JP3010225B2 - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡Info
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- JP3010225B2 JP3010225B2 JP4015519A JP1551992A JP3010225B2 JP 3010225 B2 JP3010225 B2 JP 3010225B2 JP 4015519 A JP4015519 A JP 4015519A JP 1551992 A JP1551992 A JP 1551992A JP 3010225 B2 JP3010225 B2 JP 3010225B2
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- Japan
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- sample
- motor
- tip
- scanning
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、観察すべき試料の表面
とその表面に相対向する探針との間に流れるトンネル電
流を測定することにより、試料表面の状態を観察する走
査型トンネル顕微鏡に関するものである。
とその表面に相対向する探針との間に流れるトンネル電
流を測定することにより、試料表面の状態を観察する走
査型トンネル顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、試料表面の状態を観察する手段と
しては、実空間での状態をそのまま観測できる走査型ト
ンネル顕微鏡が注目されている。これは、ジー・ビニッ
ヒ（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ）とエッチ・ローラ（Ｈ．Ｒｏｈ
ｒｅｒ）の考案になるもので、探針と試料の間に流れる
トンネル電流を用いて試料の表面形状の測定を行なうも
のである（フィジカル・レビュー・レター・第４９号・
５７頁・１９８２年＝Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ．ａｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９．Ｐ５７．１９８２
およびＵ．Ｓ．Ｐ４３４３９９３参照）。
しては、実空間での状態をそのまま観測できる走査型ト
ンネル顕微鏡が注目されている。これは、ジー・ビニッ
ヒ（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ）とエッチ・ローラ（Ｈ．Ｒｏｈ
ｒｅｒ）の考案になるもので、探針と試料の間に流れる
トンネル電流を用いて試料の表面形状の測定を行なうも
のである（フィジカル・レビュー・レター・第４９号・
５７頁・１９８２年＝Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ．ａｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９．Ｐ５７．１９８２
およびＵ．Ｓ．Ｐ４３４３９９３参照）。
【０００３】以下、従来の走査型トンネル顕微鏡につい
て図３を参照して説明する。図３において、１は基台で
あり、その上に架設台２が設けられている。架設台２の
上部水平部の先端部下側には、試料台３が設けられ、こ
の試料台３に試料４が取り付けられている。５は探針で
あり、探針保持台６の上部に垂直に保持されている。
７，８，９は探針保持台６の側部および下部に一端が互
いに直角に交差するように接合された微動機能を構成す
る圧電素子である。Ｘ，Ｙ方向の圧電素子７，８の他端
は、それぞれ基台１に垂直に立設された架設台１０，１
１に接合され、Ｚ方向の圧電素子９の他端は、基台１に
接合されている。これらの部材は、真空容器１２内に収
容され、図示されない除振機構に支持されている。
て図３を参照して説明する。図３において、１は基台で
あり、その上に架設台２が設けられている。架設台２の
上部水平部の先端部下側には、試料台３が設けられ、こ
の試料台３に試料４が取り付けられている。５は探針で
あり、探針保持台６の上部に垂直に保持されている。
７，８，９は探針保持台６の側部および下部に一端が互
いに直角に交差するように接合された微動機能を構成す
る圧電素子である。Ｘ，Ｙ方向の圧電素子７，８の他端
は、それぞれ基台１に垂直に立設された架設台１０，１
１に接合され、Ｚ方向の圧電素子９の他端は、基台１に
接合されている。これらの部材は、真空容器１２内に収
容され、図示されない除振機構に支持されている。
【０００４】次に、以上のように構成された走査型トン
ネル型顕微鏡の動作について説明する。まず、図示され
ない粗動機構により試料４と探針５との間の距離を近づ
ける。次に、駆動回路１３でＸ，Ｙ方向の圧電素子７，
８を駆動することにより、探針５で試料４の表面を試料
４に平行なＸ，Ｙ方向に走査させる。この時、検出手段
１５により検出される探針５と試料４の間に流れるトン
ネル電流が一定の値になるように、制御回路１４が駆動
回路１３を介してＺ方向の圧電素子９の駆動を制御す
る。このトンネル電流の値は、探針５と試料４の間の距
離の変化に対して敏感に変化するため、試料４の表面の
微細な凹凸の変化を電流の大きな変化として観測するこ
とができ、これをコンピュータにより画像化処理して、
試料４の表面構造を得る。
ネル型顕微鏡の動作について説明する。まず、図示され
ない粗動機構により試料４と探針５との間の距離を近づ
ける。次に、駆動回路１３でＸ，Ｙ方向の圧電素子７，
８を駆動することにより、探針５で試料４の表面を試料
４に平行なＸ，Ｙ方向に走査させる。この時、検出手段
