JP2896794B2 - 走査型トンネル電流検出装置，走査型トンネル顕微鏡，及び記録再生装置 - Google Patents

走査型トンネル電流検出装置，走査型トンネル顕微鏡，及び記録再生装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱ドリフトあるいは外部からの振動を除去
する機構を有した走査型トンネル電流検出装置，走査型
トンネル顕微鏡，及び記録再生装置に関する。
［従来の技術］ 最近、導体の表面原子における電子構造を直接観察で
きる走査型トンネル顕微鏡（以後STMと略す）が開発さ
れ［G.Binning et al.,Helvetica Physica Acta,55,726
（1982）］、単結晶，非晶質を問わず実空間像の高い分
解能の測定ができるようになった。しかも、電流による
損傷を媒体に与えることなく、低電力で観測できる利点
をも有し、さらに大気中でも動作し種々の材料に対して
用いることができるため、高範囲な応用が期待されてい
る。
かかるSTMは、金属の深針（プローブ電極）と導電性
物質（試料媒体）の間に電圧を加えて1nm程度の距離ま
で近づけるとトンネル電流が流れることを利用してい
る。この電流は両者の距離変化に非常に敏感であり、ト
ンネル電流を一定に保つように深針を走査することによ
り、実空間の表面構造を描くことができると同時に、表
面原子の全電子雲に関する種々の情報をも読み取ること
ができる。
このため、STMには床振動からの外乱、雰囲気の変化
による構造材の微少な変形を分解能以下に抑える除振装
置が不可欠である。
一般に、除振を行うためには、動吸収器におけるダン
パー要素によって振動エネルギーを消散させ、振動の低
減を図ることや、あるいは比較的大きな質量体を装置の
支持体，台等に用いることにより振動に対する抵抗を大
きくし、低い共振周波数を持たせる受動的な方法が行わ
れている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、STMを用い、プローブ電極を局所的に
走査させて試料媒体の局部の原子配列を観察する場合に
はそれほどでもないが、プローブ電極を試料媒体の比較
的広範囲に亘って長時間走査させて試料媒体の表面形状
を観察する場合、観察中に、STMを構成している部材や
測定される試料媒体の熱収縮あるいは熱膨張による温度
ドリフトの影響が顕著になり、測定精度が低下するとい
う問題点が生じる。
この温度ドリフトによる変動（Ｚ方向：走査面に対し
て垂直方向）は、最大で0.5μｍになることもある。
すなわち、本発明の目的とするところは、上述した従
来技術の問題点に鑑み、その代表的なものとして、プロ
ーブ電極を長時間走査することにより生じる温度ドリフ
トあるいは振動による影響を受けない、測定精度の高い
走査型トンネル電流検出装置及びトンネル電流の検出方
法を提供することにある。
また、長時間の使用に際しても測定誤差を殆んど生じ
ない走査型トンネル顕微鏡を提供することにある。
さらには、上述のような温度ドリフト，振動等による
変動を除去できる機構を適用した記録再生装置を提供す
ることにある。
［課題を解決するための手段及び作用］ 本発明の特徴とするところは、支持台に支持された少
なくとも２つのプローブ電極と、該プローブ電極に対し
て試料媒体を対向配置させる手段と、該プローブ電極と
該試料媒体との間に電圧を印加する手段とを具備した走
査型トンネル電流検出装置であって、前記プローブ電極
の、少なくとも１つに該プローブ電極の支持台と前記試
料媒体間の距離変動を計測し、該距離変動を補償する機
構を持たせ、他の少なくとも１つを電流検出用電極とす
る走査型トンネル電流検出装置にある。
また、前記距離変動の計測をする手段が、該距離変動
によって生じるトンネル電流の変化を検出する手段と
し、かかる距離変動を補償する機構を持たせた走査型ト
ンネル電流検出装置にも特徴がある。
さらに、本発明の特徴とするところは、支持台に支持
された少なくとも２つのプローブ電極と、該プローブ電
極に対して試料媒体を対向配置させる手段と、該プロー
ブ電極と該試料媒体との間に電圧を印加する手段とを具
備した走査型トンネル顕微鏡であって、前記プローブ電
