JP2760508B2 - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡

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    • Y10S977/861—Scanning tunneling probe

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、走査型トンネル顕微鏡に係わり、特に表面
の磁気的性質を調べるように改良した走査型トンネル顕
微鏡に関する。
（従来の技術） 最近の薄膜形成技術、特にMBE（分子線エピタキシー
法）やCVD（気相成長法）等の大きな発展により、数nm
の磁性薄膜を作成することが可能になってきており、多
方面への応用が期待されている。膜の厚さが１〜数原子
層である場合には、その膜の磁気的な性質（例えばキュ
ーリ温度）は、その膜の物質がマクロな結晶をなしてい
る時の性質とは必ずしも同一ではなく、従って磁性薄膜
それ自身の性質を測定することが必要である。同様のこ
とは、表面磁性（磁性体の表面がバルクとは異なった磁
性を示すこと）についても当てはまる。
表面磁性（ここでは、磁性薄膜の性質も含めた広い意
味を指すものとする）の測定法は、次の２つの条件を満
たすことが要求される。
表面に敏感であること。
電子スピンに敏感であること。
これらの条件を満たす従来の技術としては、偏極光電
子分光法や偏極LEED（偏極低速電子線回折）法等があ
る。これらは公知の技術であり、既に幾つかの研究成果
が得られているが、反面、問題点も多く残っている。
まず、物理的な欠点としては、上記の技術が表面磁性
の平均的な性質しか測定し得ないことが挙げられる。上
記いずれの技術も空間分解能が低く、測定によって得ら
れる情報は高々数10nm径の範囲の平均的な性質である。
しかしながら、遍歴磁性体はともかく、多くの重要な磁
性体では、磁性を担う電子スピンは局在しており、それ
故にスピン分布を原子尺度の空間分解能で観察すること
が極めて重要な課題となっている。
次に、技術的には、上記の技術のいずれもが、費用の
かかる大掛かりなものである、と言う欠点がある。偏極
LEED法ではGaAs偏極電子源を必要とし、この電子源は、
レーザによる光ポンピングを利用した大きなものであ
る。また、偏極光電子分光法には、モット（Mott）検出
器が使用されるが、これは前段に静電加速器を取付けた
大型の検出器である。
一方、これらの技術とは対照的に、最近開発された走
査型トンネル顕微鏡（以下STMと略記する）は、原子尺
度で表面を観察できる装置である。STMは、探針と呼ば
れる金属針を試料表面から1nm程度の距離に近付け、針
と表面間に流れるトンネル電流が両者の距離に敏感であ
ることを利用して、表面の起伏を測定する装置である。
STMの大きな利点は、針と試料間に加わる電圧を変化さ
せることによって、ある特定のエネルギーを持った表面
電子が、どのように空間的に分布しているか（所謂局所
状態密度）、を知り得ることにある。例えば、GaAsの場
合、電子はAs原子に局在しているが、STMではAsに局在
した電子の詰まった状態とGaに局在する電子が不在の状
態とを区別してイメージすることができる。
しかしながら、STMでは、電子スピンについての情報
は得られない。それは、針と試料表面との間をトンネル
する電子が偏極していないからである。
（発明が解決しようとする課題） このように従来、電子スピンに敏感な測定技術は空白
分解能が低く、高分解能のSTMはその原理から電子スピ
ンの分布を測定することは困難であった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、1nm程度以下の高い空間分解能で
電子スピンの分布を測定することができる走査型トンネ
ル顕微鏡を提供することにある。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、通常のSTMの探針の代わりに、偏極
電子を放出するエミッタを探針として使用することにあ
る。
即ち本発明は、被検査試料の表面に探針を近接させる
と共に、試料と探針との間に所定の電圧を印加し、両者
の間に流れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査す
る走査型トンネル顕微鏡において、前記探針として、ス
ピン偏極した電子を放出する探針（例えばタングステン