１５により検出される探針５と試料４の間に流れるトン
ネル電流が一定の値になるように、制御回路１４が駆動
回路１３を介してＺ方向の圧電素子９の駆動を制御す
る。このトンネル電流の値は、探針５と試料４の間の距
離の変化に対して敏感に変化するため、試料４の表面の
微細な凹凸の変化を電流の大きな変化として観測するこ
とができ、これをコンピュータにより画像化処理して、
試料４の表面構造を得る。
【０００５】図２は探針５の先端と試料４の表面部分を
拡大して示したもので、探針５と試料４との間に流れる
トンネル電流は、探針５の先端のうちで最も試料に近い
部分を通って流れる。そのため、走査型トンネル顕微鏡
において試料表面の凹凸を原子分解能で測定するために
は、探針５の先端の最も試料表面に近い部分が原子レベ
ルで尖っている必要がある。
拡大して示したもので、探針５と試料４との間に流れる
トンネル電流は、探針５の先端のうちで最も試料に近い
部分を通って流れる。そのため、走査型トンネル顕微鏡
において試料表面の凹凸を原子分解能で測定するために
は、探針５の先端の最も試料表面に近い部分が原子レベ
ルで尖っている必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の走査型トンネル顕微鏡では、探針先端の形状が実際
にはどのような形状になっているか分からないため、探
針先端のどのような部分が試料表面に対向しているかが
分からず、探針先端中で試料表面とトンネリングを起こ
す部分は、探針５を探針保持台６に挿着した時点で決ま
ってしまう。このため、その先端部分の試料４の表面に
最も近接した部分が、図２の（ｂ）に示すように尖った
部分であればよいが、（ａ）に示すように曲率半径の大
きい部分であれば、分解能の高い像を得ることができ
ず、高分解能の像を得るためには探針を交換しなければ
ならないという問題があった。走査型トンネル顕微鏡に
おいて原子分解能で表面の凹凸を観測する場合は、装置
を超高真空容器内に置いて行なう場合が多く、超高真空
容器内で探針を交換することは、非常に手間のかかる作
業であった。
来の走査型トンネル顕微鏡では、探針先端の形状が実際
にはどのような形状になっているか分からないため、探
針先端のどのような部分が試料表面に対向しているかが
分からず、探針先端中で試料表面とトンネリングを起こ
す部分は、探針５を探針保持台６に挿着した時点で決ま
ってしまう。このため、その先端部分の試料４の表面に
最も近接した部分が、図２の（ｂ）に示すように尖った
部分であればよいが、（ａ）に示すように曲率半径の大
きい部分であれば、分解能の高い像を得ることができ
ず、高分解能の像を得るためには探針を交換しなければ
ならないという問題があった。走査型トンネル顕微鏡に
おいて原子分解能で表面の凹凸を観測する場合は、装置
を超高真空容器内に置いて行なう場合が多く、超高真空
容器内で探針を交換することは、非常に手間のかかる作
業であった。
【０００７】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、探針先端の最も条件の良い部分を選択し
て測定することのできる走査型トンネル顕微鏡を提供す
ることを目的とする。
るものであり、探針先端の最も条件の良い部分を選択し
て測定することのできる走査型トンネル顕微鏡を提供す
ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、探針を任意の角度に傾斜させたり、回転
させることのできる探針保持機構を備えたものである。
成するために、探針を任意の角度に傾斜させたり、回転
させることのできる探針保持機構を備えたものである。
【０００９】
【作用】本発明は、上記構成によって、探針先端におい
て最も曲率半径が小さい部分を試料表面に最も接近させ
ることができ、より高分解能の凹凸像を得ることができ
る。
て最も曲率半径が小さい部分を試料表面に最も接近させ
ることができ、より高分解能の凹凸像を得ることができ
る。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。図１は本発明の一実施例における
走査型トンネル顕微鏡の探針保持機構を示す要部斜視図
である。図１において、１０１は探針、１０２は探針１
０１を挿入して固定するためのスリーブ、１０３はスリ
ーブ１０２を回転させるモータ、１０４，１０５はスリ
ーブ１０２を回転可能に保持して円板１０６に固定する
ためのブラケット、１０６は探針保持台１０７に中心部
を回転可能に保持された円板、１０８は円板１０６を回
転させるモータである。１０９，１１０，１１１はそれ
ぞれ探針保持台１０７に一端を接合された圧電素子であ
る。
照しながら説明する。図１は本発明の一実施例における
走査型トンネル顕微鏡の探針保持機構を示す要部斜視図
である。図１において、１０１は探針、１０２は探針１
０１を挿入して固定するためのスリーブ、１０３はスリ
ーブ１０２を回転させるモータ、１０４，１０５はスリ
ーブ１０２を回転可能に保持して円板１０６に固定する
ためのブラケット、１０６は探針保持台１０７に中心部
を回転可能に保持された円板、１０８は円板１０６を回
転させるモータである。１０９，１１０，１１１はそれ
ぞれ探針保持台１０７に一端を接合された圧電素子であ
る。
【００１１】次に、上記実施例の動作について説明す
る。探針１０１をスリーブ１０２に挿入した時点では、
探針１０１の先端において原子レベルで最も鋭い部分が
試料表面に接近しているとは限らないので、まず探針１
０１が試料表面に対して垂直になるように、円板１０６
をモータ１０８により回転させて探針１０１の向きを調
整する。その後、圧電素子１１１に電圧を印加して探針
１０１を試料表面から１ｎｍ程度接近した位置まで近づ
け、測定のための走査を行なう。このとき、何回か走査
を行なっても、得ようとする高い分解能が得られない場