極の、少なくとも１つに該プローブ電極の支持台と前記
試料媒体間の距離変動を計測し、該距離変動を補償する
機構を持たせ、他の少なくとも１つを試料観測用電極と
する走査型トンネル顕微鏡にある。
また、前記距離変動の計測をする手段が、該距離変動
によって生じるトンネル電流の変化を検知する段とし、
かかる距離変動を補償する機構を持たせた走査型トンネ
ル顕微鏡にも特徴がある。
さらなる特徴としては、支持台に支持された少なくと
も２つのプローブ電極と、該プローブ電極に対して記録
媒体を対向配置させる手段と、該プローブ電極と該記録
媒体との間に電圧を印加する手段と具備した記録再生装
置であって、前記プローブ電極の、少なくとも１つに該
プローブ電極の支持台と前記記録媒体間の距離変動を計
測し、該距離変動を補償する機構を持たせ、他の少なく
とも１つを記録再生用電極とする記録再生装置にある。
また、前記距離変動の計測をする手段が、該距離変動
によって生じるトンネル電流の変化を検知する手段と
し、かかる距離変動を補償する機構を持たせた記録再生
装置にも特徴がある。
すなわち、本発明の構成によれば、例えばSTMにおい
て、観測用とは別個に設けたプローブ電極（位置制御用
ティップ）と導電性試料媒体との間に流れるトンネル電
流の変化により、STMの構造材や測定される試料媒体の
温度ドリフトによる変動あるいは外部からの振動による
変動を検知し、この信号に基づいて変動補償用微動機構
を駆動するフィードバックサーボ回路を構成することで
かかる変動の補償が可能となるものである。
［実施例］ 以下、実施例を用いて本発明の各構成部について詳細
に説明する。
実施例１ 第１図に本発明の好ましい態様である変動補償機構を
有するSTMのブロック図を示す。尚、本実施例ではプロ
ーブ電極が２つの場合を示す。
装置全体は、比較的大きな質量を有する除振台101上
に載せられているため、外乱から受ける振動のうち高周
波成分を除くことができる。本発明の特徴とする位置制
御用ティップ（プローブ電極）109、及び観測用ティッ
プ（プローブ電極）111と導電性試料108との相対位置
は、面内（X,Y）方向はXYステージ102により、高さ
（Ｚ）方向は粗動機構103により任意に決めることがで
きる。104は103を駆動させるための駆動回路である。観
測用ティップ111は、観測用円筒ピエゾ素子112により、
トンネル電流を一定に保ったままで、面内方向の掃引が
可能であり、この際の観測用円筒ピエゾ素子112のＺ方
向の変動が導電性試料108の表面状態となる。また、電
流増幅器114は観測用ティップ111と導電性試料108の間
に流れるトンネル電流を増幅するものであり、サーボ回
路115は、観測用ティップ111の掃引においてトンネル電
流が一定になるように観測用円筒ピエゾ素子112をＺ方
向に駆動するものである。
さらに、観測用ティップ111を駆動する観測用円筒ピ
エゾ素子112は、ピエゾ素子支持部材（支持台）116を介
して位置制御用ティップ109を駆動する位置制御用ピエ
ゾ素子110と一体となっている。
観測用ティップ111で導電性試料108面内を掃引し、表
面観測を行っている間、位置制御用ティップ109は導電
性試料108の固定した場所のトンネル電流の測定を行
う。
外部から振動を加わればこのトンネル電流は、変化す
る。ここでこのトンネル電流を一定に保つように、位置
制御用サーボ回路106により、変動補償用微動機構105を
Ｚ方向に駆動し、導電性試料108を移動させ温度ドリフ
ト，振動による変動をキャンセルすることができる。
また、機械的な補正とは別に、マイクロコンピュータ
ー117によるデーター解析により、観測用ティップ111で
読み取った観測データーから位置制御用ティップ109で
読み取った変動分を差し引くことによる振動等の補正も
可能である。これらの手段により、観測用ティップ111
を用いた試料の掃引を行っている間、外部からの振動や
雰囲気の変化による構造材の微少な変形等の影響を受け
ない観測が可能となる。
なお、ここで位置制御用ピエゾ素子110は、位置制御
用ティップ109のＺ方向の位置を設定することにより振
動などを制御するために適当なトンネル電流の値を、導
電性試料の表面観測を行う前に設定するためのものであ
