JP2023042371A - Scanning tunneling microscope and method - Google Patents

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みやび 今田
Miyabi Imada
裕 今田
Yutaka Imada
有洙 金
Yousoo Kim
紘子 吉野
Hiroko Yoshino
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Abstract

To provide a scanning tunneling microscope being observable at atomic resolution.SOLUTION: A scanning tunneling microscope for detecting a tunnel current (i.e., the photocurrent) induced by photoexciting a sample, includes a positioning device for positioning a probe 21 in a direction separating from the sample S, an irradiation part for applying excitation light to the sample supported on a substrate, and a detection part applying a bias voltage Vb between the substrate and the probe to detect the tunnel current flowing between the substrate and the probe. Thereby, the scanning tunneling microscope can cause the irradiation part to apply the excitation light to the sample supported on the substrate, cause the detection part to use the probe positioned on the substrate and detect the tunnel current flowing between the probe and a local area of the sample facing thereto, and at that time, apply the bias voltage between the substrate and the probe or generate localized plasmon P by light irradiation, so as to be able to increase the photocurrent by interaction between the localized plasmon and the sample.SELECTED DRAWING: Figure 1B

Description

本発明は、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡及びその方法に関する。 The present invention relates to scanning tunneling microscopes and methods for detecting tunneling currents induced by photoexcitation of a sample.

従来、先端の尖った金属探針をサンプルに近接し、探針をサンプル上で水平に移動させるとともに探針とサンプルとの間に流れるトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡(STM)が知られている(例えば、特許文献1参照)。ここで、探針とサンプルとの距離を一定に保ちつつトンネル電流を測定する又はトンネル電流を一定に保つよう探針及びサンプル間距離を制御しこれを測定する。STMは、圧電素子を用いて原子分子サイズの精度で探針を水平方向及び垂直方向に駆動することで、サンプルを原子分子サイズの分解能で3次元的に観察することができる。
特許文献1 国際公開第2014/054741号
Conventionally, a scanning tunneling microscope (STM) is known, in which a metal probe with a sharp tip is brought close to a sample, the probe is horizontally moved over the sample, and a tunnel current flowing between the probe and the sample is detected. (See, for example, Patent Document 1). Here, the tunnel current is measured while keeping the distance between the probe and the sample constant, or the distance between the probe and the sample is controlled and measured so as to keep the tunnel current constant. The STM can observe a sample three-dimensionally with atomic-molecular-size resolution by driving a probe horizontally and vertically with an atomic-molecular-size precision using a piezoelectric element.
Patent Document 1 International Publication No. 2014/054741

本発明では、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流(光電流とも呼ぶ)を検出することで、高分解能、特にサブナノオーダのように原子分子サイズより小さい分解能(原子分解能とも呼ぶ)での観察を可能とする走査型トンネル顕微鏡及びその方法を提供する。 In the present invention, by detecting the tunneling current (also called photocurrent) induced by photoexcitation of the sample, high resolution, especially at a resolution smaller than the size of an atomic molecule such as sub-nano order (also called atomic resolution) can be achieved. A scanning tunneling microscope that enables observation and its method are provided.

本発明の第1の態様においては、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡であって、サンプルに対して離間方向に探針を位置決めする位置決め装置と、サンプルに励起光を照射する照射部と、サンプルを支持する基板と探針との間にバイアス電圧を印加して、基板と探針との間に流れるトンネル電流を検出する検出部と、を備える走査型トンネル顕微鏡が提供される。 In a first aspect of the present invention, there is provided a scanning tunneling microscope for detecting tunneling current induced by photoexciting a sample, comprising: a positioning device for positioning a probe in a direction away from the sample; A scanning type comprising an irradiation unit that irradiates excitation light, and a detection unit that applies a bias voltage between a substrate supporting a sample and the probe and detects a tunnel current flowing between the substrate and the probe. A tunneling microscope is provided.

本発明の第2の態様においては、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流を検出する方法であって、サンプルに対して離間方向に探針を位置決めする段階と、サンプルを支持する基板と探針との間にバイアス電圧を印加する段階と、サンプルに励起光を照射する段階と、基板と探針との間に流れるトンネル電流を検出する段階と、を備える方法が提供される。 In a second aspect of the invention, a method of detecting a tunneling current induced by photoexcitation of a sample comprises the steps of positioning a probe in a direction away from the sample, and a substrate supporting the sample. A method is provided comprising: applying a bias voltage between the probe, illuminating the sample with excitation light, and detecting a tunneling current flowing between the substrate and the probe.

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not list all the features of the invention. Subcombinations of these feature groups can also be inventions.

本実施形態に係る走査型トンネル顕微鏡の概略構成を示す。1 shows a schematic configuration of a scanning tunneling microscope according to an embodiment; 検出部の構成を示す。4 shows the configuration of a detection unit; 制御系の構成を示す。The configuration of the control system is shown. 本実施形態に係る走査型トンネル顕微鏡を用いて、サンプルと探針との離間距離に対して測定された光電流の測定結果を示す。FIG. 10 shows measurement results of photocurrent measured with respect to the separation distance between the sample and the probe using the scanning tunneling microscope according to the present embodiment. FIG. 本実施形態に係る走査型トンネル顕微鏡による光電流検出動作のフローを示す。4 shows a flow of photocurrent detection operation by the scanning tunneling microscope according to the present embodiment. 励起光の照射下でのサンプル又は基板からの光電流の測定結果を示す。4 shows the measurement results of photocurrent from a sample or substrate under irradiation of excitation light. 励起光の波長に対するサンプルからの光電流の測定結果を示す。Fig. 3 shows the measurement results of the photocurrent from the sample with respect to the wavelength of the excitation light; 励起光オン/オフで検出されたサンプルの光電流/暗電流イメージを示す。Photocurrent/dark current images of samples detected with excitation light on/off are shown. 励起光オフでの暗電流のバイアス電圧依存性を示す。Dependence of dark current on bias voltage when excitation light is off. 励起光オフでのサンプルの暗電流イメージを示す。A dark current image of the sample with the excitation light off is shown. 励起光オンでのサンプルの光電流イメージを示す。A photocurrent image of the sample with the excitation light on is shown. 励起光オンでのサンプルからの光電流のバイアス電圧依存性を示す。The bias voltage dependence of the photocurrent from the sample with the excitation light on is shown. バイアス電圧=-0.25Vで検出されたサンプルの光電流イメージを示す。A photocurrent image of the sample detected at bias voltage = -0.25V is shown. 光電流のバイアス電圧依存性における3つの光電流の生成チャネルの寄与を示す。Contribution of three photocurrent generation channels to the bias voltage dependence of the photocurrent is shown. 光電流の生成過程(P1チャネル)のモデルを示す。A model of the photocurrent generation process (P1 channel) is shown. 光電流の生成過程(N1チャネル)のモデルを示す。A model of the photocurrent generation process (N1 channel) is shown. 光電流の生成過程(N2チャネル)のモデルを示す。A model of the photocurrent generation process (N2 channel) is shown. 第1の比較用探針の先端形状を示す。4 shows the shape of the tip of the first comparative probe; 第1の比較用探針を用いて生成されたプラズモンの発光スペクトルの測定結果を示す。FIG. 10 shows measurement results of emission spectra of plasmons generated using the first comparative probe; FIG. 第1の比較用探針を用いて測定されたサンプルの光電流イメージを示す。Fig. 2 shows a photocurrent image of a sample measured using the first comparative probe; 第2の比較用探針の先端形状を示す。FIG. 10 shows the shape of the tip of a second comparative probe; FIG. 第2の比較用探針を用いて生成されたプラズモンの発光スペクトルの測定結果を示す。FIG. 10 shows measurement results of emission spectra of plasmons generated using the second comparative probe; FIG. 第2の比較用探針を用いて測定されたサンプルの光電流イメージを示す。Fig. 2 shows a photocurrent image of a sample measured using a second comparative probe; 実施例に係る探針の先端形状を示す。4 shows the shape of the tip of the probe according to the example. 実施例に係る探針を用いて生成されたプラズモンの発光スペクトルの測定結果を示す。FIG. 10 shows measurement results of emission spectra of plasmons generated using the probe according to the example. FIG. 実施例に係る探針を用いて測定されたサンプルの光電流イメージを示す。FIG. 4 shows a photocurrent image of a sample measured using a probe according to an example. FIG.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential for the solution of the invention.

図1A、図1B、及び図1Cに、それぞれ、本実施形態に係る走査型トンネル顕微鏡(STM)100の概略構成、検出部20の構成、及び制御系の構成を示す。STM100は、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流(光電流とも呼ぶ)を検出する走査型トンネル顕微鏡であり、真空チャンバ90、照射部10、検出部20、光検出部30、位置決め装置40、及び制御部50を備える。なお、真空チャンバ90内にサンプルSを支持する基板9が収容される。サンプルSとして、導電性基板、高分子等の導電性物質を選択することができる。本実施形態では、サンプルSとして無金属フタロシアニン(FBPc)を使用する。 1A, 1B, and 1C respectively show a schematic configuration of a scanning tunneling microscope (STM) 100, a configuration of a detection unit 20, and a configuration of a control system according to this embodiment. The STM 100 is a scanning tunneling microscope that detects a tunneling current (also called photocurrent) induced by photoexciting a sample. , and a control unit 50 . A substrate 9 supporting the sample S is accommodated in the vacuum chamber 90 . As the sample S, a conductive substrate, a conductive substance such as a polymer can be selected. In this embodiment, as sample S, metal-free phthalocyanine (FBPc) is used.

