡(MFM)のいずれか一つであることを特徴とする。
本発明の電流の方向と密度の測定方法は、薄膜の一面に開口部を設ける工程と、前記開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させる工程と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出する工程と、を有する構成なので、一つの開口部に発生させた一対の正の磁界と負の磁界の位置と大きさから前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を容易にかつ正確に算出でき、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜の局所領域の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出することができる。
本発明の電流の方向と密度の表示方法は、先に記載の電流の方向と密度の測定方法を用いて、前記薄膜の局所領域を流れる電流の大きさを算出してから、前記電流の方向と密度を、磁場分布の測定画像に重畳表示する構成なので、薄膜の面内の局所領域の電流の方向と密度の把握を容易にすることができる。
本発明の電流の方向と密度の測定表示装置は、先に記載の電流の方向と密度の表示方法に用いられる測定表示装置であって、薄膜に設けられた開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させることが可能であるとともに、その磁場分布を測定可能な磁場分布測定装置と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出可能な演算処理部と、前記電流の方向と密度を、前記磁場分布の測定画像に重畳表示する画像表示部と、を有する構成なので、一つの開口部に一対の正の磁界と負の磁界を発生させることができ、この一対の正の磁界と負の磁界の位置と大きさから前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を容易にかつ正確に算出できるとともに、電流の方向と密度を、磁場分布の測定画像に重畳表示して薄膜の面内の局所領域の電流の方向と密度の把握を容易にし、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜の局所領域の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出することができる電流の方向と密度の測定表示装置を提供できる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法の一例を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法で用いる薄膜の一例を示す図であって、図2(a)は平面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A’線における断面図である。 薄膜の面内の一面側を流れる電流を示す図であって、前記電流が開口部を迂回して流れる様子を示したシミュレーション図である。 溝のある平行平板に生じる磁場の方向と、生じる電流の方向の一例を示す図である。 溝のある平行平板に生じる磁場の強さの一例を示すグラフであって、図5(a)は式(1)により得られるグラフであり、図5(b)は積分強度を示す式(2)より得られるグラフである。 本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置の一例を示す概略模式図である。 開口部の周囲に生じた2つの磁界の一例を示す斜視図である。 開口部の周囲に生じた2つの磁界の一例を示す平面図であって、薄膜の局所領域を流れる電流を重畳表示した図である。 実施例2試料を示す平面図である。 実施例2試料の電流の方向の算出結果を示す図であって、図10(a)は実施例2試料の電流の方向の算出を行った部分を示す平面図であり、図10(b)は図10(a)のN部における各開口部における磁場の強さの測定結果と、電流の方向を示す図である。 実施例2試料全体の電流密度の分布を等高線状に示した概略模式図である。 図10(a)の各開口部における磁場の強さの測定結果と、電流の方向と密度を示す図である。
(本発明の実施形態)
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法を説明する。
図1は、本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法の一例を示すフローチャート図である。図1に示すように、本発明の第1の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、開口部形成工程S1と、磁界発生工程S2と、電流算出工程S3と、を有する。
(開口部形成工程S1)
開口部形成工程S1は、薄膜に開口部を設ける工程である。
図2は、本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法で用いる薄膜の一例を示す図であって、図2(a)は平面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A’線における断面図である。