り、観測を行っている間は、最初に設定した駆動電圧に
保持されている。尚、上述各機器は、マイクロコンピュ
ーター117により中央制御されている。また118は表示装
置である。
ここで、以上のSTMを用いて観測するにあたり、位置
制御用ティップ109による試料の定点におけるトンネル
電流の測定によって、本発明の温度ドリフトや振動等に
対するフィードバック系を作動させた場合と作動させな
い場合についてそれぞれ10回観測を行った。そこで、平
均のばらつき程度を求め比較したところ、フィードバッ
ク系を作動させた場合の方が、温度ドリフトによる影響
を1/100以下にまで低減することができ、本発明の効果
を確認された。尚、ここではSTMとして用いたが、一般
的なトンネル電流の検出装置として用いることは可能で
ある。
実施例２ 次に別の実施例を示す。第２図に示すように１つの位
置制御用のティップ109、及び変動補償用微動機構105を
３対使用することにより導電性試料の観測前に試料面の
水平を出すことと、観測を行っている間はその水平を維
持することを可能にしたものである。
実施例１と同様に、この装置でグラファイト表面を観
測したところ良好なデーターが得られた。
実施例３ 本実施例では、変動補償機構を記録再生装置に適用し
た態様を第３図に示す。記録再生装置の構成は、基本的
には第１図で示したブロック図と同様であるが、前述試
料媒体108の替わりに、グラファイト108a上に部分的に
記録層108bを設けた記録媒体を使用した。かかる試料媒
体は、プローブ電極111の下に記録層が位置し、プロー
ブ電極109の下にはグラファイト面が位置するように配
置される。
記録層としては、スクアリリウム−ビス−６−オクチ
ルアズレンのLB膜（１層）を使用した。LB膜の形成法
は、特開昭63-161552号公報に開示の方法に従った。
かかる記録再生の実験を以下の通り行った。
プローブ電極109とグラファイト108aとの間に1.0Vの
プローブ電圧を印加し、かかるグラファイトの固定した
場所のプローブ電流Ipが10-9Ａになるように微動機構10
5を用いて、プローブ電極109とグラファイト108a表面と
の距離（Ｚ方向）を調整した。113は位置制御用のピエ
ゾ素子の駆動回路であり、107はティップ109と試料媒体
108との間に流れるトンネル電流を増幅するための電流
増幅器である。
次に、プローブ電極111を＋側，グラファイト108aを
一側にして、記録層108bが低抵抗状態（ON状態）に変化
する閾値電圧Vth ON以上の矩形パルス電圧（第４図に示
す）を印加し、ON状態を生じさせた。プローブ電極111
と記録層108bとの距離（Ｚ方向）を保持したまま、プロ
ーブ電極111とグラファイト108aとの間に1.0Vのプロー
ブ電圧を印加して、プローブ電流Ipを測定したところ、
0.5mA程度の電流が流れ、ON状態となっていることが確
かめられた。
次に、プローブ電圧を、記録層がON状態からOFF状態
に変化する閾値電圧Vth OFF以上の10Vに設定し、再び記
録位置に印加した結果、記録状態が消去されOFF状態に
遷移したことも確認した。
以上の記録再生実験において、プローブ電極109とグ
ラファイト表面との間に流れるトンネル電流を測定し、
このトンネル電流が一定となるように位置制御用サーボ
回路106により、変動補償用微動機構105を駆動させるこ
とで、温度ドリフト，振動等による変動をキャンセルす
ることができた。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の熱ドリフトによる変
動、振動による変動を除去する機構を備えた装置によれ
ば、例えばSTMの観測において、オングストロームオー
ダーの振動や、温度変化によるSTMの構造材及び測定さ
れる試料媒体の微少な変形による影響を除くことが可能
である。
また、本発明の装置は、トンネル電流を検知する装置
であるなら、トンネル顕微鏡、トンネル電流を用いた記
録再生装置等に限らず、その他にも好ましく用いること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の変動補償機構を有するSTMを図解的
に示すブロック図である。 第２図は、本発明の実施例２を説明する試料媒体に視点