基板9は、サンプルSを支持する板状部材であり、金又は銀を含む貴金属を用いて形成される。本実施形態では、一例として、銀の単結晶(111)面を使用する。それにより、基板9と探針21との間に局在プラズモンPが生成されやすくなる。さらに、本実施形態では、サンプルSを支持する基板9の表面が絶縁層9aにより被覆される。 The substrate 9 is a plate-like member that supports the sample S, and is made of noble metal including gold or silver. In this embodiment, the (111) plane of a silver single crystal is used as an example. As a result, localized plasmons P are easily generated between the substrate 9 and the probe 21 . Furthermore, in this embodiment, the surface of the substrate 9 supporting the sample S is covered with the insulating layer 9a.

絶縁層9aは、例えば、塩化ナトリウム(NaCl)を用いて4モノレイヤ(原子レイヤ)の厚さで基板9の表面上に製膜される。絶縁層9aによりサンプルSを基板9から絶縁することで、光励起したサンプルSのエネルギ散逸を抑制することができる。なお、絶縁層9aは、サンプルSを支持するのに好適な絶縁材料で形成してよく、例えばサンプルSの一部であってもよく、また基板9の表面全体を被覆するに限らずサンプルSを支持する一部のみ被覆することとしてもよい。 The insulating layer 9a is formed on the surface of the substrate 9 with a thickness of four monolayers (atomic layers) using sodium chloride (NaCl), for example. By insulating the sample S from the substrate 9 by the insulating layer 9a, the energy dissipation of the photoexcited sample S can be suppressed. The insulating layer 9a may be formed of an insulating material suitable for supporting the sample S, and may be a part of the sample S, for example. It is also possible to cover only a part that supports the .

真空チャンバ90は、サンプルSを支持する基板9を低温真空下に保持する容器であり、真空ポンプ91に接続されるとともにクライオスタット92を内部に含む。真空チャンバ90の内部は、真空ポンプ91により例えば~10-10Torrの真空度及びクライオスタット92により例えば液体ヘリウム温度(約4K)に維持される。サンプルSを低温且つ真空下に置くことで、ノイズの少ない光電流検出が可能となる。なお、サンプルSの種類及び目標とする分解能によっては、サンプルSを低温大気圧下においてもよいし、常温真空下においてもよいし、常温大気圧下においてもよい。 The vacuum chamber 90 is a container that holds the substrate 9 supporting the sample S under low-temperature vacuum, is connected to a vacuum pump 91 and includes a cryostat 92 therein. The interior of the vacuum chamber 90 is maintained at, for example, a liquid helium temperature (approximately 4 K) by a vacuum pump 91 and a cryostat 92 at a vacuum level of, for example, ˜10 −10 Torr. By placing the sample S at a low temperature and in a vacuum, it is possible to detect the photocurrent with little noise. Depending on the type of the sample S and the target resolution, the sample S may be placed under low temperature atmospheric pressure, room temperature vacuum, or room temperature atmospheric pressure.

照射部10は、サンプルSに励起光を照射するユニットであり、光源11及び照射光学系12を含む。光源11は、サンプルSの励起エネルギに一致する波長を有する励起光を生成する装置であり、本実施形態では、例えば波長範囲0.32~1.2μm内の波長を有するレーザ光を生成するダイレーザ、半導体レーザ等の波長可変レーザを採用する。照射光学系12は、光を集束するレンズ素子、ノイズ光をカットするフィルタ素子等を含み、これらの光学素子により励起光を成形して、真空チャンバ90に設けられた窓(不図示)を介して基板9上のサンプルSに向けて励起光を送る。なお、照射光学系12は、励起光を遮断する開閉可能なシャッタを含んでもよい。 The irradiation unit 10 is a unit that irradiates the sample S with excitation light, and includes a light source 11 and an irradiation optical system 12 . The light source 11 is a device that generates excitation light having a wavelength matching the excitation energy of the sample S. In this embodiment, for example, a dye laser that generates laser light having a wavelength within the wavelength range of 0.32 to 1.2 μm. , a wavelength tunable laser such as a semiconductor laser is adopted. The irradiation optical system 12 includes a lens element that converges light, a filter element that cuts noise light, and the like. to send excitation light toward the sample S on the substrate 9 . In addition, the irradiation optical system 12 may include an openable and closable shutter that blocks the excitation light.

検出部20は、基板9とその上に位置決め可能な探針21との間にバイアス電圧Vbを印加して、基板9と探針21との間に流れるトンネル電流を検出するユニットであり、探針21、電圧源22、及び電流計23を有する。ここで、探針21はグランドにクランプされ、探針21と基板9との間に電圧源22及び電流計23が直列接続される。なお、基板9がグランドにクランプされてもよい。 The detection unit 20 is a unit that applies a bias voltage Vb between the substrate 9 and the probe 21 that can be positioned thereon to detect a tunnel current flowing between the substrate 9 and the probe 21. It has a needle 21 , a voltage source 22 and an ammeter 23 . Here, the probe 21 is clamped to ground, and a voltage source 22 and an ammeter 23 are connected in series between the probe 21 and the substrate 9 . Note that the substrate 9 may be clamped to the ground.

探針21は、トンネル電流を検出するためのプローブであり、金又は銀を含む金属を用いて形成されている。探針21を金属から形成することで、基板9との間に局在プラズモンPが生成されやすくなる。探針21は、例えば円筒形状の基端部とこれから円錐状に先細りに延びて成形された先端部とを含む。トンネル電流を効率良く検出することのできる探針21の形状、形成方法等については後述する。 The probe 21 is a probe for detecting tunnel current, and is made of metal containing gold or silver. By forming the probe 21 from metal, the localized plasmons P are easily generated between the probe 21 and the substrate 9 . The probe 21 includes, for example, a cylindrical proximal end and a distal end extending conically and taperingly from the cylindrical proximal end. The shape and forming method of the probe 21 that can efficiently detect the tunnel current will be described later.

探針21は、基板9との間にバイアス電圧Vbを印加した際に発生する局在プラズモンPの発光スペクトルの波長(エネルギ)範囲が目的とするサンプルSの励起エネルギを含むように選択、調整、又は形成することができる。ここで、局在プラズモンPの発光スペクトル分布がサンプルSの励起エネルギにておおよそピークを呈するのが望ましい。さらに、局在プラズモンPの発光スペクトル分布のピークエネルギが目的とするサンプルSの励起エネルギに一致するのがより望ましい。探針21の先端を基板9の表面に穿刺及び引抜すること、さらにそれらを繰り返すことによりその先端形状を調整してもよい。また、複数の探針21のうちから適当な探針21を選択することとしてもよい。また、集束イオンビームを用いて探針21の先端を加工してもよい。発光スペクトルは後述する光検出部30により検出することができる。 The probe 21 is selected and adjusted so that the wavelength (energy) range of the emission spectrum of the localized plasmon P generated when the bias voltage Vb is applied between the probe 21 and the substrate 9 includes the target excitation energy of the sample S. , or can be formed. Here, it is desirable that the emission spectrum distribution of the localized plasmon P approximately peaks at the excitation energy of the sample S. Furthermore, it is more desirable that the peak energy of the emission spectrum distribution of the localized plasmon P matches the target excitation energy of the sample S. The shape of the tip may be adjusted by piercing and pulling the tip of the probe 21 from the surface of the substrate 9 and repeating these steps. Alternatively, an appropriate probe 21 may be selected from a plurality of probes 21 . Alternatively, the tip of the probe 21 may be processed using a focused ion beam. The emission spectrum can be detected by the photodetector 30, which will be described later.

電圧源22は、基板9と探針21との間にバイアス電圧Vbを印加する。電圧の大きさ(電圧値)及びその向きは後述する制御部50により制御される。 A voltage source 22 applies a bias voltage Vb between the substrate 9 and the probe 21 . The magnitude (voltage value) and direction of the voltage are controlled by the controller 50, which will be described later.

電流計23は、基板9と探針21との間に流れるトンネル電流を測定する。その測定結果は後述する制御部50に送信される。 Ammeter 23 measures the tunnel current flowing between substrate 9 and probe 21 . The measurement result is transmitted to the control unit 50, which will be described later.

光検出部30は、サンプルSが発する光を検出するユニットであり、検出光学系31及び分光器32を含む。検出光学系31は、光を集束するレンズ素子、励起光及びノイズ光をカットするフィルタ素子等を含み、真空チャンバ90に設けられた窓(不図示)を介してサンプルSが発する光(出射光)を受け、これらの光学素子によりその出射光を成形して分光器32に送る。分光器32は、例えばCCD素子を用いてサンプルSからの出射光を分光測定する。その測定結果は、後述する制御部50に送信される。 The photodetector 30 is a unit that detects light emitted by the sample S, and includes a detection optical system 31 and a spectroscope 32 . The detection optical system 31 includes a lens element for converging light, a filter element for cutting excitation light and noise light, and the like. ), the emitted light is shaped by these optical elements and sent to the spectroscope 32 . The spectroscope 32 spectrally measures the emitted light from the sample S using, for example, a CCD element. The measurement result is transmitted to the control unit 50, which will be described later.

位置決め装置40は、探針21を、サンプルS又はこれを支持する基板9に対して離間方向(垂直方向)及び水平方向の3次元方向に駆動するとともに目標位置に位置決めする装置であり、駆動素子41を含む。なお、本実施形態では、探針21はサンプルSに対して駆動するものとする。駆動素子41は、探針21をサンプルSに対して垂直方向(Z軸方向)に駆動するためのZ駆動素子、水平方向のうちの互いに直交する2軸方向(X軸方向及びY軸方向)に駆動するためのX駆動素子及びY駆動素子を有する。Z駆動素子、X駆動素子及びY駆動素子として例えば圧電(ピエゾ)素子をそれぞれ採用することができる。 The positioning device 40 is a device that drives the probe 21 in three-dimensional directions, i.e., the separation direction (vertical direction) and horizontal direction, with respect to the sample S or the substrate 9 that supports it, and positions it at a target position. 41 included. It should be noted that the probe 21 is driven with respect to the sample S in this embodiment. The driving element 41 includes a Z driving element for driving the probe 21 in the vertical direction (Z-axis direction) with respect to the sample S, and two mutually orthogonal horizontal directions (X-axis direction and Y-axis direction). It has an X drive element and a Y drive element for driving . For example, piezoelectric (piezo) elements can be employed as the Z driving element, the X driving element, and the Y driving element.

制御部50は、STM100の動作を制御するユニットである。制御部50は、パーソナルコンピュータ等の演算装置に専用プラグラムを実行させることでその機能、すなわち照射部10、検出部20、光検出部30、及び位置決め装置40を連動させて光電流検出する機能を発現する。制御部50によるSTM100の光電流検出動作については後述する。また、光電流検出動作におけるバイアス電圧Vbの制御、探針21の位置決め制御等の制御機能も発現する。制御部50は、ユーザがSTM100を操作するためのコマンド入力を受け取るキーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイス51、測定結果を表示するディプレイ等の出力デバイス52を有する。 A control unit 50 is a unit that controls the operation of the STM 100 . The control unit 50 causes an arithmetic device such as a personal computer to execute a dedicated program to perform its function, that is, the function of detecting the photocurrent by interlocking the irradiation unit 10, the detection unit 20, the light detection unit 30, and the positioning device 40. Express. The photocurrent detection operation of the STM 100 by the controller 50 will be described later. In addition, control functions such as control of the bias voltage Vb in the photocurrent detection operation and positioning control of the probe 21 are realized. The control unit 50 has an input device 51 such as a keyboard, mouse, touch panel, etc. for receiving command inputs for the user to operate the STM 100, and an output device 52, such as a display, for displaying the measurement results.

バイアス電圧Vbの制御において、制御部50は、バイアス電圧Vbの向き及び大きさを制御する。それにより、後述するように、光電流の生成プロセスを制御することができる。 In controlling the bias voltage Vb, the controller 50 controls the direction and magnitude of the bias voltage Vb. Thereby, the photocurrent generation process can be controlled, as will be described later.

探針21の位置決め制御において、制御部50は、駆動素子41を制御して探針21をX軸方向、Y軸方向、Z軸方向のそれぞれの目標位置に駆動するとともに、探針21をそれぞれの目標位置に位置決めする。 In the positioning control of the probe 21, the control unit 50 controls the driving element 41 to drive the probe 21 to target positions in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, and to move the probe 21 to each target position. position to the target position.

図2に、STM100を用いて、後述する光電流検出動作により、基板9と探針21との離間距離に対して測定された光電流の測定結果を示す。なお、探針21は、サンプルSであるFBPcのノード上に位置決めした。離間距離0.53~1.11nmの範囲では電流値はほぼゼロ、すなわち光電流はほとんど検出されなかったが、0.35~0.53nmの範囲で電流値は指数関数的に増大することがわかった。これは、離間距離が小さくなることでトンネル確率が増大するとともに発光スペクトルの波長(エネルギ)範囲内にサンプルSの励起エネルギを含む局在プラズモンPが生成・増強されることで、光電流の生成を増進したことを示唆する。従って、探針21をサンプルSに対して適当な離間距離、例えば0.35~0.53nmの範囲内に位置決めすることで探針21と基板9との間に流れる光電流を増大することができる。さらに、探針21を基板9の表面に平行な方向に駆動して、サンプルSの任意の局部の上方に逐次位置決めして光電流を測定することで、サンプルSを高精度で2次元走査することができる。 FIG. 2 shows the measurement result of the photocurrent measured with respect to the separation distance between the substrate 9 and the probe 21 by the photocurrent detection operation, which will be described later, using the STM 100 . The probe 21 was positioned on the node of the sample S, FBPc. In the separation distance range of 0.53 to 1.11 nm, the current value was almost zero, that is, almost no photocurrent was detected. have understood. This is because the tunneling probability increases as the separation distance decreases, and the localized plasmon P containing the excitation energy of the sample S within the wavelength (energy) range of the emission spectrum is generated and enhanced, thereby generating a photocurrent. This suggests that the Therefore, the photocurrent flowing between the probe 21 and the substrate 9 can be increased by positioning the probe 21 with respect to the sample S at an appropriate separation distance, for example, within the range of 0.35 to 0.53 nm. can. Further, the probe 21 is driven in a direction parallel to the surface of the substrate 9 and sequentially positioned above an arbitrary local portion of the sample S to measure the photocurrent, thereby scanning the sample S two-dimensionally with high accuracy. be able to.

図3に、本実施形態に係るSTM100による光電流検出動作のフローを示す。 FIG. 3 shows a flow of photocurrent detection operation by the STM 100 according to this embodiment.

ステップS101では、予め用意された複数の探針のうちから適当な探針21を選択する。 In step S101, an appropriate probe 21 is selected from a plurality of probes prepared in advance.

ステップS102では、ユーザが、基板9を真空チャンバ90内に収容し、サンプルSを基板9上に支持する。次いで、制御部50により真空ポンプ91及びクライオスタット92を制御して、真空チャンバ90内の基板9を低温真空下に保持する。 In step S<b>102 , the user places the substrate 9 in the vacuum chamber 90 and supports the sample S on the substrate 9 . Next, the control unit 50 controls the vacuum pump 91 and the cryostat 92 to hold the substrate 9 in the vacuum chamber 90 under low-temperature vacuum.

ステップS104では、探針21を調整する。まず、制御部50は、位置決め装置40を制御して探針21を駆動し、探針21の先端を基板9の表面に穿刺及び引抜することによりその先端形状を調整する。次いで、制御部50は、位置決め装置40を制御して探針21をサンプルSに対して適当な離間距離(例えば、0.35~0.53nm)に位置決めし、検出部20を制御して基板9との間にバイアス電圧Vbを印加して局在プラズモンPを発生させ、光検出部30を制御してその局在プラズモンPの発光スペクトルを測定する。その結果は出力デバイス52に表示される。ユーザは、測定された局在プラズモンPの発光スペクトルの波長(エネルギ)範囲が目的とするサンプルの励起エネルギを含む、好ましくは局在プラズモンPの発光スペクトル分布が目的とするサンプルSの励起エネルギにておおよそピークを呈する(例えば、発光スペクトルのピーク値の半値範囲内、好ましくは60%値の範囲内、より好ましくは70%値の範囲内、さらに好ましくは80%値の範囲内にサンプルSの励起エネルギを含む)、さらに好ましくは局在プラズモンPの発光スペクトル分布のピークエネルギがサンプルSの励起エネルギに一致することを確認する。確認後、ユーザが、その探針21を選択する選択コマンドを入力デバイス51に入力することで、次のステップに移行する。 In step S104, the probe 21 is adjusted. First, the control unit 50 controls the positioning device 40 to drive the probe 21 and pierce the surface of the substrate 9 with the tip of the probe 21 and pull it out, thereby adjusting the shape of the tip. Next, the control unit 50 controls the positioning device 40 to position the probe 21 at an appropriate separation distance (for example, 0.35 to 0.53 nm) with respect to the sample S, and controls the detection unit 20 to control the substrate. 9 to generate a localized plasmon P, control the photodetector 30, and measure the emission spectrum of the localized plasmon P. FIG. The results are displayed on the output device 52 . The user can determine whether the measured wavelength (energy) range of the emission spectrum of the localized plasmons P includes the target excitation energy of the sample, preferably the emission spectrum distribution of the localized plasmons P corresponds to the target excitation energy of the sample S. (e.g., within the half-value range of the peak value of the emission spectrum, preferably within the range of 60%, more preferably within the range of 70%, more preferably within the range of 80% of the sample S) (including excitation energy), more preferably the peak energy of the emission spectrum distribution of the localized plasmon P matches the excitation energy of the sample S. After confirmation, the user inputs a selection command for selecting the probe 21 to the input device 51, and the process proceeds to the next step.

なお、探針21の先端を基板9の表面に穿刺及び引抜することによりその先端形状を調整することに代えて又はこれに加えてさらに、後述するように、集束イオンビームを用いて探針21の先端を加工してもよい。 Instead of or in addition to adjusting the shape of the tip by piercing and withdrawing the tip of the probe 21 from the surface of the substrate 9, a focused ion beam may be used as described later. The tip of the can be processed.

なお、ユーザがリトライコマンドを入力デバイス51に入力することで、制御部50は、探針21の選択又は調整をやり直し、再度局在プラズモンPの発光スペクトルを測定する。それにより、光電流検出に好適な探針21を選択することができる。 When the user inputs a retry command to the input device 51, the control unit 50 redoes the selection or adjustment of the probe 21 and measures the emission spectrum of the localized plasmon P again. Thereby, the probe 21 suitable for photocurrent detection can be selected.

なお、好適な探針21を選択済みである場合などには、ステップS104を省略してよい。 Note that step S104 may be omitted when a suitable probe 21 has already been selected.

ステップS106では、制御部50は、検出部20を制御して基板9と探針21との間にバイアス電圧Vbを印加する。ここで、制御部50は、バイアス電圧Vbの向き(正負)及び大きさ(電圧値)を制御して、例えばサンプルSであるFBPcに対して-2.25~+0.9Vの範囲内で光電流検出に好適な向き及び大きさを選択する。 At step S<b>106 , the control unit 50 controls the detection unit 20 to apply the bias voltage Vb between the substrate 9 and the probe 21 . Here, the control unit 50 controls the direction (positive/negative) and magnitude (voltage value) of the bias voltage Vb so that the light is applied to FBPc, which is the sample S, within the range of −2.25 to +0.9 V, for example. Choose a suitable orientation and magnitude for current sensing.

ステップS108では、制御部50は、位置決め装置40を制御して探針21をサンプルSに対して離間方向(Z軸方向)及び/又は水平方向(X軸方向及びY軸方向)に駆動し、基板9上のサンプルSの任意の局部上に位置決めする。 In step S108, the control unit 50 controls the positioning device 40 to drive the probe 21 in the separation direction (Z-axis direction) and/or in the horizontal direction (X-axis direction and Y-axis direction) with respect to the sample S, It is positioned on any localized portion of the sample S on the substrate 9 .

ステップS110では、制御部50は、照射部10を制御して基板9に支持されたサンプルSに励起光を照射する。ここで、励起光は、サンプルSの基底状態から検出対象の励起状態への励起エネルギに一致する波長を有する。 In step S110, the control unit 50 controls the irradiation unit 10 to irradiate the sample S supported by the substrate 9 with excitation light. Here, the excitation light has a wavelength that corresponds to the excitation energy from the ground state of the sample S to the excited state to be detected.

ステップS112では、制御部50は、検出部20を制御して基板9と探針21との間に流れるトンネル電流(光電流成分及び暗電流成分を含み得る)を検出する。検出されたトンネル電流の値は、探針21の基板9に対する水平方向に関する位置と共に制御部50に送信される。 In step S112, the control unit 50 controls the detection unit 20 to detect the tunnel current (which may include a photocurrent component and a dark current component) flowing between the substrate 9 and the probe 21. FIG. The detected tunneling current value is sent to the control unit 50 together with the horizontal position of the probe 21 with respect to the substrate 9 .

ステップS114では、走査を終了するか否か判断する。終了しない場合、ステップS116に移行する。終了する場合、ステップS118に移行する。 In step S114, it is determined whether or not to end scanning. If not, the process proceeds to step S116. When finished, the process proceeds to step S118.

ステップS116では、制御部50は、位置決め装置40を制御して探針21をサンプルSに対して水平方向(X軸方向及びY軸方向)に駆動し、基板9上のサンプルSの次の局部上に位置決めする。位置決め後、ステップS110に移行する。 In step S116, the control unit 50 controls the positioning device 40 to drive the probe 21 in the horizontal direction (X-axis direction and Y-axis direction) with respect to the sample S, so that the next local portion of the sample S on the substrate 9 is moved. position above. After positioning, the process moves to step S110.

ステップS110~S116を繰り返すことで、サンプルSが2次元走査される。 By repeating steps S110 to S116, the sample S is two-dimensionally scanned.

ステップS118では、制御部50は、データ処理を行う。制御部50は、光電流の測定結果を処理して、例えばサンプルSの2次元イメージを生成し、出力デバイス52上に表示する。制御部50が処理したデータを記憶装置(不図示)に保存すると、フローを終了する。 In step S118, the control unit 50 performs data processing. The control unit 50 processes the photocurrent measurement results to generate, for example, a two-dimensional image of the sample S, which is displayed on the output device 52 . When the data processed by the control unit 50 is saved in a storage device (not shown), the flow ends.

上述のSTM100の光電流検出動作による光電流の測定結果について説明する。サンプルSとして、FBPc(その分子構造については図1Bを参照)を使用する。 A photocurrent measurement result obtained by the above photocurrent detection operation of the STM 100 will be described. As sample S, FBPc (see FIG. 1B for its molecular structure) is used.

図4Aに、励起光の照射下での光電流の測定結果を示す。ここでは、位置決め装置40を制御して探針21をサンプルS及び基板9(絶縁層9a)上にそれぞれ位置決めし、それぞれの探針位置において、照射部10を制御してシャッタ(不図示)を開閉することで励起光を、一例として2Hzの周期で間欠的にサンプルS(FBPc)に照射しつつ、検出部20により探針21と基板9との間に流れるトンネル電流(すなわち、光電流)を検出した。なお、探針21とサンプルSとの離間距離は0.48nm、バイアス電圧Vbは-2.0Vとした。励起光のエネルギは、FBPcの基底状態(S)から励起状態(S)への励起エネルギ(1816meV)に選択した。探針21をサンプルS上に位置決めした場合は励起光の照射(オン)に応じて光電流が検出されたのに対して、探針21を基板9(絶縁層9a)上に照射した場合は暗電流(ノイズ)が検出されるだけであった。この結果から、励起光の照射に伴うサンプルSの励起(すなわち、光励起)によって誘導されたトンネル電流(すなわち、光電流)が検出されたことがわかる。 FIG. 4A shows the measurement results of the photocurrent under excitation light irradiation. Here, the positioning device 40 is controlled to position the probe 21 on the sample S and the substrate 9 (insulating layer 9a), respectively, and the irradiation unit 10 is controlled to open the shutter (not shown) at each probe position. By opening and closing, the sample S (FBPc) is intermittently irradiated with the excitation light at a cycle of 2 Hz, for example, and a tunnel current (i.e., photocurrent) flows between the probe 21 and the substrate 9 by the detection unit 20. detected. The distance between the probe 21 and the sample S was 0.48 nm, and the bias voltage Vb was -2.0V. The energy of the excitation light was selected to be the excitation energy (1816 meV) from the ground state (S 0 ) to the excited state (S 1 ) of FBPc. When the probe 21 was positioned on the sample S, a photocurrent was detected in response to irradiation (on) of the excitation light. Only dark current (noise) was detected. From this result, it can be seen that a tunneling current (ie, photocurrent) induced by the excitation of the sample S (ie, photoexcitation) accompanying the irradiation of the excitation light was detected.

図4Bに、励起光の波長に対する光電流の測定結果を示す。ここでは、励起光のエネルギ(波長)を1800~1820meV(689~681nm)の範囲で調整しつつ、上述のとおり探針21をサンプルS上に位置決めして光電流を測定した。測定された光電流値は、FBPcの励起エネルギ(1816meV)に一致するエネルギでピークを呈した。そのピークの半値幅は1.45meVと非常に狭い。この結果は、励起光のエネルギをサンプルSの励起エネルギに一致させることで光電流が増大すること、それにより光電流を効率良く検出することができることを示唆する。 FIG. 4B shows the measurement results of the photocurrent with respect to the wavelength of the excitation light. Here, while adjusting the energy (wavelength) of the excitation light in the range of 1800 to 1820 meV (689 to 681 nm), the probe 21 was positioned on the sample S as described above to measure the photocurrent. The measured photocurrent value exhibited a peak at an energy matching the excitation energy of FBPc (1816 meV). The half width of the peak is as narrow as 1.45 meV. This result suggests that matching the energy of the excitation light to the excitation energy of the sample S increases the photocurrent, thereby enabling efficient detection of the photocurrent.