合、モータ１０３またはモータ１０８を回転させて、探
針１０１を回転させながら傾斜させる。ここで、探針が
図２（ａ）のような形状をしていたと仮定する。モータ
１０８の回転が紙面に垂直であれば、モータ１０８の回
転と測定の操作を繰り返すことにより図２（ｂ）のよう
に探針の最も曲率半径の小さい部分を選択でき、より高
分解能の凹凸像が得られる。また、モータ１０８の回転
軸が図２の面内であった場合、モータ１０８の回転のみ
では探針の曲率半径が最も小さい部分を選択できないの
でモータ１０３を回転させ、モータ１０８の回転軸が図
２の紙面に垂直になるようにする。実際は、原子レベル
の探針形状が不明であるため、モータ１０３とモータ１
０８の双方を操作しながら測定を行ない、なるべく高い
分解能が得られるようにする。
る。探針１０１をスリーブ１０２に挿入した時点では、
探針１０１の先端において原子レベルで最も鋭い部分が
試料表面に接近しているとは限らないので、まず探針１
０１が試料表面に対して垂直になるように、円板１０６
をモータ１０８により回転させて探針１０１の向きを調
整する。その後、圧電素子１１１に電圧を印加して探針
１０１を試料表面から１ｎｍ程度接近した位置まで近づ
け、測定のための走査を行なう。このとき、何回か走査
を行なっても、得ようとする高い分解能が得られない場
合、モータ１０３またはモータ１０８を回転させて、探
針１０１を回転させながら傾斜させる。ここで、探針が
図２（ａ）のような形状をしていたと仮定する。モータ
１０８の回転が紙面に垂直であれば、モータ１０８の回
転と測定の操作を繰り返すことにより図２（ｂ）のよう
に探針の最も曲率半径の小さい部分を選択でき、より高
分解能の凹凸像が得られる。また、モータ１０８の回転
軸が図２の面内であった場合、モータ１０８の回転のみ
では探針の曲率半径が最も小さい部分を選択できないの
でモータ１０３を回転させ、モータ１０８の回転軸が図
２の紙面に垂直になるようにする。実際は、原子レベル
の探針形状が不明であるため、モータ１０３とモータ１
０８の双方を操作しながら測定を行ない、なるべく高い
分解能が得られるようにする。
【００１２】上記実施例では、理解を容易にするために
スリーブ１０２を保持する円板１０６およびモータ１０
３を探針保持台１０７の外側に配置してあるが、これら
を箱形に形成した探針保持台の内部に収容することが、
測定精度を向上させる上で好ましい。また、探針を球関
接継手やピボット軸受で保持して３６０度方向に傾動さ
せるように構成してもよい。
スリーブ１０２を保持する円板１０６およびモータ１０
３を探針保持台１０７の外側に配置してあるが、これら
を箱形に形成した探針保持台の内部に収容することが、
測定精度を向上させる上で好ましい。また、探針を球関
接継手やピボット軸受で保持して３６０度方向に傾動さ
せるように構成してもよい。
【００１３】
【発明の効果】以上のように、本発明は、試料表面に対
する探針の角度を変化させたり回転させる探針保持機構
を設けることにより、探針を交換することなく、高分解
能の凹凸像を得る優れた走査型トンネル顕微鏡を実現で
きるものである。
する探針の角度を変化させたり回転させる探針保持機構
を設けることにより、探針を交換することなく、高分解
能の凹凸像を得る優れた走査型トンネル顕微鏡を実現で
きるものである。
【図１】本発明の一実施例における走査型トンネル顕微
鏡の探針保持機構を示す要部斜視図
鏡の探針保持機構を示す要部斜視図
【図２】走査型トンネル顕微鏡における探針先端と試料
表面の拡大断面図
表面の拡大断面図
【図３】従来の走査型トンネル顕微鏡の概略構成図
１０１ 探針 １０２ スリーブ １０３ モータ １０４，１０５ ブラケット １０６ 円板 １０７ 探針保持台 １０８ モータ １０９，１１０，１１１ 圧電素子
Claims (1)
- 【請求項１】 探針の先端部分の最も曲率半径の小さい
部分を検出すべく、試料表面に対する探針の角度を任意
に変化させる探針保持機構と、探針をその軸を中心に回
転させる機構とを備えた走査型トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4015519A JP3010225B2 (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4015519A JP3010225B2 (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05209712A JPH05209712A (ja) | 1993-08-20 |
| JP3010225B2 true JP3010225B2 (ja) | 2000-02-21 |
Family
ID=11891066
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4015519A Expired - Fee Related JP3010225B2 (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3010225B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3387846B2 (ja) * | 1999-03-04 | 2003-03-17 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
-
1992
- 1992-01-30 JP JP4015519A patent/JP3010225B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05209712A (ja) | 1993-08-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |