JP3029504B2 - Scanning tunnel microscope and information recording / reproducing device - Google Patents

Scanning tunnel microscope and information recording / reproducing device

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JP3029504B2
JP3029504B2 JP4156965A JP15696592A JP3029504B2 JP 3029504 B2 JP3029504 B2 JP 3029504B2 JP 4156965 A JP4156965 A JP 4156965A JP 15696592 A JP15696592 A JP 15696592A JP 3029504 B2 JP3029504 B2 JP 3029504B2
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清 瀧本
一佐哲 河出
秀行 河岸
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
および情報記録再生装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning tunneling microscope and an information recording / reproducing apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(STM)は、電
子のトンネル現象を利用して試料の表面形状および電子
状態の混在情報を電子オーダーの分解能で検出できる装
置である。また、走査型トンネル顕微鏡は、顕微鏡とし
ての用途のほかに、情報記録再生装置などへの応用が可
能である。
2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (STM) is a device capable of detecting mixed information of a surface shape and an electronic state of a sample at a resolution of an electronic order by utilizing electron tunneling. The scanning tunnel microscope can be applied to an information recording / reproducing device and the like in addition to the use as a microscope.

【0003】走査型トンネル顕微鏡では、試料の表面形
状および電子状態を示す画像(STM画像)を得る方法
として、以下に示す4つのモードがある。
The scanning tunneling microscope has the following four modes for obtaining an image (STM image) showing the surface shape and electronic state of a sample.

【0004】(1)定電流モード 試料の表面のトポグラフを得るためのモードであり、先
端の尖った探針と試料との間に所定のバイアス電圧Vを
印加した状態で、探針と試料の表面との間の距離zを数
nm以下にしたときに発生するトンネル電流Jt を検出
し、トンネル電流Jt が一定となるように距離zをフィ
ードバック制御したときのフィードバック量(トポ信号
T)を用いて、試料の表面のトポグラフを得る(G. Binn
ig et al., Phys. Rev. Lett., 49, 57, 1982) 。
(1) Constant current mode This is a mode for obtaining a topograph of the surface of a sample. In this state, a predetermined bias voltage V is applied between the probe having a sharp tip and the sample. detecting a tunnel current J t which occurs when the distance z between the surface within several nm, the feedback amount when the feedback control of the distance z to the tunnel current J t is constant (topo signal T) Obtain a topograph of the surface of the sample using (G. Binn
ig et al., Phys. Rev. Lett., 49, 57, 1982).

【0005】(2)可変電流モード 原始スケールかそれ以下の凹凸しかないほとんど平坦な
試料の表面のトポグラフを得るためのモードであり、先
端の尖った探針と試料の表面との間に所定のバイアス電
圧Vを印加した状態で、探針と試料の表面との間の距離
zを数nm以下にして、探針を高速度で走査したときに
発生するトンネル電流Jt を検出して、トンネル電流J
t の変化を距離変化に変換して、ほとんど平坦な試料の
表面のトポグラフを得る。なお、トンネル電流Jt は、
距離zに対して指数関数的に変化するため、実際には、
トンネル電流Jt の対数値(カレント信号)log
(Jt)を用いて、ほとんど平坦な試料の表面のトポグラ
フを得る。
(2) Variable current mode This is a mode for obtaining a topography of an almost flat surface of a sample having only irregularities of a primitive scale or less, and a predetermined current between a probe having a sharp tip and the surface of the sample. while applying a bias voltage V, and the distance z between the probe and the sample surface less than several nm, by detecting the tunnel current J t which occurs when scanning the probe at a high speed, the tunnel Current J
The change in t is converted to a change in distance to obtain a topograph of the almost flat sample surface. Note that the tunnel current J t is
Since it changes exponentially with distance z, in practice,
Logarithm of the tunnel current J t (current signal) log
Using (J t ), a topograph of the almost flat sample surface is obtained.

【0006】(3)バリアハイトモード(電流距離微分
モード) トンネル障壁の高さ(仕事関数)の試料面内分布を原始
の尺度で得るモードであり、前述した定電流モードにお
けるトンネル電流Jt を距離zを変化させて複数回行
い、トンネル電流Jt を距離zで微分して、トンネル障
壁の高さの試料面内分布を原始の尺度で得る。なお、ト
ンネル電流Jt は、距離zに対して指数関数的に変化す
るため、実際には、トンネル電流Jt の対数値(カレン
ト信号)log(Jt) を距離zで微分した値(トンネル
バリアハイト信号)log(Jt)/dz を用いて、トン
ネル障壁の高さの試料面内分布を原始の尺度で得る。
[0006] (3) a barrier height mode (current distance differential mode) of the tunnel barrier height is a mode to obtain a primitive measure the sample plane distribution of the (work function), the tunnel current J t in the constant current mode described above the distance z is varied performed a plurality of times, by differentiating the tunnel current J t at distance z, obtaining a height sample plane distribution of the tunneling barrier in the primitive scale. Incidentally, the tunnel current J t in order to vary exponentially with the distance z, in fact, a tunnel current logarithm of J t (current signal) log (J t) value obtained by differentiating at a distance z (Tunnel Using the barrier height signal) log (J t ) / dz, the in-plane distribution of the tunnel barrier height is obtained on a primitive scale.

【0007】(4)微分コンダクタンスモード 電子やフォノンの状態密度の試料面内分布を原始の尺度
で得るモードであり、前述した定電流モードにおけるト
ンネル電流Jt をバイアス電圧Vを変化させて複数回行
い、トンネル電流Jt をバイアス電圧Vで微分した値
(微分コンダクタンス信号)dJt/dV を用いて、電
子やフォノンの状態密度の試料面内分布を原始の尺度で
得る。
[0007] (4) a mode of obtaining a sample plane distribution of the density of states of differential conductance mode electrons and phonons primitive scale, multiple times by changing the bias voltage V a tunnel current J t in the constant current mode described above Then, using the value (differential conductance signal) dJ t / dV obtained by differentiating the tunnel current J t with the bias voltage V, the distribution of states of states of electrons and phonons in the sample plane is obtained on a primitive scale.

【0008】図13は、走査型トンネル顕微鏡の第1の
従来例を示すブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing a first conventional example of a scanning tunneling microscope.