図5に、励起光の照射(オン)/遮断(オフ)で検出されたサンプルSのトンネル電流(光電流/暗電流)イメージを示す。ここでは、位置決め装置40を制御して探針21を基板9上のサンプルSに対して水平方向(X軸方向及びY軸方向)に単位ピッチだけ駆動し、基板9上のサンプルSの次の局部上に逐次位置決めしつつ光電流を検出した。なお、探針21とサンプルSとの離間距離は0.5nm、バイアス電圧Vbは-2.0Vとした。単位ピッチは0.06nmとした。従って、1ピクセルのサイズは0.06nmである。励起光を遮断した場合(無照射の場合)は暗電流に伴うノイズが確認できるだけであるが、励起光を照射した場合はFBPcの2次元構造に由来する電流値分布、特に電流値(すなわち、状態密度)の低い中心、八角形の頂点のそれぞれに位置する電流値の高いローブとそれらの間に位置する電流値の低いノードとが確認できる。この結果は、光電流測定により、サンプルSであるFBPcの空間分布を原子分解能で2次元イメージングすることができたことを意味する。 FIG. 5 shows tunneling current (photocurrent/dark current) images of the sample S detected by irradiation (on)/blocking (off) of excitation light. Here, the positioning device 40 is controlled to drive the probe 21 by a unit pitch in the horizontal direction (X-axis direction and Y-axis direction) with respect to the sample S on the substrate 9, and The photocurrent was detected while being sequentially positioned on the local area. The distance between the probe 21 and the sample S was 0.5 nm, and the bias voltage Vb was -2.0V. A unit pitch was set to 0.06 nm. Therefore, the size of one pixel is 0.06 nm2 . When the excitation light is blocked (no irradiation), only noise associated with dark current can be confirmed, but when the excitation light is irradiated, the current value distribution derived from the two-dimensional structure of FBPc, especially the current value (i.e., It can be confirmed that there are lobes with high current values located at the center of the low density of states, the vertices of the octagon, and nodes with low current values located between them. This result means that the spatial distribution of FBPc, which is the sample S, could be two-dimensionally imaged with atomic resolution by photocurrent measurement.

図6Aに、励起光オフでのトンネル電流(暗電流)のバイアス電圧依存性を示す。ここでは、バイアス電圧Vbを2.0~-3.0Vの範囲で変えつつ、上述のとおり探針21をサンプルS上に位置決めしてトンネル電流を測定した。バイアス電圧Vb=-2.0~0.7Vでは暗電流は検出されず、ノイズが検出されただけであった。これに対して、-2.1V 以下のバイアス電圧で暗電流は負の方向に増大した(すなわち、負の暗電流が検出された)。また、0.7V以上のバイアス電圧で暗電流は正の方向に増大した(すなわち、正の暗電流が検出された)。なお、バイアス電圧0.9V及び-2.25VにてdI/dVbがピークを呈する。 FIG. 6A shows the bias voltage dependence of the tunnel current (dark current) when the excitation light is turned off. Here, the tunnel current was measured by positioning the probe 21 on the sample S as described above while changing the bias voltage Vb in the range of 2.0 to -3.0V. When the bias voltage Vb was -2.0 to 0.7 V, no dark current was detected, only noise was detected. In contrast, the dark current increased in the negative direction (that is, a negative dark current was detected) at a bias voltage of -2.1 V or less. Also, the dark current increased in the positive direction at a bias voltage of 0.7 V or more (that is, a positive dark current was detected). Note that dI/dVb peaks at bias voltages of 0.9V and -2.25V.

図6Bに、励起光オフで、(1)バイアス電圧Vb=0.75V及び(2)-2.1Vのそれぞれで検出されたサンプルSのトンネル電流イメージ(すなわち、暗電流イメージ)を示す。測定方法は上述のとおりである。(1)で得られた暗電流イメージは、サンプルSの最低空軌道(LUMO)の状態密度分布に対応している。従って、上の結果は、バイアス電圧Vb=0.7V以上で、サンプルSのLUMOを介した暗電流チャネルが開いたことを意味する。なお、LUMOは図中に4つの矢印で示すノード位置に有限の状態密度を有する。また、(2)で得られた暗電流イメージは最高被占軌道(HOMO)の状態密度分布に対応している。従って、上の結果は、バイアス電圧Vb=-2.25V以下で、サンプルSのHOMOを介した暗電流チャネルが開いたことを意味する。なお、HOMOは図中に4つの矢印で示すノード位置にほぼゼロの状態密度を有する。これらの結果より、バイアス電圧Vbを選択することにより特定の分子軌道を介した暗電流チャネルを選択すること、観測対象のサンプルSの状態を選択することができることが示唆される。 FIG. 6B shows tunneling current images (ie, dark current images) of Sample S detected at (1) bias voltage Vb=0.75 V and (2) −2.1 V with excitation light off. The measurement method is as described above. The dark current image obtained in (1) corresponds to the density of states distribution of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the sample S. Therefore, the above results imply that the dark current channel through the LUMO of the sample S was opened above the bias voltage Vb=0.7V. LUMO has a finite density of states at node positions indicated by four arrows in the figure. Also, the dark current image obtained in (2) corresponds to the density of states distribution of the highest occupied molecular orbital (HOMO). Therefore, the above results imply that the dark current channel through the HOMO of the sample S is opened below the bias voltage Vb=-2.25V. The HOMO has almost zero density of states at the node positions indicated by the four arrows in the figure. These results suggest that selection of the bias voltage Vb enables selection of a dark current channel through a specific molecular orbital and selection of the state of the sample S to be observed.

図6Cに、励起光オンで、(3)バイアス電圧Vb=-2.0V、(4)-0.0Vのそれぞれで検出されたサンプルSの光電流イメージを示す。(3)で得られた光電流イメージは、負の電流分布により、サンプルSのLUMOの状態密度分布を反映している。(4)で得られた光電流イメージは、正の電流分布により、サンプルSのHOMOの状態密度分布を反映している。従って、バイアス電圧Vbを-2.0~0.0Vの範囲内で調整することで、光電流の向きとともに2次元イメージの形が変わることから、光電流の生成チャネルを選択すること、観測対象のサンプルSの状態を選択することができることが示唆される。 FIG. 6C shows photocurrent images of sample S detected at (3) bias voltage Vb=−2.0 V and (4) −0.0 V with the excitation light turned on. The photocurrent image obtained in (3) reflects the density of states distribution of the LUMO of the sample S due to the negative current distribution. The photocurrent image obtained in (4) reflects the HOMO density of states distribution of the sample S due to the positive current distribution. Therefore, by adjusting the bias voltage Vb within the range of −2.0 to 0.0 V, the shape of the two-dimensional image changes along with the direction of the photocurrent. It is suggested that the state of the sample S of .

図7Aに、励起光オンでの光電流のバイアス電圧依存性を示す。ここでは、バイアス電圧Vbを-0.5~0.0Vの範囲で変えつつ、上述のとおり探針21をサンプルS上に位置決めして光電流を測定した。なお、探針21とサンプルSとの離間距離は0.49nm、探針21はFBPcの(A)ローブ及び(B)ノード上にそれぞれ位置決めして光電流を測定した。(A)では、光電流Iは、バイアス電圧Vbが増大するとともに増大し、約-0.33Vでゼロラインを交差し、さらにバイアス電圧Vbが増大するとともに緩やかに増大する。(B)においても同様に、光電流Iは、バイアス電圧Vbが増大するとともに増大し、約-0.16Vでゼロラインを交差し、さらにバイアス電圧Vbが増大するとおおよそゼロに飽和する。これらの結果より、探針21の位置によって光電流Iのゼロクロス電圧が異なること、つまりバイアス電圧Vb=-0.33~-0.16Vの間では探針21の位置に応じて光電流の向きが変わることがわかる。 FIG. 7A shows the bias voltage dependence of the photocurrent when the excitation light is turned on. Here, the photocurrent was measured by positioning the probe 21 on the sample S as described above while changing the bias voltage Vb in the range of -0.5 to 0.0V. The distance between the probe 21 and the sample S was 0.49 nm, and the probe 21 was positioned on the (A) lobe and (B) node of FBPc to measure the photocurrent. At (A), the photocurrent I increases with increasing bias voltage Vb, crosses the zero line at about −0.33 V, and then increases slowly with increasing bias voltage Vb. Similarly, in (B), the photocurrent I increases as the bias voltage Vb increases, crosses the zero line at about -0.16 V, and saturates to approximately zero as the bias voltage Vb further increases. From these results, it can be seen that the zero-cross voltage of the photocurrent I varies depending on the position of the probe 21. is known to change.

図7Bに、バイアス電圧Vb=-0.25Vで検出されたサンプルSの光電流イメージを示す。サンプルSであるFBPcの2次元イメージ全体での平均光電流はゼロであるが、FBPcのHOMOの状態密度分布に由来する8つのローブで正電流、LUMOの状態密度分布に由来する4つのノード及び中心で負電流となっている。このように、単一の分子内においても、探針21の位置決め位置に応じて(つまり局所的に)検出される光電流の向きが変わることがわかる。これは、分子内に複数の光電流の生成チャネルが存在し且つそれぞれの空間分布が異なることを示唆する。従って、探針21の位置によって、いずれかの生成チャネルが支配的になり、その生成チャネルが関わる分子軌道をイメージングすることができることが示唆される。 FIG. 7B shows a photocurrent image of sample S detected at a bias voltage Vb=-0.25V. The average photocurrent in the entire two-dimensional image of FBPc, which is sample S, is zero, but the positive current in the eight lobes derived from the HOMO density of states distribution of FBPc, the four nodes derived from the LUMO density of states distribution, and The current is negative at the center. Thus, it can be seen that even within a single molecule, the direction of the detected photocurrent changes depending on the positioning position of the probe 21 (that is, locally). This suggests that there are multiple photocurrent generation channels in the molecule and their spatial distributions are different. Therefore, depending on the position of the probe 21, it is suggested that one or the other production channel will dominate and that the molecular orbitals involving that production channel can be imaged.