図2に示すように、薄膜19には、一つの平面視略円形状の開口部20が設けられている。また、開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側の領域は、局所領域21とされている。局所領域21とは、開口部20の周りの磁界の乱れにより発生する電流が流れる領域である。
薄膜19は、電流を流すことが可能な固体媒体であればよく、半導体、導電体又は超伝導体のいずれかである。例えば、半導体としては、Siを用いることができ、導電体としては、Au、Ag等の金属材料を用いることができ、超伝導体としては、BSCCO、YBCOなどの酸化物、もしくはNbなどの金属系の超伝導材料等を用いることができる。
なお、薄膜19として超伝導体を用いた場合、磁場の印加により自動的に遮蔽電流(永久電流)を流すことができる。また、薄膜19として、半導体、導電体又は超伝導体を用いた場合、電流源から流される電流を用いることができる。
薄膜19の大きさ及び厚さは、特に限定されない。例えば、10mm×10mm、厚さ100nmの薄膜を用いることができる。
図2(a)に示すように、開口部20は平面視略円形状とすることが好ましい。これにより、開口部20の周囲に発生させる一対の磁界の対称性を高め、局所領域21を流れる電流の方向と密度の精度を向上させることができる。
しかし、開口部20の形状は、これに限られるものではなく、多角形状、楕円形状としてもよい。このような形状としても、開口部20の周囲に一対の磁界を発生させ、局所領域21を流れる電流の方向と密度を算出できる。ただし形状が円形でない場合、たとえば多角形の場合、迂回した電流が頂点部分に集中するため、方向の測定精度は大きく低下する。
開口部20の直径Lは、0.5μm以上とすることが好ましい。これにより、局所領域21を流れる電流の方向と密度の算出に必要な強度を有する磁界を発生させることができる。
開口部20の直径Lを0.5μmより小さくすると、電流算出に必要な強度を有する磁界を発生させることが困難となり、局所領域21を流れる電流の方向と密度を正確に算出することが困難となる。なお、20μm以下の場合は、MFM等を用いる必要があり、特に、0.5μmの場合は、高性能な探針を備えたMFMを用いる必要がある。
逆に、開口部20の直径Lの上限は、基本的には、スキャンする範囲で限定される。本測定法で電流の大きさを測定するには、開口部20の大きさの数倍程度の範囲の走査を要する。そのため、10mm角の試料を用いた場合には、開口部20の直径Lを1000μmにすることができる。この場合、開口部20の直径Lを1000μmより大きくすると、局所領域21を流れる電流の正確な方向と密度の正確な値の算出ができなくなる。
開口部20を設けることにより、開口部20の周囲に磁場の乱れを発生させ、局所領域21を流れる電流を算出するために必要とする磁場分布の測定データを得ることができる。よって、局所領域21の大きさ及び形状は、開口部20の大きさ及び形状に依存する。そのため、開口部20の大きさ及び形状は、電流を測定したい領域である局所領域21の大きさ及び形状に応じて設定することが好ましい。
例えば、平面視略円形状の直径20μmの局所領域21を流れる電流を算出するためには、平面視略円形状の直径10μmの開口部を設けることが好ましい。
また、平面視略円形状の直径1mmの局所領域21を流れる電流を算出するためには、平面視略円形状の直径500μmの開口部を設けることが好ましい。
なお、図2(b)に示すように、開口部20は、貫通穴とされている。
開口部20の数は、一つとされている。しかし、これに限られるものではなく、薄膜19面内に複数設けてもよい。開口部20を薄膜19に複数設けることにより、各開口部20で測定した磁場分布から、各開口部20を含むそれぞれの局所領域21の薄膜の局所領域を流れる電流を算出でき、面内の複数の局所領域21における薄膜の局所領域を流れる電流の方向と大きさを全体表示できる。
開口部20を複数設ける場合は、薄膜19に格子状に設けることが好ましい。開口部20を薄膜19にランダムに形成した場合、一部の領域で局所領域21が重なり、測定を効率的に行えない場合が発生するためである。
開口部20を開ける方法は、例えば、リソグラフィ―法などを用いることができる。具体的には、レジストを塗布し、マスクを配置して露光を行った後、前記レジストを除去することにより、所定の大きさ、形状及びパターンの開口部を形成することができる。しかし、これに限られるものではなく、集束イオンビーム加工法等を用いて形成してもよい。
(磁界発生工程S2)
次に、磁界発生工程S2は、開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させる工程である。なお、薄膜19に電流を流すことにより、開口部20の周囲に発生させた磁界は、磁場分布の測定により観測する。
磁場分布の測定には、磁場分布測定装置を用いる。
磁場分布測定装置の分解能は1μm以上100μm以下とすることが好ましい。局所領域の磁界を精度高く測定して、薄膜の局所領域を流れる電流の電流密度及び方向の精度を高めることができる。
なお、感度と分解能は相関するパラメーターであるので、用いる材料、測定装置、測定条件などを総合的に勘案して適切な値に設定することが好ましい。