を置いた斜視図である。 第３図は、本発明の変動補償機構を有する記録再生装置
を図解的に示すブロック図である。 第４図は、実施例３で用いた矩形パルス電圧を示す図で
ある。 101……除振台、102……XYステージ 103……粗動機構、104……粗動駆動回路 105……変動補償用微動機構、106……位置制御用サーボ
回路 107……位置制御用電流増幅器、108……導電性試料 108a……グラファイト、108b……記録層 109……位置制御用ティップ（プローブ電極）、110……
位置制御用ピエゾ素子 111……観測用ティップ（プローブ電極）、112……観測
用円筒ピエゾ素子 113……位置制御用ピエゾ駆動回路 114……観測用電流増幅器、115……観測用サーボ回路 116……ピエゾ素子支持部材（支持台） 117……マイクロコンピューター、118……表示装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−25702（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−147317（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−216001（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−206202（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 37/00 G01B 7/34 G01B 9/00 H01J 37/28 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】支持台に支持された少なくとも２つのプロ
    ーブ電極と、該プローブ電極に対して試料媒体を対向配
    置させる手段と、該プローブ電極と該試料媒体との間に
    電圧を印加する手段とを具備した走査型トンネル電流検
    出装置であって、前記プローブ電極の、少なくとも１つ
    に該プローブ電極の支持台と前記試料媒体間の距離変動
    を計測し、該距離変動を補償する機構を持たせ、他の少
    なくとも１つを電流検出用電極とすることを特徴とする
    走査型トンネル電流検出装置。
  2. 【請求項２】前記距離変動の計測手段が、該距離変動に
    よって生じるトンネル電流の変化により検出する手段で
    あることを特徴とする請求項１記載の走査型トンネル電
    流検出装置。
  3. 【請求項３】支持台に支持された少なくとも２つのプロ
    ーブ電極と、該プローブ電極に対して試料媒体を対向配
    置させる手段と、該プローブ電極と該試料媒体との間に
    電圧を印加する手段とを具備した走査型トンネル顕微鏡
    であって、前記プローブ電極の、少なくとも１つに該プ
    ローブ電極の支持台と前記試料媒体間の距離変動を計測
    し、該距離変動を補償する機構を持たせ、他の少なくと
    も１つを試料観測用電極とすることを特徴とする走査型
    トンネル顕微鏡。
  4. 【請求項４】前記距離変動の計測手段が、該距離変動に
    よって生じるトンネル電流の変化により検出する手段で
    あることを特徴とする請求項３記載の走査型トンネル顕
    微鏡。
  5. 【請求項５】支持台に支持された少なくとも２つのプロ
    ーブ電極と、該プローブ電極に対して記録媒体を対向配
    置させる手段と、該プローブ電極と該記録媒体との間に
    電圧を印加する手段とを具備した記録再生装置であっ
    て、前記プローブ電極の、少なくとも１つに該プローブ
    電極の支持台と前記記録媒体間の距離変動を計測し、該
    距離変動を補償する機構を持たせ、他の少なくとも１つ
    を記録再生用電極とすることを特徴とする記録再生装
    置。
  6. 【請求項６】前記距離変動の計測手段が、該距離変動に
    よって生じるトンネル電流の変化により検出する手段で
    あることを特徴とする請求項５記載の記録再生装置。
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