図8に、光電流のバイアス電圧依存性における3つの光電流の生成チャネルの寄与を示す。3つの光電流の生成チャネルとして、サンプルSのHOMOを介したP1チャネル、サンプルSのLUMOを介したN1チャネル及びN2チャネルがあることが知られている。P1チャネルは、バイアス電圧Vbにほとんど依存しないでおおよそ一定の正電流を生成する。正電流はHOMOを介したチャネルであることを反映する。N1チャネルは、バイアス電圧Vbにほとんど依存しないでおおよそ一定の負電流を生成する。N2チャネルは、サンプルSに特有の閾電圧(例えば、FBPcに対して約-0.2V)を有し、バイアス電圧がこれを下回ると負方向に光電流を増大する。負電流はLUMOを介したチャネルであることを反映する。光電流のバイアス電圧依存性は、これらの3つの生成チャネルの寄与の総和(total)により定まる。従って、光電流は、閾値以上のバイアス電圧に対しておおよそ一定となり、閾値以下のバイアス電圧に対して負方向に増大する。 FIG. 8 shows the contribution of the three photocurrent generation channels to the bias voltage dependence of the photocurrent. It is known that there are three photocurrent generation channels, the P1 channel via the HOMO of the sample S, the N1 channel and the N2 channel via the LUMO of the sample S. The P1 channel produces approximately constant positive current with little dependence on the bias voltage Vb. A positive current reflects channeling through the HOMO. The N1 channel produces a roughly constant negative current with little dependence on the bias voltage Vb. The N2 channel has a threshold voltage characteristic of sample S (eg, about −0.2 V vs. FBPc), below which the bias voltage increases the photocurrent in the negative direction. Negative currents reflect LUMO-mediated channels. The bias voltage dependence of the photocurrent is determined by the total contribution of these three generation channels. Therefore, the photocurrent is approximately constant for bias voltages above the threshold and increases in the negative direction for bias voltages below the threshold.

図9Aに、P1チャネルのモデルを示す。基板9及び探針21のフェルミ準位は一致しているとする。まず、励起光を吸収することによりサンプルSのHOMOを占有する1つの電子がLUMOに遷移して、サンプルSが基底状態(S)から励起状態(S)に励起する。次いで、探針21からサンプルSのHOMOに電子が移行して、サンプルSはアニオン(負イオン)状態を形成する。移行した電子を含む複数の電子間のクーロン力によりサンプルSの電子軌道が上昇し、LUMOが基板9のフェルミ準位より高くなる。最後に、LUMOを占有する電子が基板9に移行する。従って、P1チャネルにおいては、-0.5~0Vの範囲では、バイアス電圧Vbにほとんど寄らずほぼ一定の正電流が発生する。 FIG. 9A shows a model of the P1 channel. It is assumed that the substrate 9 and the probe 21 have the same Fermi level. First, one electron occupying the HOMO of the sample S transitions to the LUMO by absorbing the excitation light, and the sample S is excited from the ground state (S 0 ) to the excited state (S 1 ). Next, electrons are transferred from the probe 21 to the HOMO of the sample S, and the sample S forms an anion (negative ion) state. The Coulomb force between a plurality of electrons, including the transferred electrons, raises the electron trajectories of the sample S and raises the LUMO above the Fermi level of the substrate 9 . Finally, the electrons occupying the LUMO migrate to the substrate 9 . Therefore, in the P1 channel, a substantially constant positive current is generated in the range of -0.5 to 0 V, irrespective of the bias voltage Vb.

図9Bに、N1チャネルのモデルを示す。基板9及び探針21のフェルミ準位は一致しているとする。まず、励起光を吸収することによりサンプルSのHOMOを占有する1つの電子がLUMOに遷移して、サンプルSが基底状態(S)から励起状態(S)に励起する。次いで、基板9からサンプルSのHOMOに電子が移行して、サンプルSはアニオン(負イオン)状態を形成する。移行した電子を含む複数の電子間のクーロン力によりサンプルSの電子軌道が上昇し、LUMOが探針21のフェルミ準位より高くなる。最後に、LUMOを占有する電子が探針21に移行する。従って、N1チャネルにおいては、-0.5~0Vの範囲では、バイアス電圧Vbにほとんど寄らずほぼ一定の負電流が発生する。 A model of the N1 channel is shown in FIG. 9B. It is assumed that the substrate 9 and the probe 21 have the same Fermi level. First, one electron occupying the HOMO of the sample S transitions to the LUMO by absorbing the excitation light, and the sample S is excited from the ground state (S 0 ) to the excited state (S 1 ). Electrons are then transferred from the substrate 9 to the HOMO of the sample S, and the sample S forms an anion (negative ion) state. The electron trajectory of the sample S rises due to the Coulomb force between a plurality of electrons including the transferred electrons, and the LUMO becomes higher than the Fermi level of the probe 21 . Finally, the electrons occupying the LUMO migrate to the probe 21 . Therefore, in the N1 channel, a substantially constant negative current is generated in the range of -0.5 to 0 V, irrespective of the bias voltage Vb.

図9Cに、N2チャネルのモデルを示す。負のバイアス電圧Vbを印加することにより探針21のフェルミ準位が基板9のフェルミ準位に対して下がり、さらにサンプルSのLUMOより低くなっているとする。まず、励起光を吸収することによりサンプルSのHOMOを占有する1つの電子がLUMOに遷移して、サンプルSが基底状態(S)から励起状態(S)に励起する。次いで、LUMOを占有する電子が探針21に移行する。それによりサンプルはカチオン(正イオン)状態になる。移行した電子を除く残りの電子間のクーロン力によりサンプルSの電子軌道が下降し、LUMOが探針21のフェルミ準位より低くなる。最後に、基板9から電子がサンプルSのHOMO又はLUMOに移行する。従って、N2チャネルにおいては、サンプルSのLUMOの占有エネルギの高さに応じた閾電圧を有し、バイアス電圧により探針21のフェルミ準位がこれより低くなることで負方向に増大する光電流を発生する。 A model of the N2 channel is shown in FIG. 9C. Suppose that the Fermi level of the probe 21 is lowered with respect to the Fermi level of the substrate 9 by applying the negative bias voltage Vb, and is lower than the LUMO of the sample S. First, one electron occupying the HOMO of the sample S transitions to the LUMO by absorbing the excitation light, and the sample S is excited from the ground state (S 0 ) to the excited state (S 1 ). Electrons occupying the LUMO then migrate to the probe 21 . The sample thereby becomes a cationic (positive ion) state. The electron trajectory of the sample S descends due to the Coulomb force between the remaining electrons excluding the transferred electrons, and the LUMO becomes lower than the Fermi level of the probe 21 . Finally, electrons are transferred from the substrate 9 to the HOMO or LUMO of the sample S. Therefore, the N2 channel has a threshold voltage corresponding to the level of the occupied energy of the LUMO of the sample S, and the photocurrent increases in the negative direction when the Fermi level of the probe 21 is lowered by the bias voltage. occurs.

LUMO及びHOMOの状態比(探針21と分子軌道との結合比)を与えて3つの光電流の生成チャネルのそれぞれからの光電流の和を算出すると、相対的にLUMOの状態比が大きい場合のI-Vb特性が探針21をローブ上に位置決めして得られたI-Vb特性の測定結果(図7Aの(A))を説明し、相対的にHOMOの状態比が大きい場合のI-Vb特性が探針21をノード上に位置決めして得られたI-Vb特性の測定結果(図7Aの(B))を説明する。光電流の空間分布及びバイアス電圧依存性より、光電流が発生するメカニズムが明らかになり、そして、サンプルSの分子軌道の空間分布を可視化するとともに、励起光の波長によって観察目的とする励起状態を選択すること、バイアス電圧Vbを制御することにより可視化する分子軌道を選択できることがわかった。 Given the state ratio of LUMO and HOMO (bonding ratio between the probe 21 and the molecular orbital) and calculating the sum of the photocurrents from each of the three photocurrent generation channels, when the LUMO state ratio is relatively large The I-Vb characteristic of explains the measurement result of the I-Vb characteristic obtained by positioning the probe 21 on the lobe ((A) in FIG. 7A), and the I-Vb characteristic when the HOMO state ratio is relatively large. -Vb Characteristics Measurement results of IVb characteristics obtained by positioning the probe 21 on the node ((B) in FIG. 7A) will be described. The spatial distribution of the photocurrent and the dependence of the bias voltage on the photocurrent clarified the mechanism by which the photocurrent was generated, and the spatial distribution of the molecular orbitals of the sample S was visualized. It has been found that the molecular orbitals to be visualized can be selected by selecting and controlling the bias voltage Vb.

そこで、制御部50により、バイアス電圧Vbを、励起光を照射しない状態で、バイアス電圧の増減に対して暗電流が正電流方向及び負電流方向にそれぞれ増大し始める2つの電圧の間(例えば図6Aにおける-2.0~0.5V)で制御することができる。それにより、特にN2チャネルが開くようバイアス電圧Vbを選択し、励起光を照射して、サンプルSのHOMOを介した正の光電流とLUMOを介した負の光電流とを検出することで、図6C及び図7Bに示したようにサンプルのHOMO若しくはLUMO又はそれらの両方の分子軌道の空間分布を2次元イメージングすることができる。 Therefore, the control unit 50 sets the bias voltage Vb between two voltages (for example, FIG. -2.0 to 0.5 V at 6 A). Thereby, the bias voltage Vb is selected so that the N2 channel is particularly opened, the excitation light is irradiated, and the positive photocurrent through the HOMO and the negative photocurrent through the LUMO of the sample S are detected. The spatial distribution of HOMO or LUMO or both molecular orbitals of a sample can be two-dimensionally imaged as shown in FIGS. 6C and 7B.

基板9との間に適当な局在プラズモンを生成し、光電流を効率良く検出することのできる探針21の形状について検討する。そのような探針21は、原子分子サイズにおいて鋭く、少なくとも10nmオーダで滑らかであり、且つ中心軸に対して対称である必要がある。 A shape of the probe 21 that can generate an appropriate localized plasmon between itself and the substrate 9 and efficiently detect the photocurrent will be examined. Such a probe 21 should be sharp on the atomic molecular size, smooth on the order of at least 10 nm, and symmetrical with respect to the central axis.

図10A、図10B、及び図10Cに、それぞれ、走査電子顕微鏡により撮影した第1の比較用探針の先端形状、第1の比較用探針を用いて基板9との間にバイアス電圧Vb=+2.5Vを印加した際に発生する局在プラズモンの発光スペクトルの測定結果、第1の比較用探針を用いて測定されたサンプルの光電流イメージを示す。サンプルとして、FBPcを用いた。バイアス電圧Vbは-2.0Vとした。第1の比較用探針は、金を用いて形成された。ただし、その先端形状は、原子分子サイズにおいて鈍く、凹凸を有し、且つ中心軸に対して対称でない。プラズモンの発光スペクトルは、その分布範囲内にサンプルの励起エネルギ(1816meV)を含む。サンプルの光電流イメージは、強度が不均一であり且つ不鮮明である。サンプルの対称構造が現れていないことから、探針の中心軸対称性が光電流イメージングに重要であることが示唆される。 10A, 10B, and 10C respectively show the shape of the tip of the first comparative probe photographed with a scanning electron microscope, and the bias voltage Vb= between the first comparative probe and the substrate 9 using the first comparative probe. FIG. 10 shows a photocurrent image of a sample measured using the first comparative probe as a measurement result of the emission spectrum of localized plasmons generated when +2.5 V is applied. FIG. FBPc was used as a sample. The bias voltage Vb was -2.0V. A first comparative probe was formed using gold. However, the tip shape is blunt in atomic molecular size, has irregularities, and is not symmetrical with respect to the central axis. The plasmon emission spectrum contains the sample excitation energy (1816 meV) within its distribution range. The photocurrent image of the sample is uneven in intensity and blurry. The fact that the symmetrical structure of the sample does not appear suggests that the axial symmetry of the tip is important for photocurrent imaging.

図11A、図11B、及び図11Cに、それぞれ、走査電子顕微鏡により撮影した第2の比較用探針の先端形状、第2の比較用探針を用いて基板9との間にバイアス電圧Vb=+2.5 Vを印加した際に発生する局在プラズモンの発光スペクトルの測定結果、第2の比較用探針を用いて測定されたサンプルの光電流イメージを示す。サンプルとして、FBPcを用いた。バイアス電圧Vbは-0.25Vとした。第2の比較用探針は、金を用いて電気化学エッチング法により作成し、さらにステップS104の方法で先端形状を調整した。その先端形状は、原子分子サイズにおいて鋭く且つ中心軸に対して対称であり、しかし幾分の凹凸を有する。プラズモンの発光スペクトルは、その分布範囲内にサンプルの励起エネルギ(1816meV)を含むが、スペクトルの中心は励起エネルギから離れている。サンプルの光電流イメージは、強度分布が対称的でサンプルの対称構造を表しているが、幾分不鮮明である。 11A, 11B, and 11C respectively show the shape of the tip of the second comparative probe photographed with a scanning electron microscope, and the bias voltage Vb= between the substrate 9 and the second comparative probe using the second comparative probe. FIG. 10 shows the measurement result of the emission spectrum of localized plasmons generated when +2.5 V is applied, and the photocurrent image of the sample measured using the second comparative probe. FBPc was used as a sample. The bias voltage Vb was -0.25V. A second comparative probe was made by electrochemical etching using gold, and the shape of the tip was adjusted by the method of step S104. Its tip shape is sharp in atomic molecular size and symmetrical with respect to the central axis, but has some unevenness. The plasmon emission spectrum contains the sample excitation energy (1816 meV) within its distribution range, but the center of the spectrum is away from the excitation energy. The photocurrent image of the sample is somewhat blurred, although the intensity distribution is symmetrical and reveals the symmetrical structure of the sample.

図12A、図12B、及び図12Cに、それぞれ、走査電子顕微鏡により撮影した実施例に係る探針の先端形状、その探針を用いて基板9との間にバイアス電圧Vb=+2.5 Vを印加した際に発生する局在プラズモンの発光スペクトルの測定結果、その比較用探針を用いて測定されたサンプルの光電流イメージを示す。サンプルとして、FBPcを用いた。バイアス電圧Vbは-0.25Vとした。実施例に係る探針は、金を用いて電気化学エッチング法により作成し、さらに集束イオンビームを正面方向から先端にドーナツ型のパターンで照射することにより加工した。先端は、半球体(本例では直径約30nm)を上面上に支持する円錐台状(先端からの距離約100nmでの断面の直径約60nm)に形成されている、つまり、少なくとも10nmオーダで滑らかであり、且つ中心軸に対して対称である。さらに、ステップS104の方法で先端形状を原子分子サイズにおいて鋭くなるよう調整した。プラズモンの発光スペクトルは、その分布範囲内にサンプルの励起エネルギ(1816meV)を含み且つスペクトルの中心が励起エネルギに接近している。より詳細には、発光スペクトルのピーク値のおよそ80%値の範囲内にサンプルの励起エネルギが含まれる。サンプルの光電流イメージは、強度分布が対称的でサンプルの対称構造を鮮明に表している。従って、先述の先端形状を有する探針21が鮮明な光電流イメージングを得るうえで好適であることがわかる。 12A, 12B, and 12C respectively show the shape of the tip of the probe according to the example photographed by a scanning electron microscope, and the bias voltage Vb=+2.5 V between the probe and the substrate 9 using the probe. 2 shows the measurement result of the emission spectrum of the localized plasmon generated when , and the photocurrent image of the sample measured using the comparison probe. FBPc was used as a sample. The bias voltage Vb was -0.25V. The probe according to the example was produced by an electrochemical etching method using gold, and further processed by irradiating the tip with a focused ion beam in a doughnut-shaped pattern from the front direction. The tip is shaped like a truncated cone (about 60 nm in cross-sectional diameter at about 100 nm distance from the tip) supporting a hemisphere (about 30 nm in diameter in this example) on the top surface, i.e. smooth at least on the order of 10 nm. and is symmetrical about the central axis. Furthermore, the tip shape was adjusted to be sharp in atomic molecular size by the method of step S104. The plasmon emission spectrum contains the sample excitation energy (1816 meV) within its distribution range and the center of the spectrum is close to the excitation energy. More specifically, the excitation energy of the sample is contained within approximately 80% of the peak value of the emission spectrum. The photocurrent image of the sample has a symmetrical intensity distribution and clearly represents the symmetrical structure of the sample. Therefore, it can be seen that the probe 21 having the tip shape described above is suitable for obtaining clear photocurrent imaging.