磁場分布測定装置としては、例えば、走査SQUID顕微鏡、走査ホール素子顕微鏡又は走査磁気力顕微鏡(MFM)を用いることができる。
走査SQUID顕微鏡とは、超伝導量子干渉素子を用いて、試料表面の磁束密度の分布を測定する装置である。走査SQUID顕微鏡は、感度が高い点が長所であり、低温で測定する必要がある点が短所である。走査SQUID顕微鏡の空間分解能は、検出部のコイル直径により決定される。例えば、走査SQUID顕微鏡のコイルのサイズを直径10μmとする。通常、コイルは、走査SQUID顕微鏡の外部に備えられている。
走査ホール素子顕微鏡とは、ホール(Hall)素子を磁場検出に用いた顕微鏡である。走査ホール素子顕微鏡は、磁場検出素子に寒剤を必要としない点が長所であり、感度がSQUIDに比べ低い点が短所である。
走査磁気力顕微鏡(MFM)とは、カンチレバーと試料の間に働く磁気力を用いて同様な測定をする装置である。走査磁気力顕微鏡(MFM)は、数十ナノメートルの分解能での測定が可能となり、より微小領域での電流の方向および強さを知ることが可能となる点が長所であり、感度が劣る点が短所である。
例えば、薄膜19として超伝導体を用いた場合に、走査SQUID顕微鏡を用いる。
超伝導体の薄膜19を90K以下に冷却した状態で、10μT以上臨界磁場(薄膜が超伝導性を失う磁場)以下の磁界を印加することにより、薄膜19に渦電流を発生させることができる。このとき、走査SQUID顕微鏡により、薄膜19の面内の磁場分布を測定できる。
また、薄膜19として半導体又は導電体を用いた場合に、走査ホール素子顕微鏡を用いる。
薄膜19の一端と他端に電源部からの配線を接続し、薄膜19に電圧を印加することにより、薄膜19に電流を流すことができる。このとき、走査ホール素子顕微鏡により、薄膜19の面内の磁場分布を測定できる。
(電流算出工程S3)
電流算出工程S3は、正の磁界の最大値と負の磁界の最小値の位置と大きさから、開口部の近傍であって薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出する工程である。
図3は、図2に示した薄膜19の面内の一面19a側を流れる電流を示す図であって、前記電流が開口部20を迂回して流れる様子を示したシミュレーション図である。等電圧線も併せて示している。小さい矢印は、等電圧線に対応した微小な領域の電流の方向を示している。
図3に示すように、薄膜19の面内全体を電流は流れる。しかし、開口部20が設けられていることにより、開口部20の周りでは、開口部20を迂回するように電流32a、32bが流れる。これにより、開口部20の周囲の電流密度は他の部分に比べて高くなる。また、薄膜19面内を流れる電流が迂回して流れることにより、開口部20の周辺に磁界の乱れを生じさせ、一対の正の磁界と負の磁界を発生させる。この磁界の乱れは、走査型SQUID顕微鏡などの磁場分布測定装置で測定される。
局所領域21を流れる電流は、電流32aと電流32bとから合成される電流であり、その方向と密度は、次の原理を用いて、正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とから、算出する。
<原理>
図4は、2枚の平行平板(無限平板)と、その間に設けられた溝(ギャップ)とからなる単純化モデルであって、磁界の乱れから電流密度を算出するために用いた単純化モデルである。
図4に示すように、X方向に一定の間隔を設けて、2本の平板が平行配置されている。各平板にはそれぞれY方向にJyの方向に電流が流れると、Z方向(平板の一面に垂直な方向)にHzの磁界が発生する。
図5は、溝のある平行平板に生じる磁場の強さの一例を示すグラフであって、図5(a)は式(1)により得られるグラフであり、図5(b)は式(2)においてa=0、b=xとしたときの積分強度を表している。
x軸は図4のx方向の位置に対応するものであり、x=0が溝の中心の位置を示し、x=1、−1が溝の端部を示す。また、z軸は、図4のz方向に発生する磁場の強さHzの方向を示している。
この単純化モデルでは、磁場の乱れにより上向きと下向きの2つのピークが生じる。また、溝の幅に対応した位置で、磁場の強さは極大値、極小値となり、それぞれ正の磁界の最大値(ピーク)と、負の磁界の最小値(ピーク)となる。
平板に電流を流すことにより、磁場が発生する。電流密度Jと磁場のZ成分の強さHzとの間には次式(1)及び次式(2)には関係がある。
ここで、xは中心からの距離であり、rは溝の幅の半分であり、aは積分範囲の下端 であり、bは積分範囲の上端である。標準試料との比較により、絶対値を較正することが可能である。これにより、電流密度Jが求められる。
より具体的には、電流密度Jは、上下方向の2つのピークのうちの一つを面積積分することにより、算出できる。なお、2つのピークを全て面積積分すると、上向きと下向きのピークが相殺され、ゼロになってしまうため、片方のピークの積分を行う。
また、図5に示すプラス方向のピーク(正の磁界の最大値)とマイナス方向のピーク(負の磁界の最小値)とを結ぶ線の垂直二等分線上であって、左手側がマイナス方向のピーク(負の磁界の最小値)となる方向を、薄膜19の開口部20の近傍であって一面19a側の局所領域21を流れる電流の方向とする。これは、開口部20にあっては、開口部20を迂回することにより、開口部20周辺に電流が集中し、円形の開口部20ではその電流に対して垂直方向の円周に最も電流が集中する。このため、この部分に磁場の乱れが起こり、式1で示されるようなピークとなる。