からなる金属針の表面に硫化ユーロピウムを被覆してな
り、該金属針の軸方向に磁界を印加されて該軸方向に電
子スピンが揃った電子のみを放出する探針）を用い、試
料表面の電子スピンの状態を検査するようにしたもので
ある。
（作 用） スピン偏極エミッタを探針とした場合、探針から試料
表面に向かって流れる電子は100％近く偏極している。
この探針の磁性体表面に沿って走査型させる場合を考え
る。磁性体の電子分布は電子スピンの向きによって異な
っているが、探針の偏極電子は、それ自身のスピンと反
平行なスピンを持つ電子が分布している領域でのみ、探
針から試料に流れる。従って、この電流の変化から、試
料表面における上向き或いは下向きスピンを持つ電子の
分布が得られる。正確には、エミッタからの電子の偏極
方向を反転させた場合とさせない場合について走査を行
い、２つの結果の差を取ることによって、上向きスピン
と下向きスピンの分布の差−即ちミクロな磁化−の空間
的な変化が測定される。なお、エミッタの先端形状は、
STMで普通に用いられている探針と同じであり、従って
偏極エミッタの使用によって、空間分解能が大きく損な
われることはない。
（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。
第１図は本発明の一実施例に係わるスピン偏極STMを
示す概略構成図である。このSTMは基本的には、従来の
低温用STMと同じ構造を有する。即ち、第１図におい
て、１はシリンダーであり、このシリンダー１の内壁に
沿ってピストン３がスライドする。ピストン３は押しネ
ジ２によって駆動され、その動きはコイルバネ4,板バネ
５を介して積層型ピエゾ素子６に伝えられる。２つのバ
ネ4,5は縮小バネとなっており、ピストン３の動きは、
縮小されてピエゾ素子６に伝えられる。ピエゾ素子６に
は円筒型ピエゾ素子７が固定され、ピエゾ素子７には探
針として作用する偏極エミッタ６が取付けられている。
そして、前記ピストン３の動きにより、ピエゾ素子７に
取付けられた偏極エミッタ８を試料９に数μｍまで近付
けるものとなっている。
積層型ピエゾ素子６は、ピストン３の動きにより偏極
エミッタ８を試料９に数μｍまで近付けた後、エミッタ
−試料間にトンネル電流が流れるまで両者を近付けるの
に使用される。偏極エミッタ８と試料９との間にトンネ
ル電流が流れてからは、円筒形ピエゾ素子７によってエ
ミッタ８の走査が行われる。
なお、図中10は試料９の位置調整用のネジであり、11
は偏極エミッタ８からの電子のスピン方向を決めるため
の磁石である。また、図には示さないが、試料９の下に
は試料９に磁界を印加するための磁石が配置される。そ
して、第１図のユニット全体は、液体ヘリウム中で動作
するものとなっている。
第２図は偏極エミッタ部を拡大して示す模式図であ
る。エミッタ８は、先端を尖らせたタングステンの針21
（先端曲率半径１μｍ以下）の表面に400Å程度の厚さ
のEuS（硫化ユーロピウム）層22を蒸着したものであ
る。EuSは、17K以下で強磁性体となり、タングステンの
電子23に対するスピンフィルターの役目を果たす。これ
は、Ｗ−EuSの界面のエネルギー障壁の高さがスピンの
向きによって異なるためであり、十分な電界（0.1V/
Å）を加えると、１方向のスピンを持った電子24のみが
EuS層12を通って放出される。放出電子の偏極度は、ヘ
リウム温度では90％以上に達する。
次に、スピン偏極STMの動作を説明する。最初に装置
全体をヘリウム温度に冷却する。次いで、エミッタ８と
試料９との間に数ボルト（試料が正電位）を加え、押し
ネジ2,バネ4,5,積層型ピエゾ素子６を用いて、トンネル
電流（又は電界放出による電流）が流れるまで、エミッ
タ８を試料９に近付ける。その後は、円筒型ピエゾ素子
７により、表面の走査を行う。このとき、エミッタ８と
試料９との関係は第３図に示す如くなり、エミッタ−試
料間に直流電源13及び電流計14が接続され、走査を行っ
たときの電流計14の検出値の変化が検出される。また、
試料９の裏面には、必要に応じて磁石12が配置される。
この磁石12は試料９の表面における電子スピンの向きを
一方向（上下方向）に揃えるものである。
第３図の状態では、偏極エミッタ８の電子は、それ自
身のスピンと反平行なスピンを持つ電子が分布している
領域でのみ、試料側に流れる。従って、この電流の変化
から上向きのスピンを持つ電子の分布が得られる。ま
た、磁石11によりエミッタ８からの電子のスピンを反転
することができるので、反転の前後でのSTMイメージを
比較することができ、試料表面の局所的な磁性が調べら
れる。
スピン偏極走査型トンネル顕微鏡の分解能は、エミッ
タ形状とエミッタ−試料間の距離に依存する。エミッタ
−試料間の電位差を2Vとするとき、EuSスピンフィルタ
が働くための電界を得るには、エミッタ−試料間の距離
は20Å程度であればよい。そしてこの場合、エミッタ先
端の実効的な曲率半径を10Åとすると、分解能は８Åと
なる。
かくして本実施例によれば、試料表面の電子スピンの
分布を数Åと言う極めて高い空間分解能で測定すること
ができる。このため、各種磁性体の磁気的性質を原子尺
度で測定することが可能となり、その有用性は絶大であ
る。また、偏極光電子分光法や偏極LEED法とは異なり、
大型の電子源や検出器等を必要とすることなく、簡易に
実現し得る等の利点もある。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記探針は、タングステンからなる金属
針の表面に硫化ユーロピウムを被覆したものに限らず、
金属針の軸方向に磁界を印加されて該軸方向に電子スピ
ンが揃った電子のみを放出するものであればよい。具体
的には、タングステンの代わりには、ニッケルその他、
針状加工が可能な各種の金属を用いることができる。さ
らに、硫化ユーロピウムの代りには、スピンフィルター
として作用するものであればよく、一般には特定の温度
で強磁性の絶縁体となる材料を用いることが可能であ
る。また、探針の走査機構は第１図に何等限定されるも
のではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。
［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、通常のSTMの探
針の代わりに、偏極電子を放出するエミッタを探針とし
て使用することにより、1nm程度以下の高い空間分解能
で電子スピンの分布を測定することが可能となる。従っ
て、各種磁性体の表面磁性状態を測定するのに極めて有
効である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に係わるスピン偏極走査型ト
ンネル顕微鏡を示す概略構成図、第２図は偏極エミッタ
を拡大して示す模式図、第３図は偏極エミッタ，試料及
び磁石等の配置例を示す模式図である。 １……シリンダー、２……ピストン駆動用ネジ、３……
ピストン、４……コイルバネ、５……板バネ、６……積
層型ピエゾ素子、７……円筒型ピエゾ素子、９……試
料、10……試料駆動用ネジ、11,12……磁石、21……タ
ングステン針、22……EuS層、23……タングステン内の
電子、24……放出された電子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−139240（ＪＰ，Ａ) Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｃｒｉｐｔａ, （1988年８月），Ｖｏｌ．38，Ｎｏ. ２，ｐ．291〜296 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 37/28 G01N 37/00 ＪＩＣＳＴ科学技術文献ファイル

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被検査試料の表面に、スピン偏極した電子
    を放出する探針を近接させると共に、試料と探針との間
    に所定の電圧を印加し、両者の間に流れるトンネル電流
    に基づいて試料表面の電子スピンの状態を検査する走査
    型トンネル顕微鏡において、 前記探針は、タングステンからなる金属針の表面に硫化
    ユーロピウムを被覆してなり、該金属針の軸方向に磁界
    を印加されて該軸方向に電子スピンが揃った電子のみを
    放出するものであることを特徴とする走査型トンネル顕
    微鏡。
  2. 【請求項２】前記試料は、被検査表面と直交する方向に
    磁界を印加され、電子スピンの向きを磁界印加方向に及
    びこれと逆の方向に揃えられたものであることを特徴と
    する請求項１記載の走査型トンネル顕微鏡。
  3. 【請求項３】前記試料及び探針は、液体ヘリウム温度ま
    で冷却されていることを特徴とする請求項１記載の走査
    型トンネル顕微鏡。
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