本実施形態に係るSTM100は、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流(光電流)を検出する走査型トンネル顕微鏡であって、サンプルSに対して離間方向に探針21を位置決めする位置決め装置40と、基板9上に支持されたサンプルSに励起光を照射する照射部10と、基板9と探針21との間にバイアス電圧Vbを印加して、基板9と探針21との間に流れるトンネル電流を検出する検出部20とを備える。これによれば、照射部10により励起光を基板9上に支持されたサンプルSに照射するとともに、検出部20により基板9上に位置決めされた探針21を用いてその探針21とこれに対向するサンプルSの局部との間に流れるトンネル電流(すなわち、光電流)を検出し、その際に基板9と探針21との間にバイアス電圧Vbを印加し、又は光照射して局在プラズモンPを生成することで、その局在プラズモンPとサンプルSとの相互作用により光電流を増大することができ、それにより光電流によるサンプルSの原子分解能での観察、特に2次元イメージ検出が可能となる。 The STM 100 according to this embodiment is a scanning tunneling microscope that detects a tunneling current (photocurrent) induced by photoexciting a sample, and is a positioning device that positions the probe 21 in the separation direction with respect to the sample S. 40, an irradiation unit 10 that irradiates the sample S supported on the substrate 9 with excitation light, and a bias voltage Vb is applied between the substrate 9 and the probe 21, thereby and a detection unit 20 for detecting a tunnel current flowing through. According to this, the irradiation unit 10 irradiates the sample S supported on the substrate 9 with the excitation light, and the detection unit 20 uses the probe 21 positioned on the substrate 9 to detect the probe 21 and the probe 21 . A tunnel current (that is, a photocurrent) flowing between the facing sample S and a local portion is detected, and at that time, a bias voltage Vb is applied between the substrate 9 and the probe 21, or light is irradiated to localize the current. By generating the plasmon P, the photocurrent can be increased by the interaction between the localized plasmon P and the sample S, thereby enabling atomic resolution observation of the sample S by the photocurrent, particularly two-dimensional image detection. It becomes possible.

本実施形態に係る方法は、サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流(光電流)を検出する方法であって、サンプルSに対して離間方向に探針を位置決めする段階と、基板9と探針21との間にバイアス電圧Vbを印加する段階と、基板9に支持されたサンプルSに励起光を照射する段階と、基板9と探針21との間に流れるトンネル電流を検出する段階と、を備える。これによれば、サンプルSに対して離間方向に探針21を位置決めし、基板9と探針21との間にバイアス電圧Vbを印加、もしくは光照射して局在プラズモンPを生成し、基板9に支持されたサンプルSに励起光を照射するとともに基板9と探針21との間に流れるトンネル電流(光電流)を検出することで、その局在プラズモンPとサンプルSとの相互作用により光電流を増大することができ、それにより光電流によるサンプルSの原子分解能での観察、特に2次元イメージ検出が可能となる。 The method according to the present embodiment is a method for detecting a tunneling current (photocurrent) induced by photoexciting a sample, comprising the steps of positioning a probe in a direction away from the sample S; applying a bias voltage Vb to the probe 21; irradiating the sample S supported by the substrate 9 with excitation light; and detecting a tunnel current flowing between the substrate 9 and the probe 21. And prepare. According to this method, the probe 21 is positioned in the separation direction with respect to the sample S, a bias voltage Vb is applied between the substrate 9 and the probe 21, or light is irradiated to generate the localized plasmons P, and the substrate By irradiating the sample S supported by 9 with excitation light and detecting the tunnel current (photocurrent) flowing between the substrate 9 and the probe 21, the interaction between the localized plasmons P and the sample S The photocurrent can be increased, which enables atomic resolution observation of the sample S by means of the photocurrent, in particular two-dimensional image detection.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is obvious to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the scope of claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as actions, procedures, steps, and stages in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly "before", "before etc., and it should be noted that they can be implemented in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the specification, and the drawings, even if the description is made using "first," "next," etc. for the sake of convenience, it means that it is essential to carry out in this order. not a thing

9…基板、9a…絶縁層、10…照射部、11…光源、12…照射光学系、20…検出部、21…探針、22…電圧源、23…電流計、30…光検出部、31…検出光学系、32…分光器、40…位置決め装置、41…駆動素子、50…制御部、51…入力デバイス、52…出力デバイス、90…真空チャンバ、91…真空ポンプ、92…クライオスタット、P…局在プラズモン、S…サンプル、Vb…バイアス電圧。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 9... Substrate 9a... Insulating layer 10... Irradiation part 11... Light source 12... Irradiation optical system 20... Detection part 21... Probe 22... Voltage source 23... Ammeter 30... Light detection part, 31... Detection optical system, 32... Spectroscope, 40... Positioning device, 41... Driving element, 50... Control section, 51... Input device, 52... Output device, 90... Vacuum chamber, 91... Vacuum pump, 92... Cryostat, P... localized plasmon, S... sample, Vb... bias voltage.

Claims (15)

サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡であって、
サンプルに対して離間方向に探針を位置決めする位置決め装置と、
前記サンプルに励起光を照射する照射部と、
前記サンプルを支持する基板と前記探針との間にバイアス電圧を印加して、前記基板と前記探針との間に流れるトンネル電流を検出する検出部と、
を備える走査型トンネル顕微鏡。
A scanning tunneling microscope for detecting tunneling currents induced by photoexcitation of a sample, comprising:
a positioning device that positions the probe in a separation direction with respect to the sample;
an irradiation unit that irradiates the sample with excitation light;
a detection unit that applies a bias voltage between the substrate supporting the sample and the probe and detects a tunnel current flowing between the substrate and the probe;
scanning tunneling microscope.
前記バイアス電圧の向き及び大きさを制御する制御部をさらに備える、請求項1に記載の走査型トンネル顕微鏡。 2. The scanning tunneling microscope according to claim 1, further comprising a controller for controlling direction and magnitude of said bias voltage. 前記制御部は、前記バイアス電圧を、前記励起光を照射しない状態で、前記バイアス電圧の増減に対して前記トンネル電流が正電流方向及び負電流方向にそれぞれ増大し始める2つの電圧の間で制御する、請求項2に記載の走査型トンネル顕微鏡。 The controller controls the bias voltage between two voltages at which the tunnel current starts to increase in a positive current direction and a negative current direction in response to an increase or decrease in the bias voltage in a state in which the excitation light is not irradiated. 3. The scanning tunneling microscope of claim 2, wherein 前記探針は、金又は銀を含む金属から形成される、請求項1から3のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 4. A scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein said probe is made of metal containing gold or silver. 前記探針は、半球体を上面上に支持する円錐台状に形成された先端を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 5. The scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein said probe has a truncated conical tip supporting a hemisphere on its upper surface. 前記探針は、前記基板との間に前記バイアス電圧を印加した際の局在プラズモンの発光スペクトルのエネルギ範囲が前記サンプルの励起エネルギを含むように選択、調整、又は形成されている、請求項1から5のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 The probe is selected, adjusted, or formed so that the energy range of the emission spectrum of the localized plasmon when the bias voltage is applied between the probe and the substrate includes the excitation energy of the sample. 6. The scanning tunneling microscope according to any one of 1 to 5. 前記基板は、金又は銀を含む貴金属から形成され、前記サンプルを支持する表面が絶縁材料により被覆されている、請求項1から6のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 7. The scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 6, wherein said substrate is made of a noble metal including gold or silver, and the surface supporting said sample is coated with an insulating material. 前記照射部は、前記サンプルの励起エネルギに一致する波長を有する前記励起光を生成する光源を有する、請求項1から7のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 8. The scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 7, wherein said irradiation section has a light source that generates said excitation light having a wavelength matching excitation energy of said sample. 前記位置決め装置は、さらに、前記探針を前記基板上のサンプルに対して2次元方向に位置決めする、請求項1から8のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 9. The scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 8, wherein said positioning device further positions said probe in two-dimensional directions with respect to said sample on said substrate. 前記基板を低温下及び/又は真空下に保持するチャンバをさらに備える、請求項1から8のいずれか一項に記載の走査型トンネル顕微鏡。 9. The scanning tunneling microscope according to any one of claims 1 to 8, further comprising a chamber for holding said substrate under low temperature and/or under vacuum. サンプルを光励起することによって誘導されるトンネル電流を検出する方法であって、
サンプルに対して離間方向に探針を位置決めする段階と、
前記サンプルを支持する基板と前記探針との間にバイアス電圧を印加する段階と、
前記サンプルに励起光を照射する段階と、
前記基板と前記探針との間に流れるトンネル電流を検出する段階と、
を備える方法。
A method of detecting a tunneling current induced by photoexcitation of a sample, comprising:
positioning the probe in a spaced apart direction with respect to the sample;
applying a bias voltage between a substrate supporting the sample and the probe;
irradiating the sample with excitation light;
detecting a tunneling current flowing between the substrate and the probe;
How to prepare.
前記バイアス電圧の向き及び大きさを制御する段階をさらに備える、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, further comprising controlling the direction and magnitude of said bias voltage. 前記探針を、前記基板との間に前記バイアス電圧を印加した際の局在プラズモンの発光スペクトルのエネルギ範囲が前記サンプルの励起エネルギを含むように選択又は調整する段階をさらに備える、請求項11又は12に記載の方法。 11. The step of selecting or adjusting the probe such that the energy range of the emission spectrum of the localized plasmon when the bias voltage is applied between the probe and the substrate includes the excitation energy of the sample. Or the method according to 12. 前記探針を、前記基板上のサンプルに対して2次元方向に位置決めする段階をさらに備える、請求項11から13のいずれか一項に記載の方法。 14. The method of any one of claims 11-13, further comprising positioning the probe in two dimensions with respect to a sample on the substrate. 前記基板をチャンバ内で低温下及び/又は真空下に保持する段階をさらに備える、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。 15. The method of any one of claims 11-14, further comprising holding the substrate in a chamber under low temperature and/or vacuum.
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