以上により、局所領域を流れる電流の方向と密度を算出することができる。
次に、本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置について説明する。
図6は、本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置の一例を示す概略模式図である。
図6に示すように、本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置10は、磁場分布測定装置9と、演算処理部14と、画像表示部15と、を有する。
磁場分布測定装置9は、走査SQUID測定部12と、電流印加・測定部13と、X−Yステージ駆動部16と、温度制御部17と、真空容器部11とを有している。
走査SQUID測定部12と、電流印加・測定部13と、X−Yステージ駆動部16は、演算処理部14からFLL Circuit41を介して制御される構成とされている。
真空容器部11は絶縁テーブル(Insulting table)44上に配置されるとともに、真空容器部11の内部はロータリーポンプ(RP)42及びターボ分子ポンプ(TMP)43により減圧可能とされている。
真空容器部11の内部は、パーマロイシールド(Permalloy shield)46によりシールドされている。
パーマロイシールド(Permalloy shield)46の内部には、走査SQUID測定部12と電流印加・測定部13がそれぞれ別のコールドブロック(Cold block(Cu))45に接するように配置されている。電流印加・測定部13上には試料配置部18が設けられ、その上に薄膜19が配置されている。
コールドブロック(Cold block(Cu))45は、温度制御部17に接合されており温度制御可能とされている。温度制御部17は、ロータリーポンプ(RP)47と、トランスファーチューブ(Transfer Tube)48を介して液体ヘリウム(Liq.He)49に接合されている。
磁場分布測定装置9は、薄膜に設けられた開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させることが可能であるとともに、その磁場分布を測定可能とされている。
なお、図6の磁場分布測定装置9は、走査SQUID測定部12を備えた走査型SQUID顕微鏡であるが、これに限られるものではなく、ホール(Hall)素子を磁場検出に用いた走査ホール素子顕微鏡、MFM等を用いてもよい。
なお、磁場分布測定装置9としては、その感度が5μΦHz−1/2であるものを用いることができる。ここで、Φは磁束量子であり、Hzはヘルツである。
演算処理部14は、正の磁界の最大値と負の磁界の最小値の位置と大きさから、開口部20の近傍であって前記薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向と密度を算出可能な演算処理手段を備えている。
前記演算処理手段は、具体的には、正の磁界の最大値と負の磁界の最小値とを結ぶ線の垂直二等分線上であって、左手側が負の磁界となる方向を、薄膜19の局所領域21を流れる電流の方向とするとともに、前記最大値と前記最小値の差の絶対値から、薄膜19の局所領域21を流れる電流の密度を算出するプログラムを備えている。
画像表示部15は、電流の方向と密度を、磁場分布の測定画像に重畳表示可能とされている。
具体的には、薄膜19の局所領域21を流れる電流の方向と密度を、矢印の方向と長さとして、前記磁場分布の測定画像に重畳表示する。これにより、薄膜19の面内の複数の局所領域21を流れる電流の方向と大きさを一見して把握することができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、薄膜19の一面19aに開口部20を設ける工程と、開口部20の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させる工程と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向と密度を算出する工程と、を有する構成なので、一つの開口部20に発生させた一対の正の磁界と負の磁界の位置と大きさから開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向と密度を容易にかつ正確に算出でき、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜19の局所領域21の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出することができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とを結ぶ線の垂直二等分線上であって、左手側が前記負の磁界となる方向を、開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向とするとともに、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とから、薄膜19の局所領域21を流れる電流の大きさを算出する構成なので、一つの開口部20に発生させた一対の正の磁界と負の磁界の位置と大きさから開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向と密度を容易にかつ正確に算出でき、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜19の局所領域21の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出することができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、開口部20が平面視略円形状であり、開口部20の直径Lが10μm〜500μmである構成なので、一つの開口部20に一対の正の磁界と負の磁界を容易に発生させることができ、その位置と大きさから開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向と密度を容易にかつ正確に算出でき、逆フーリエ変換を行うことなく、また、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、薄膜19の局所領域21の面内を流れる電流の方向と密度を同時に算出することができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、前記開口部を前記薄膜に複数設ける構成なので、各開口部20で測定した磁場分布から、各開口部20を含むそれぞれの局所領域21の薄膜の局所領域を流れる電流を算出でき、面内の複数の局所領域21における薄膜の局所領域を流れる電流の方向と大きさを全体表示できる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、開口部20を薄膜19に格子状に設ける構成なので、局所領域21の重なりを少なくして、局所領域21を密にかつ整列させて配置することができ、電流の算出を効率的に行うことができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法は、薄膜19が半導体、導電体又は超伝導体のいずれかである構成なので、例えば、薄膜19として超伝導体を用いた場合に、超伝導体の薄膜19を90K以下に冷却した状態で、10μmT以上100μmT以下の磁界を印加することにより、薄膜19に渦状の遮蔽電流を発生させることができ、走査SQUID顕微鏡により、薄膜19の面内の磁場分布を測定できる。
また、薄膜19として半導体又は導電体を用いた場合に、薄膜19の一端と他端に電源部からの配線を接続し、薄膜19に電圧を印加することにより、薄膜19に電流を流すことができ、走査ホール素子顕微鏡により、薄膜19の面内の磁場分布を測定できる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の表示方法は、先に記載の電流の方向と密度の測定方法を用いて、薄膜19の局所領域21を流れる電流の大きさを算出してから、前記電流の方向と密度を、磁場分布の測定画像に重畳表示する構成なので、逆フーリエ変換を行うことなく、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、電流の方向と密度を容易にかつ短時間で算出することができ、かつ、それを前記磁場分布の測定画像に重畳表示して、薄膜の局所領域における電流の方向と密度を容易に把握させることができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の表示方法は、前記電流の方向と密度を、矢印の方向と長さで表示する構成なので、薄膜の局所領域における電流の方向と密度を容易に把握させることができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置10は、先に記載の電流の方向と密度の表示方法に用いられる測定表示装置であって、薄膜19に設けられた開口部20の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させることが可能であるとともに、その磁場分布を測定可能な磁場分布測定装置9と、前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、開口部20の近傍であって薄膜19の一面19a側を流れる電流の方向と密度を算出可能な演算処理部14と、前記電流の方向と密度を、前記磁場分布の測定画像に重畳表示する画像表示部15と、を有する構成なので、逆フーリエ変換を行うことなく、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、電流の方向と密度を容易にかつ短時間で算出することができ、かつ、それを前記磁場分布の測定画像に重畳表示して、薄膜の局所領域における電流の方向と密度を容易に把握させることができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置10は、磁場分布測定装置9の分解能が1μm以上100μm以下である構成なので、フーリエ変換を行うことなく、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、電流の方向と密度を容易にかつ短時間で算出することができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定表示装置10は、磁場分布測定装置9が、走査SQUID顕微鏡、走査ホール素子顕微鏡又は走査磁気力顕微鏡(MFM)のいずれか一つである構成なので、薄膜として半導体、導電体又は超伝導体のいずれを用いても、フーリエ変換を行うことなく、弱磁場下の磁場分布の測定結果からも、電流の方向と密度を容易にかつ短時間で算出することができる。
本発明の実施形態である電流の方向と密度の測定方法、表示方法及び測定表示装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
まず、基板(基板材料は、単結晶酸化マグネシウム)上にYBCO(イットリウム系超伝導薄膜:9mm×9mm、膜厚300nm)を成膜した。
次に、微細加工技術(具体的には、リフトオフ法)により、前記薄膜に平面視略円形状の穴(直径40μm)を、一つ設け、微細加工された超伝導薄膜試料(以下、実施例1試料)を形成した。
次に、実施例1試料を走査SQUID顕微鏡中の所定の位置に配置した。
次に、実施例1試料を3Kまで冷却した後、走査SQUID顕微鏡の外部に設置したコイルに電流を流して、実施例1試料に磁場を10μT印加した。
なお、印加した磁場の大きさ10μTは、地磁気(約50μT)の5分の1程度の微小なものである。
磁場を印加すると、その磁場を打ち消す方向に周回する電流が流れるが、超伝導体は電気抵抗がゼロであることから、その電流は永久に流れ続けた(永久電流として観測された)。
図7は、実施例1試料に磁場を印加したときに、薄膜に流れる電流により、得られた磁場分布のデータの測定値を示す図であって、開口部の周囲に生じた2つの磁界を示す斜視図である。
正の磁界(プラスの信号)の最大値(ピーク)と、負の磁界(マイナスの信号)の最小値(ピーク)が示されている。なお、図では示していないが、正の磁界(プラスの信号)と、負の磁界(マイナスの信号)との間に開口部の中心が位置する。各ピークの面上の位置はほぼ開口部のエッジ部分となった。
図8は、開口部の周囲に生じた2つの磁界を示す平面図であって、局所領域の薄膜の局所領域を流れる電流を重畳表示した図である。
正の磁界(プラスの信号)の最大値と負の磁界(マイナスの信号)の最小値とを結ぶ線の垂直二等分線上であって、左手側が負の磁界(マイナスの信号)となる方向を、薄膜の局所領域を流れる電流の方向とするとともに、最大値と最小値の差の絶対値を、薄膜の局所領域を流れる電流の大きさとした。
(実施例2)
YBCO(イットリウム系超伝導薄膜:10mm×10mm、膜厚300nm)を用い、面内に9×9(合計81個)の格子状となるように開口部を形成し、各開口部の直径を100μmとした他は実施例1と同様にして、微細加工された超伝導薄膜試料(以下、実施例2試料)を形成した。
図9は、実施例2試料を示す平面図である。
図10は、実施例2の薄膜の電流の方向の算出結果を示す図であって、図10(a)は実施例2の薄膜の電流の方向の算出を行った部分を示す平面図であり、図10(b)は図10(a)のN部における各開口部における磁場の強さの測定結果と、電流の方向を示す図である。
図10(a)に示すように、本実施例では、実施例2試料全体のおよそ4分の1を測定領域Nとした。これは、実際には、対称性からこの実施例2試料全体の電流の方向を知ることができるためである。なお、当然ながら、対称性に頼らずに全ての開口部で磁場の乱れを実測してもよい。
まず、薄膜を1μTの磁場に配置し、3Kまで冷却した。次に、10μTの磁場を印加した状態で、各開口部の周囲の磁場の乱れを測定した。次に、磁場の乱れの測定値を用いて、各開口部の周囲の電流の方向を算出した。
次に、図10(b)に示すように、測定領域Nにおける実施例2試料の各開口部の周辺での磁場の乱れの測定結果に、各開口部での電流の向きを矢印で重畳表示した。
図11は、実施例2試料全体の電流密度の分布を等高線状に示した概略模式図である。なお、図10(a)の各開口部の位置が、図11の(X,Y)=(1、1)〜(9,9)までの1mmおきの格子状の位置に対応する。
まず、各開口部の周囲の磁場の乱れの測定データから、本発明の電流の密度の算出方法を用いて、各開口部の周囲の電流の密度を算出した。次に、対称性から、実施例2試料全体の電流の方向を算出し、この等高線状の模式図を作成した。
図11に示すように、実施例2試料中における電流の強さは周辺部で大きかった。また、等高線は、略四角形状であった。
図12は、図10(a)の各開口部における磁場の強さの測定結果と、電流の方向と密度を示す図である。
図12に示すように、電流密度を矢印の長さで示すとともに、電流の方向を矢印の向きで重畳表示した。このように薄膜の局所領域を流れる電流の方向と強さを矢印で重畳表示することにより、薄膜の各局所領域の薄膜の局所領域を流れる電流の方向と大きさを一見して容易に把握することができた。また、本測定方法を用いることにより、超伝導薄膜試料の膜面内を流れる電流の方向および強度を同時に知ることが可能であった。
以上、本手法を用いると、地磁気の5分の1程度の弱い磁場で発生する永久電流も明確に捕らえることが可能であることが明らかとなった。
(実施例3、4)
各開口部の直径を20μm、50μmとした他は実施例1と同様にして、微細加工された超伝導薄膜試料(以下、実施例3、4試料)を形成した。
それぞれの試料に対して、実施例1と同様に磁場測定を行い、局所領域の電流の方向と密度の算出ができた。
本発明の電流の方向と密度の測定方法、表示方法及び測定表示装置は、逆フーリエ変換を行うことなく、弱磁場下 の磁場分布の測定結果からも、薄膜の局所領域を流れる電流の方向と電流密度を同時に算出可能であり、薄膜を用いた電子デバイス等の産業等に利用可能性がある。
9…磁場分布測定装置、10…表示装置、11…真空容器部、12…走査SQUID測定部、13…電流印加・測定部、14…演算処理部、15…画像表示部、16…X−Yステージ駆動部、17…温度制御部、18…試料配置部、19…薄膜、19a…一面、20…開口部、21…局所領域、32a、32b…電流、35a、35b…無限平板、41…FLL Circuit、42…ロータリーポンプ(RP)、43…ターボ分子ポンプ(TMP)、44…絶縁テーブル(Insulting table)、45…コールドブロック(Cold block(Cu))、46…パーマロイシールド(Permalloy shield)、47…ロータリーポンプ(RP)、48…トランスファーチューブ(Transfer Tube)、49…液体ヘリウム(Liq.He)、J、Jy…電流、Hz…磁界、S1…開口部形成工程、S2…磁界発生工程、S3…電流算出工程。

Claims (11)

  1. 薄膜の一面に開口部を設ける工程と、
    前記開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させる工程と、
    前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出する工程と、を有することを特徴とする電流の方向と密度の測定方法。
  2. 前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とを結ぶ線の垂直二等分線上であって、左手側が前記負の磁界となる方向を、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向とするとともに、
    前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値とから、前記薄膜の局所領域を流れる電流の大きさを算出することを特徴とする請求項1に記載の電流の方向と密度の測定方法。
  3. 前記開口部が平面視略円形状であり、前記開口部の直径が0.5μm以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電流の方向と密度の測定方法。
  4. 前記開口部を前記薄膜に複数設けることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電流の方向と密度の測定方法。
  5. 前記開口部を前記薄膜に格子状に設けることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電流の方向と密度の測定方法。
  6. 前記薄膜が半導体、導電体又は超伝導体のいずれかであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電流の方向と密度の測定方法。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電流の方向と密度の測定方法を用いて、前記薄膜の局所領域を流れる電流の大きさを算出してから、前記電流の方向と密度を、磁場分布の測定画像に重畳表示することを特徴とする電流の方向と密度の表示方法。
  8. 前記電流の方向と密度を、矢印の方向と長さで表示することを特徴とする請求項7に記載の電流の方向と密度の表示方法。
  9. 請求項7又は請求項8に記載の電流の方向と密度の表示方法に用いられる測定表示装置であって、
    薄膜に設けられた開口部の近傍に一対の正の磁界と負の磁界を発生させることが可能であるとともに、その磁場分布を測定可能な磁場分布測定装置と、
    前記正の磁界の最大値と前記負の磁界の最小値の位置と大きさから、前記開口部の近傍であって前記薄膜の一面側を流れる電流の方向と密度を算出可能な演算処理部と、
    前記電流の方向と密度を、前記磁場分布の測定画像に重畳表示する画像表示部と、を有することを特徴とする電流の方向と密度の測定表示装置。
  10. 前記磁場分布測定装置の分解能が1μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項9に記載の電流の方向と密度の測定表示装置。
  11. 前記磁場分布測定装置が、走査SQUID顕微鏡、走査ホール素子顕微鏡又は走査磁気力顕微鏡(MFM)のいずれか一つであることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の電流の方向と密度の測定表示装置。

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