【0009】走査型トンネル顕微鏡100 は、試料1の表
面と垂直方向(同図図示Z軸方向)に探針101 を高周波
で微動させながら探針101 を試料1の表面に沿って走査
させたときに探針101 と試料1の表面との間の相互作用
により生じるトンネル電流J t を検出して、上記(1)
で示したトポ信号Tと、上記(2)で示したカレント信
号log(Jt) と、上記(3)で示したトンネルバリア
ハイト信号log(Jt)/dz とを同時に得るものであ
り(IBM, J. Res. Develop., 30, 355, 1986、または、P
hys. Rev. Leyy., 60(12), 1166, 1988) 、先端の尖っ
た探針101 と、探針微動制御機構102 と、バイアス電圧
発生回路103 と、電流電圧変換回路104と、対数回路105
と、サーボ信号発生回路106 と、Z変調信号発生回路1
07 と、加算器108 と、増幅器109 と、ロックインアン
プなどからなるトンネルバリアハイト信号発生回路110
とを含む。
The scanning tunneling microscope 100 has a table 1
The probe 101 is driven at a high frequency in the direction perpendicular to the surface (the Z-axis direction
The probe 101 is scanned along the surface of the sample 1 while slightly moving
Interaction between probe 101 and sample 1 surface
Tunnel current J caused by t (1)
And the current signal shown in (2) above.
No. log (Jt) And the tunnel barrier shown in (3) above
Height signal log (Jt) / Dz
(IBM, J. Res. Develop., 30, 355, 1986, or P
hys. Rev. Leyy., 60 (12), 1166, 1988)
Probe 101, probe fine movement control mechanism 102, bias voltage
Generation circuit 103, current-voltage conversion circuit 104, logarithmic circuit 105
 , Servo signal generation circuit 106, and Z modulation signal generation circuit 1
07, adder 108, amplifier 109, lock-in
Tunnel barrier height signal generation circuit 110
And

【0010】ここで、電流電圧変換回路104 と対数回路
105 とは、探針101 と試料1の表面との間の相互作用に
より生じるトンネル電流Jt を検出するとともに、検出
したトンネル電流Jt に応じたカレント信号log
(Jt) を発生する。探針微動制御機構102 は、同図図示
Z軸方向に探針101 を移動させる。サーボ信号発生回路
106 は、カレント信号log(Jt) に応じて探針微動制
御機構102 を駆動するサーボ信号Sを発生するととも
に、発生したサーボ信号Sに応じたトポ信号Tを発生す
る。Z変調信号発生回路107 は、同図図示Z軸方向に探
針101 を高周波で微動させるZ変調信号Mz を発生する
とともに、Z変調信号Mz に応じた参照信号R z を発生
する。トンネルバリアハイト信号発生回路110 は、カレ
ント信号log(Jt) と参照信号Rz とからトンネルバ
リアハイト信号log(Jt)/dz を発生する。
Here, the current-voltage conversion circuit 104 and the logarithmic circuit
105 refers to the interaction between tip 101 and the surface of sample 1.
Resulting tunnel current Jt Detect and detect
Tunnel current Jt Current signal log according to
(Jt). The probe fine movement control mechanism 102 is
The probe 101 is moved in the Z-axis direction. Servo signal generation circuit
106 is the current signal log (Jt)
When a servo signal S for driving the control mechanism 102 is generated,
Generates a topo signal T corresponding to the generated servo signal S.
You. The Z-modulation signal generation circuit 107 searches in the Z-axis direction shown in FIG.
Z modulation signal M for finely moving needle 101 at high frequencyz Generate
Together with the Z-modulated signal Mz Reference signal R according to z Occurs
I do. The tunnel barrier height signal generation circuit 110
Event signal log (Jt) And the reference signal Rz And from the tunnel bar
Rear height signal log (Jt) / Dz.

【0011】次に、走査型トンネル顕微鏡100 を用いて
トポ信号Tとトンネルバリアハイト信号log(Jt)/
dz とを同時に得て、試料1の表面のトポグラフを得
るとともに、トンネル障壁の高さの試料面内分布を原始
の尺度で得るときの動作について説明する。
Next, using the scanning tunneling microscope 100, the topo signal T and the tunnel barrier height signal log (J t ) /
The operation of obtaining the topography of the surface of the sample 1 by simultaneously obtaining dz and dz and obtaining the in-plane distribution of the height of the tunnel barrier on the sample plane will be described.

【0012】バイアス電圧発生回路103 から所定のバイ
アス電圧Vが探針101 と試料1の表面との間に印加され
たのち、探針101 と試料1との間の距離zが数nm以下
の所定値となるように探針微動制御機構102 により探針
101 が同図図示Z軸方向に移動される。このとき、探針
101 と試料1の表面との間に流れるトンネル電流Jt
電流電圧変換回路104 に入力されて、トンネル電圧Vt
に変換される。トンネル電圧Vt は、対数回路105 に入
力されて、その対数値が求められることにより、カレン
ト信号log(Jt) が発生される。カレント信号log
(Jt) は、サーボ信号発生回路106 に入力されて、カレ
ント信号log(Jt) (すなわち、トンネル電流Jt
が一定となるように距離zをフィードバック制御するた
めのサーボ信号Sが発生されるとともに、サーボ信号S
に応じたトポ信号Tが発生される。サーボ信号Sは、加
算器108 に入力されて、Z変調信号発生回路107 により
発生されたZ変調信号MZ と加算されたのち、増幅器10
9 により増幅されてZ軸制御信号CZ に変換されて、探
針微動制御機構102 に入力される。これにより、トンネ
ル電流Jt が一定となるように距離zがフィードバック
制御されるとともに、距離zがZ変調信号MZ に応じて
変化される。
After a predetermined bias voltage V is applied between the probe 101 and the surface of the sample 1 from the bias voltage generating circuit 103, the distance z between the probe 101 and the sample 1 is less than several nm. The probe is adjusted by the probe fine movement control mechanism 102
101 is moved in the Z-axis direction shown in FIG. At this time, the probe
101 and the tunnel current J t flowing between the sample 1 surface is input to the current-voltage conversion circuit 104, the tunnel voltage V t
Is converted to Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 105, by its logarithm is obtained, the current signal log (J t) are generated. Current signal log
(J t ) is input to the servo signal generation circuit 106, and the current signal log (J t ) (that is, the tunnel current J t )
And a servo signal S for performing feedback control of the distance z so that
Is generated. Servo signal S is input to the adder 108, after being added to the generated Z modulation signal M Z by Z modulation signal generating circuit 107, the amplifier 10
9 is converted to a Z-axis control signal C Z and input to the probe fine movement control mechanism 102. Thus, the distance z to the tunnel current J t becomes constant is feedback controlled, the distance z is changed according to the Z modulation signal M Z.

【0013】その後、所定のバイアス電圧Vが探針101
と試料1の表面との間に印加された状態で、探針微動制
御機構102 により探針101 が同図図示X軸方向に走査さ
れる。このとき、各測定ポイントにおいて、Z変調信号
発生回路107 から出力される参照信号RZ とカレント信
号log(Jt) とがトンネルバリアハイト信号発生回路
110 にそれぞれ入力され、カレント信号log(Jt) の
距離zに関する微分成分が検出されることにより、トン
ネルバリアハイト信号log(Jt)/dz が発生され
る。
Thereafter, a predetermined bias voltage V is applied to the probe 101.
The probe 101 is scanned by the probe fine movement control mechanism 102 in the X-axis direction shown in FIG. At this time, at each measurement point, the reference signal R Z output from the Z modulation signal generation circuit 107 and the current signal log (J t ) are compared with the tunnel barrier height signal generation circuit.
110 are input to, by differentiating components on the distance z of the current signal log (J t) is detected, the tunnel barrier height signal log (J t) / dz is generated.

【0014】その結果、サーボ信号発生回路106 により
発生されたトポ信号Tに基づいて試料1の表面のトポグ
ラフを得ることができるとともに、トンネルバリアハイ
ト信号発生回路110 により発生されたトンネルバリアハ
イト信号log(Jt)/dzに基づいてトンネル障壁の
高さの試料面内分布を原始の尺度で得ることができる。
As a result, a topograph of the surface of the sample 1 can be obtained based on the topographic signal T generated by the servo signal generating circuit 106, and the tunnel barrier height signal log generated by the tunnel barrier height signal generating circuit 110 can be obtained. Based on (J t ) / dz, the in-plane distribution of the height of the tunnel barrier can be obtained on a primitive scale.

【0015】次に、走査型トンネル顕微鏡100 を用いて
カレント信号log(Jt) とトンネルバリアハイト信号
log(Jt)/dz とを同時に得て、ほとんど平坦な試
料1の表面のトポグラフを得るとともに、トンネル障壁
の高さの試料面内分布を原始の尺度で得るときの動作に
ついて説明する。
Next, the current signal log (J t ) and the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz are simultaneously obtained by using the scanning tunneling microscope 100, and an almost flat topography of the surface of the sample 1 is obtained. At the same time, the operation of obtaining the in-plane distribution of the height of the tunnel barrier on a primitive scale will be described.

【0016】バイアス電圧発生回路103 から所定のバイ
アス電圧Vが探針101 と試料1の表面との間に印加され
たのち、探針101 と試料1の表面との間の距離zが数n
m以下の所定値となるように探針微動制御機構102 によ
り探針101 が同図図示Z軸方向に移動される。このと
き、探針101 と試料1との間に流れるトンネル電流Jt
が電流電圧変換回路104 に入力されて、トンネル電圧V
t に変換される。トンネル電圧Vt は、対数回路105 に
入力されて、その対数値が求められることにより、カレ
ント信号log(Jt) が発生される。カレント信号lo
g(Jt) はサーボ信号発生回路106 に入力されるが、こ
の場合には、距離zをフィードバック制御しないため、
サーボ信号発生回路106 から出力されるサーボ信号Sは
所定の値に保持されたままである。サーボ信号Sは、加
算器108 に入力されて、Z変調信号発生回路107 により
発生されたZ変調信号MZ と加算されたのち、増幅器10
9 により増幅されてZ軸制御信号CZ に変換されて、探
針微動制御機構102 に入力される。これにより、距離z
は、Z変調信号MZ に応じてのみ変化される。
After a predetermined bias voltage V is applied between the probe 101 and the surface of the sample 1 from the bias voltage generating circuit 103, the distance z between the probe 101 and the surface of the sample 1 becomes several n.
The probe 101 is moved by the probe fine movement control mechanism 102 in the Z-axis direction shown in FIG. At this time, a tunnel current J t flowing between the probe 101 and the sample 1 is obtained.
Is input to the current-voltage conversion circuit 104, and the tunnel voltage V
Converted to t . Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 105, by its logarithm is obtained, the current signal log (J t) are generated. Current signal lo
g (J t ) is input to the servo signal generation circuit 106. In this case, since the distance z is not feedback-controlled,
The servo signal S output from the servo signal generation circuit 106 is kept at a predetermined value. Servo signal S is input to the adder 108, after being added to the generated Z modulation signal M Z by Z modulation signal generating circuit 107, the amplifier 10
9 is converted to a Z-axis control signal C Z and input to the probe fine movement control mechanism 102. This gives the distance z
Is changed only according to the Z modulation signal M Z.

【0017】その後、所定のバイアス電圧Vが探針101
と試料1の表面との間に印加された状態で、探針微動制
御機構102 により探針101 が同図図示X軸方向に走査さ
れる。このとき、各測定ポイントにおいて、Z変調信号
発生回路107 から出力される参照信号RZ とカレント信
号log(Jt) とがトンネルバリアハイト信号発生回路
110 にそれぞれ入力され、カレント信号log(Jt) の
距離zに関する微分成分が検出されることにより、トン
ネルバリアハイト信号log(Jt)/dz が発生され
る。
Thereafter, a predetermined bias voltage V is applied to the probe 101.
The probe 101 is scanned by the probe fine movement control mechanism 102 in the X-axis direction shown in FIG. At this time, at each measurement point, the reference signal R Z output from the Z modulation signal generation circuit 107 and the current signal log (J t ) are compared with the tunnel barrier height signal generation circuit.
110 are input to, by differentiating components on the distance z of the current signal log (J t) is detected, the tunnel barrier height signal log (J t) / dz is generated.

【0018】その結果、対数回路105 により発生された
カレント信号log(Jt) に基づいて、ほとんど平坦な
試料1の表面のトポグラフを得ることができるととも
に、トンネルバリアハイト信号発生回路110 により発生
されたトンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz に
基づいて、トンネル障壁の高さの試料面内分布を原始の
尺度で得ることができる。
As a result, based on the current signal log (J t ) generated by the logarithmic circuit 105, an almost flat topography of the surface of the sample 1 can be obtained, and the topography of the tunnel barrier height signal generating circuit 110 can be obtained. Based on the obtained tunnel barrier height signal log (J t ) / dz, the distribution of the height of the tunnel barrier in the sample plane can be obtained on a primitive scale.

【0019】図14は、走査型トンネル顕微鏡の第2の
従来例を示すブロック図である。
FIG. 14 is a block diagram showing a second conventional example of a scanning tunneling microscope.

【0020】走査型トンネル顕微鏡200 は、試料1の表
面に沿って探針201 を走査させたときに探針201 と試料
1の表面との間の相互作用により生じるトンネル電流J
t を検出して、上記(1)で示したトポ信号Tと、上記
(2)で示したカレント信号log(Jt) と、上記
(4)で示した微分コンダクタンス信号dJt/dV と
を同時に得るものであり(IBM, J. Res. Develop., 30,
355, 1986)、先端の尖った探針201 と、探針微動制御機
構202 と、バイアス電圧発生回路203 と、電流電圧変換
回路204 と、対数回路205 と、サーボ信号発生回路206
と、増幅器207 と、バイアス変調信号発生回路208 と、
加算器209 と、ロックインアンプなどからなる微分コン
ダクタンス信号発生回路210 とを含む。
The scanning tunneling microscope 200 has a tunneling current J caused by an interaction between the probe 201 and the surface of the sample 1 when the probe 201 is scanned along the surface of the sample 1.
t is detected, and the topo signal T shown in the above (1), the current signal log (J t ) shown in the above (2), and the differential conductance signal dJ t / dV shown in the above (4) are obtained. (IBM, J. Res. Develop., 30,
355, 1986), a sharpened probe 201, a probe fine movement control mechanism 202, a bias voltage generation circuit 203, a current-voltage conversion circuit 204, a logarithmic circuit 205, and a servo signal generation circuit 206.
, An amplifier 207, a bias modulation signal generation circuit 208,
An adder 209 and a differential conductance signal generation circuit 210 including a lock-in amplifier and the like are included.

【0021】ここで、電流電圧変換回路204 と対数回路
205 とは、探針201 と試料1の表面との間の相互作用に
より生じるトンネル電流Jt を検出するとともに、検出
したトンネル電流Jt に応じたカレント信号log
(Jt) を発生する。探針微動制御機構202 は、試料1の
表面と垂直方向(同図図示Z軸方向)に探針201 を移動
させる。サーボ信号発生回路206 は、カレント信号lo
g(Jt) に応じて探針微動制御機構202 を駆動するサー
ボ信号Sを発生するとともに、発生したサーボ信号Sに
応じたトポ信号Tを発生する。バイアス電圧発生回路20
3 は、探針201 と試料1の表面との間に印加するバイア
ス電圧Vを発生する。バイアス変調信号発生回路208
は、バイアス電圧Vを高周波で微小変化させるバイアス
変調信号MV を発生するとともに、バイアス変調信号M
V に応じた参照信号RV を発生する。微分コンダクタン
ス信号発生回路210 は、トンネル電流Jt と参照信号R
V とから微分コンダクタンス信号dJt/dV を発生す
る。
Here, the current-voltage conversion circuit 204 and the logarithmic circuit
205 and is configured to detect the tunnel current J t caused by the interaction between the probe 201 and the sample 1 surface, the current signal log corresponding to the detected tunnel current J t
(J t ). The probe fine movement control mechanism 202 moves the probe 201 in a direction perpendicular to the surface of the sample 1 (the Z-axis direction in the figure). The servo signal generation circuit 206 outputs the current signal lo
A servo signal S for driving the probe fine movement control mechanism 202 is generated according to g (J t ), and a top signal T corresponding to the generated servo signal S is generated. Bias voltage generation circuit 20
3 generates a bias voltage V applied between the probe 201 and the surface of the sample 1. Bias modulation signal generation circuit 208
Generates a bias modulation signal M V that slightly changes the bias voltage V at a high frequency, and generates a bias modulation signal M V
The reference signal R V generated in accordance with the V. The differential conductance signal generation circuit 210 calculates the tunnel current Jt and the reference signal R
A differential conductance signal dJ t / dV is generated from V and V.

【0022】次に、走査型トンネル顕微鏡200 を用いて
トポ信号Tと微分コンダクタンス信号dJt/dV とを
同時に得て、試料1の表面のトポグラフを得るととも
に、電子やフォノンの状態密度の試料面内分布を原始の
尺度で得るときの動作について説明する。
Next, the topological signal T and the differential conductance signal dJ t / dV are simultaneously obtained by using the scanning tunneling microscope 200 to obtain the topograph of the surface of the sample 1 and the sample surface of the density of states of electrons and phonons. The operation when obtaining the inner distribution on a primitive scale will be described.

【0023】バイアス電圧発生回路203 から出力される
所定のバイアス電圧Vは、加算器209 に入力されて、バ
イアス変調信号発生回路208 により発生されたバイアス
変調信号MV と加算されることにより、バイアス制御信
号CV に変換される。バイアス制御信号CV が探針201
と試料1の表面との間に印加されることにより、探針20
1 と試料1の表面との間に印加されるバイアス電圧が、
バイアス変調信号MVに応じて変化される。この状態
で、探針201 と試料1の表面との間の距離zが数nm以
下の所定値となるように探針微動制御機構202 により探
針201 が同図図示Z軸方向に移動される。このとき、探
針201 と試料1との間に流れるトンネル電流Jt が電流
電圧変換回路204 に入力されて、トンネル電圧Vt に変
換される。トンネル電圧Vt は、対数回路205 に入力さ
れて、その対数値が求められることにより、カレント信
号log(Jt) が発生される。カレント信号log
(Jt) は、サーボ信号発生回路206 に入力されて、カレ
ント信号log(Jt) (すなわち、トンネル電流Jt
が一定となるように距離zをフィードバック制御するた
めのサーボ信号Sが発生されるとともに、サーボ信号S
に応じたトポ信号Tが発生される。サーボ信号Sは、増
幅器207 により増幅されたのち、探針微動制御機構202
に入力される。これにより、トンネル電流Jt が一定と
なるように距離zがフィードバック制御される。
The predetermined bias voltage V output from the bias voltage generation circuit 203 is input to an adder 209 and added to the bias modulation signal M V generated by the bias modulation signal generation circuit 208 to obtain a bias. It is converted into a control signal C V. The bias control signal C V is applied to the probe 201
Between the probe 20 and the surface of the sample 1,
The bias voltage applied between 1 and the surface of sample 1 is
It is changed in accordance with the bias modulation signal M V. In this state, the probe 201 is moved by the probe fine movement control mechanism 202 in the Z-axis direction shown in the figure so that the distance z between the probe 201 and the surface of the sample 1 becomes a predetermined value of several nm or less. . At this time, the tunnel current J t flowing between the probe 201 and the sample 1 is input to the current-voltage conversion circuit 204, is converted into the tunnel voltage V t. Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 205, by its logarithm is obtained, the current signal log (J t) are generated. Current signal log
(J t ) is input to the servo signal generation circuit 206 and the current signal log (J t ) (that is, the tunnel current J t )
And a servo signal S for performing feedback control of the distance z so that
Is generated. After the servo signal S is amplified by the amplifier 207, the probe fine movement control mechanism 202
Is input to Thus, the distance z is feedback-controlled so that the tunnel current Jt is constant.

【0024】その後、バイアス制御信号CV が探針201
と試料1との間に印加された状態で、探針微動制御機構
202 により探針201 が同図図示X軸方向に走査される。
このとき、バイアス変調信号発生回路208 から出力され
る参照信号RV とカレント信号log(Jt) とが微分コ
ンダクタンス信号発生回路210 にそれぞれ入力され、カ
レント信号log(Jt) のバイアス電圧Vに関する微分
成分が検出されることにより、微分コンダクタンス信号
dJt/dV が発生される。
Thereafter, the bias control signal C V is applied to the probe 201
In the state applied between the probe and the sample 1, the fine movement control mechanism
The probe 201 is scanned in the X-axis direction shown in FIG.
At this time, the reference signal R V and the current signal log (J t ) output from the bias modulation signal generation circuit 208 are input to the differential conductance signal generation circuit 210, respectively, and are related to the bias voltage V of the current signal log (J t ). by differentiating component is detected, differential conductance signal dJ t / dV is generated.

【0025】その結果、各測定ポイントにおいて、サー
ボ信号発生回路206 により発生されたトポ信号Tに基づ
いて試料1の表面のトポグラフを得ることができるとと
もに、微分コンダクタンス信号発生回路210 により発生
された微分コンダクタンス信号dJt/dV に基づいて
電子やフォノンの状態密度の試料面内分布を原始の尺度
で得ることができる。
As a result, at each measurement point, a topograph of the surface of the sample 1 can be obtained based on the topographic signal T generated by the servo signal generating circuit 206, and the differential generated by the differential conductance signal generating circuit 210 can be obtained. samples plane distribution of the density of states of electrons and phonons can be obtained by primitive measure based on the conductance signal dJ t / dV.

【0026】次に、走査型トンネル顕微鏡200 を用いて
カレント信号log(Jt) と微分コンダクタンス信号d
t/dV とを同時に得て、ほとんど平坦な試料1の表
面のトポグラフを得るとともに、電子やフォノンの状態
密度の試料面内分布を原始の尺度で得るときの動作につ
いて説明する。
Next, using a scanning tunneling microscope 200, the current signal log (J t ) and the differential conductance signal d
The operation when J t / dV is obtained at the same time to obtain a topography of the almost flat surface of the sample 1 and the in-plane distribution of the state density of electrons and phonons on the sample plane will be described.

【0027】バイアス電圧発生回路203 から出力される
所定のバイアス電圧Vは、加算器209 に入力されて、バ
イアス変調信号発生回路208 により発生されたバイアス
変調信号MV と加算されることにより、バイアス制御信
号CV に変換される。バイアス制御信号CV が探針201
と試料1の表面との間に印加されることにより、探針20
1 と試料1の表面との間に印加されるバイアス電圧が、
バイアス変調信号MVに応じて変化される。この状態
で、探針201 と試料1の表面との間の距離zが数nm以
下の所定値となるように探針微動制御機構202 により探
針201 が同図図示Z軸方向に移動される。このとき、探
針201 と試料1の表面との間に流れるトンネル電流Jt
が電流電圧変換回路204 に入力されて、トンネル電圧V
t に変換される。トンネル電圧Vt は、対数回路205 に
入力されて、その対数値が求められることにより、カレ
ント信号log(Jt) が発生される。カレント信号lo
g(Jt) はサーボ信号発生回路206 に入力されるが、こ
の場合には、距離zをフィードバック制御しないため、
サーボ信号発生回路206 から出力されるサーボ信号Sは
所定の値に保持されたままである。サーボ信号Sは、増
幅器207 により増幅されたのち、探針微動制御機構202
に入力される。
The predetermined bias voltage V output from the bias voltage generation circuit 203 is input to an adder 209, and is added to the bias modulation signal M V generated by the bias modulation signal generation circuit 208, so that a bias is generated. It is converted into a control signal C V. The bias control signal C V is applied to the probe 201
Between the probe 20 and the surface of the sample 1,
The bias voltage applied between 1 and the surface of sample 1 is
It is changed in accordance with the bias modulation signal M V. In this state, the probe 201 is moved by the probe fine movement control mechanism 202 in the Z-axis direction shown in the figure so that the distance z between the probe 201 and the surface of the sample 1 becomes a predetermined value of several nm or less. . At this time, a tunnel current J t flowing between the probe 201 and the surface of the sample 1 is obtained.
Is input to the current-voltage conversion circuit 204, and the tunnel voltage V
Converted to t . Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 205, by its logarithm is obtained, the current signal log (J t) are generated. Current signal lo
g (J t ) is input to the servo signal generation circuit 206. In this case, since the distance z is not feedback-controlled,
The servo signal S output from the servo signal generation circuit 206 is kept at a predetermined value. After the servo signal S is amplified by the amplifier 207, the probe fine movement control mechanism 202
Is input to

【0028】その後、バイアス制御信号CV が探針201
と試料1との間に印加された状態で、探針微動制御機構
202 により探針201 が図示X軸方向に走査される。この
とき、各測定ポイントにおいて、バイアス変調信号発生
回路208 から出力される参照信号RV とカレント信号l
og(Jt) とが微分コンダクタンス信号発生回路210に
それぞれ入力され、カレント信号log(Jt) のバイア
ス電圧Vに関する微分成分が検出されることにより、微
分コンダクタンス信号dJt/dV が発生される。
Thereafter, the bias control signal C V is applied to the probe 201
In the state applied between the probe and the sample 1, the fine movement control mechanism
The probe 201 is scanned in the illustrated X-axis direction by 202. At this time, at each measurement point, the reference signal R V output from the bias modulation signal generation circuit 208 and the current signal l
og (J t ) is input to the differential conductance signal generation circuit 210, and a differential component of the current signal log (J t ) with respect to the bias voltage V is detected, thereby generating a differential conductance signal dJ t / dV. .

【0029】その結果、対数回路105 により発生された
カレント信号log(Jt) に基づいて、ほとんど平坦な
試料1の表面のトポグラフを得ることができるととも
に、微分コンダクタンス信号発生回路210 により発生さ
れた微分コンダクタンス信号dJt/dV に基づいて電
子やフォノンの状態密度の試料面内分布を原始の尺度で
得ることができる。
As a result, based on the current signal log (J t ) generated by the logarithmic circuit 105, an almost flat topograph of the surface of the sample 1 can be obtained, and the differential conductance signal generated by the differential conductance signal generating circuit 210 can be obtained. Based on the differential conductance signal dJ t / dV, the distribution of states of states of electrons and phonons in a sample plane can be obtained on a primitive scale.

【0030】[0030]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の走査型トンネル顕微鏡では、以下に示すような
問題がある。
However, the above-mentioned conventional scanning tunneling microscope has the following problems.

【0031】(1)図13に示した走査型トンネル顕微
鏡100 における問題 トンネル電流Jt は、探針101 と試料1の表面との間の
距離zが変化した場合のほか、試料1自体に電子状態の
変化がある場合にも変化し、カレント信号log(Jt)
およびトンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz を
正確に測定することができないため、電子状態が等しく
ない試料については、ほとんど平坦でない試料の表面の
トポグラフおよびトンネル障壁の高さの試料面内分布を
正確に得ることができないという問題がある。
(1) Problems in the Scanning Tunneling Microscope 100 shown in FIG. 13 The tunnel current J t is determined by the fact that the distance z between the probe 101 and the surface of the sample 1 changes, It changes even when there is a change in state, and the current signal log (J t )
And the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz cannot be measured accurately, so that for a sample having an unequal electronic state, the topography of the almost uneven sample surface and the in-plane distribution of the height of the tunnel barrier There is a problem that cannot be obtained accurately.

【0032】また、電子状態の等しくない試料につい
て、ほとんど平坦でない試料の表面のトポグラフおよび
トンネル障壁の高さの試料面内分布を正確に得るために
は、該試料の表面面上の各測定ポイントについて、カレ
ント信号log(Jt) およびトンネルバリアハイト信号
log(Jt)/dz の距離zに対する依存性をそれぞれ
測定するか、または、距離zに対する複数の設定条件に
ついて、カレント信号log(Jt) およびトンネルバリ
アハイト信号log(Jt)/dz をそれぞれ測定する必
要がある。
In order to accurately obtain the in-plane distribution of the topography and the height of the tunnel barrier on the surface of an almost non-planar sample with respect to the sample having unequal electronic states, each measurement point on the surface of the sample is required. for the current signal log (J t) and the tunnel barrier height signal log (J t) / dz distance z dependence on whether the measurement respectively, or for a plurality of setting conditions for the distance z, the current signal log (J t ) And the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz need to be measured.

【0033】しかし、走査型トンネル顕微鏡100 では、
カレント信号log(Jt) およびトンネルバリアハイト
信号log(Jt)/dz の距離zに対する依存性を測定
する場合には、探針101 の複数回の面走査(図13図示
X軸方向の走査および同図図示Y軸方向の走査)が必要
であり、多くの時間を要するという問題がある。一方、
距離zに対する複数の設定条件についてカレント信号l
og(Jt) およびトンネルバリアハイト信号log
(Jt)/dz をそれぞれ測定する場合には、各設定条件
での測定間には、探針101 の走査速度で決まる有限な時
間差が発生するため、ドリフトによる数原子オーダー以
上の位置ズレおよび表面状態の変化などの発生により、
厳密な意味での比較が困難であるという問題がある。
However, in the scanning tunneling microscope 100,
To measure the dependence of the current signal log (J t ) and the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz on the distance z, a plurality of surface scans of the probe 101 (scan in the X-axis direction shown in FIG. 13) (Scanning in the Y-axis direction in the figure), which requires a lot of time. on the other hand,
Current signal l for a plurality of setting conditions for distance z
og (J t ) and the tunnel barrier height signal log
When each (J t ) / dz is measured, a finite time difference determined by the scanning speed of the probe 101 occurs between the measurements under each set condition, so that the position shift of several atoms order or more due to drift and Due to changes in surface conditions, etc.
There is a problem that comparison in a strict sense is difficult.

【0034】さらに、カレント信号log(Jt) および
トンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz の距離依
存性の測定に関しては、擬似的に各測定ポイントにおけ
るカレント信号log(Jt) およびトンネルバリアハイ
ト信号log(Jt)/dzの距離依存性を連続的に取得
する走査型トンネル顕微鏡300 が提案されている(特開
平3−43944号公報)。かかる走査型トンネル顕微
鏡300 は、図15に示すように、対数回路105 とZ変調
信号発生回路107 とトンネルバリアハイト信号発生回路
110 との代わりに、演算回路305 とZ変位信号発生回路
307 とを含む点で、図13に示した走査型トンネル顕微
鏡100 と異なる。
Furthermore, the current signal log (J t) and the tunnel barrier with respect to the height signal log (J t) / dz distance dependence of the measurement of artificially current signal log (J t) and the tunnel barrier at each measurement point height signal log (J t) / scanning tunneling microscope 300 which continuously acquires distance dependence of dz has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 3-43944). As shown in FIG. 15, the scanning tunneling microscope 300 includes a logarithmic circuit 105, a Z modulation signal generation circuit 107, and a tunnel barrier height signal generation circuit.
Instead of 110, an arithmetic circuit 305 and a Z displacement signal generation circuit
307 is different from the scanning tunneling microscope 100 shown in FIG.

【0035】ここで、Z変位信号発生回路307 は、図1
5図示X軸方向の走査周期よりもはるかに小さい周期で
探針301 を同図図示Z軸方向に移動させて、探針301 と
試料1の表面との間の距離zを強制的に変位させるZ変
位信号ΔZを発生する。なお、Z変位信号ΔZは、サー
ボ信号発生回路306 で発生されたサーボ信号Sと加算器
308 で加算される。また、演算回路305 は、電流電圧変
換回路304 から送られてくるトンネル電圧VT を用いて
所定のアナログ演算を実時間で行うことによりカレント
信号log(JT) を発生するとともに、カレント信号l
og(JT) およびZ変位信号ΔZを用いて所定のアナロ
グ演算を実時間で行うことによりトンネルバリアハイト
信号dlog(JT)/dz を発生する。なお、トンネル
電圧VTおよびZ変位信号ΔZは、一般に、ローパスフ
ィルターを介して演算回路305 にそれぞれ入力される。
Here, the Z displacement signal generation circuit 307 is the same as that shown in FIG.
(5) The probe 301 is moved in the Z-axis direction shown in the figure at a period much shorter than the scanning period in the X-axis direction shown in the figure, and the distance z between the probe 301 and the surface of the sample 1 is forcibly displaced. A Z displacement signal ΔZ is generated. The Z displacement signal ΔZ is calculated by adding the servo signal S generated by the servo signal generation circuit 306 and the adder
308 is added. The arithmetic circuit 305 is configured to generate a current signal log (J T) by performing in real time a predetermined analog calculation using the tunnel voltage V T sent from the current-voltage conversion circuit 304, a current signal l
The tunnel barrier height signal dlog (J T ) / dz is generated by performing a predetermined analog operation in real time using og (J T ) and the Z displacement signal ΔZ. Incidentally, the tunnel voltage V T and Z displacement signal ΔZ is generally input to the arithmetic circuit 305 via a low-pass filter.

【0036】かかる走査型トンネル顕微鏡300 では、探
針301 の同図図示X軸方向の走査周期よりもはるかに小
さい周期で距離zを変位させるとともに、カレント信号
log(Jt) およびトンネルバリアハイト信号log
(Jt)/dz を実時間でそれぞれ求めることにより、擬
似的に各測定ポイントにおけるカレント信号log
(Jt) およびトンネルバリアハイト信号log(Jt)/
dz の距離依存性を連続的に取得することができる
が、演算回路305 の回路規模が大きくならざるを得ず、
また、このような直流(DC)的な検出方法では、信号
帯域近傍に存在する高周波側ノイズの前記ローパスフィ
ルターによる除去には限界があり、この残留ノイズが演
算回路305 におけるアナログ演算に深刻な影響を及ぼす
のを避けられないという問題がある。
In such a scanning tunneling microscope 300, the distance z is displaced at a period much shorter than the scanning period of the probe 301 in the X-axis direction shown in the figure, and the current signal log (J t ) and the tunnel barrier height signal log
By calculating (J t ) / dz in real time, the current signal log at each measurement point is simulated.
(J t ) and the tunnel barrier height signal log (J t ) /
Although the distance dependency of dz can be continuously obtained, the circuit scale of the arithmetic circuit 305 must be increased.
Also, in such a direct current (DC) detection method, there is a limit to the removal of high-frequency noise existing near the signal band by the low-pass filter. There is a problem that cannot be avoided.

【0037】(2)図14に示した走査型トンネル顕微
鏡200 における問題 一般に、走査型トンネル顕微鏡では、探針と試料の表面
との間に印加するバイアス電圧を変化させることによ
り、特定のエネルギー順位における電子構造を選択的に
検出することができることが知られている。たとえば、
トンネル電流JTを100pAに固定した条件でバイア
ス電圧を50mVに設定して、グラファイト基板上に配
向された液晶分子を有する試料を観察すると、グラファ
イト基板の電子構造に反映した像が観察され、また、ト
ンネル電流JT を100pAに固定した条件でバイアス
電圧を1Vに設定して前記試料を観察すると、液晶分子
の配列を反映した像が観察される。このような異なるバ
イアス電圧による観察は交互に行うことが可能であり、
また、グラファイト基板の観察によって液晶分子配列が
破壊されるようなこともない。したがって、前記2つの
像を比較することができれば、各液晶分子とグラファイ
ト基板格子との相対的な位置関係を知ることができ、吸
着状態に対する重要な情報を得ることができる。
(2) Problems in Scanning Tunneling Microscope 200 shown in FIG. 14 In general, in a scanning tunneling microscope, a specific energy order is changed by changing a bias voltage applied between a probe and the surface of a sample. It is known that the electronic structure in can be detected selectively. For example,
Set the tunnel current J T to 50mV bias voltage conditions fixed in 100 pA, when observing the sample with liquid crystal molecules aligned on a graphite substrate, an image that reflects the electronic structure of the graphite substrate was observed, also and by setting the bias voltage to 1V at the conditions of fixing the tunnel current J T in 100pA to observe the sample, an image that reflects the arrangement of liquid crystal molecules is observed. Observations with such different bias voltages can be performed alternately,
Further, the arrangement of the liquid crystal molecules is not destroyed by the observation of the graphite substrate. Therefore, if the two images can be compared, the relative positional relationship between each liquid crystal molecule and the lattice of the graphite substrate can be known, and important information on the adsorption state can be obtained.

【0038】また、微分コンダクタンス信号dJt/d
V はバイアス電圧によって決まるエネルギー準位にお
ける電子状態密度に反映していることが知られている。
したがって、複数のバイアス電圧についての微分コンダ
クタンス信号dJt/dV を得ることによって、電子状
態密度のエネルギースペクトル構造を得ることができ
る。
Further, the differential conductance signal dJ t / d
It is known that V is reflected on the electronic density of states at the energy level determined by the bias voltage.
Therefore, by obtaining the differential conductance signal dJ t / dV for a plurality of bias voltages, the energy spectrum structure of the electronic state density can be obtained.

【0039】しかし、図14に示した走査型トンネル顕
微鏡200 では、複数のバイアス電圧について微分コンダ
クタンス信号dJt/dV の測定を行うためには、探針
201の複数回の面走査(同図図示X軸方向の走査および
同図図示Y軸方向の走査)が必要であり、多くの時間を
要するという問題がある。また、複数のバイアス電圧に
ついて微分コンダクタンス信号dJt/dV を測定する
場合には、各バイアス電圧での測定間には、探針201 の
走査速度で決まる有限の時間差が発生するため、ドリフ
トによる数原子オーダー以上の位置ズレおよび表面状態
の変化などの発生により、厳密な意味での比較が困難で
あるという問題がある。
However, in the scanning tunneling microscope 200 shown in FIG. 14, in order to measure the differential conductance signal dJ t / dV for a plurality of bias voltages, a probe is required.
A plurality of surface scans 201 (scanning in the X-axis direction in the drawing and scanning in the Y-axis direction in the drawing) are required, and there is a problem that much time is required. When the differential conductance signal dJ t / dV is measured for a plurality of bias voltages, a finite time difference determined by the scanning speed of the probe 201 occurs between measurements at each bias voltage. There is a problem that it is difficult to compare in a strict sense due to the occurrence of a positional shift of more than the atomic order and a change in the surface state.

【0040】この問題を解決するため、一回の探針の走
査でバイアス電圧を変化させて微分コンダクタンス信号
dJt/dV を測定することができる走査型トンネル顕
微鏡として、以下に示す2つの走査型トンネル顕微鏡が
提案されている。
In order to solve this problem, a scanning tunneling microscope capable of measuring a differential conductance signal dJ t / dV by changing a bias voltage by one scanning of a probe is described below. Tunneling microscopes have been proposed.

【0041】(a)探針の走査周波数よりもはるかに大
きい周波数でバイアス電圧を変化させながらトンネル電
流Jt を測定して、各測定ポイントにおけるバイアス電
圧とトンネル電流信号Jt とをそれぞれ記録し、その
後、トンネル電流Jt のバイアス電圧に関する微分値を
演算回路で数値演算して、擬似的に各測定ポイントにお
ける複数のバイアス電圧に対する微分コンダクタンス信
号dJt/dV を測定する走査型トンネル顕微鏡。
[0041] (a) while changing the bias voltage at a much greater frequency than the scanning frequency of the probe by measuring the tunnel current J t, respectively records the bias voltage and the tunnel current signal J t at each measurement point , then tunneling current differential value relating to a bias voltage of J t numerically computed by the computing circuit, pseudo scanning tunneling microscope for measuring the differential conductance signal dJ t / dV for a plurality of bias voltages at each measurement point.

【0042】(b)探針の走査周波数よりもはるかに大
きい周波数でバイアス電圧を変化させながら測定したト
ンネル電流Jt とバイアス電圧とを演算回路に入力する
ことにより微分コンダクタンス信号dJt/dV を実時
間でアナログ演算して、擬似的に各測定ポイントにおけ
る複数のバイアス電圧に対する微分コンダクタンス信号
dJt/dV を測定する走査型トンネル顕微鏡。
(B) The differential conductance signal dJ t / dV is input to the arithmetic circuit by inputting the measured tunnel current Jt and the bias voltage while changing the bias voltage at a frequency much higher than the scanning frequency of the probe. and analog operation in real time, quasi-scanning tunneling microscope for measuring the differential conductance signal dJ t / dV for a plurality of bias voltages at each measurement point.

【0043】図16は、上記(b)に示した走査型トン
ネル顕微鏡の一従来例を示すブロック図である。
FIG. 16 is a block diagram showing a conventional example of the scanning tunnel microscope shown in FIG.

【0044】走査型トンネル顕微鏡400 は、対数回路20
5 とバイアス変調信号発生回路208と微分コンダクタン
ス信号発生回路210 との代わりに、演算回路405 とバイ
アス変化信号発生回路408 とを含む点で、図14に示し
た走査型トンネル顕微鏡200と異なる。ここで、バイア
ス変化信号発生回路408 は、探針401 の同図図示X軸方
向の走査周期よりもはるかに小さい周期で、探針401 と
試料1の表面との間に印加されるバイアス電圧を強制的
に変化させるバイアス変化信号ΔVを発生する。なお、
バイアス変化信号ΔVは、バイアス電圧発生回路403 で
発生された所定のバイアス電圧Vと加算器409 で加算さ
れて、バイアス制御信号CV に変換される。また、演算
回路405 は、電流電圧変換回路304 から送られてくるト
ンネル電圧VT を用いて所定のアナログ演算を実時間で
行うことによりカレント信号log(JT) を発生すると
ともに、トンネル電圧VT およびバイアス変化信号ΔV
を用いて所定のアナログ演算を実時間で行うことにより
微分コンダクタンス信号dJt/dV を発生する。な
お、トンネル電圧VT およびバイアス変化信号ΔVは、
一般に、ローパスフィルターを介して演算回路405 にそ
れぞれ入力される。
The scanning tunnel microscope 400 has a logarithmic circuit 20.
14 is different from the scanning tunneling microscope 200 shown in FIG. 14 in that an arithmetic circuit 405 and a bias change signal generating circuit 408 are included instead of 5, the bias modulation signal generating circuit 208, and the differential conductance signal generating circuit 210. Here, the bias change signal generation circuit 408 generates a bias voltage applied between the probe 401 and the surface of the sample 1 at a cycle much shorter than the scanning cycle of the probe 401 in the X-axis direction shown in the figure. A bias change signal ΔV that is forcibly changed is generated. In addition,
The bias change signal ΔV is added to a predetermined bias voltage V generated by the bias voltage generation circuit 403 by an adder 409, and converted into a bias control signal C V. The arithmetic circuit 405 is configured to generate a current signal log (J T) by performing in real time a predetermined analog calculation using the tunnel voltage V T sent from the current-voltage conversion circuit 304, the tunnel voltage V T and bias change signal ΔV
To perform a predetermined analog operation in real time to generate a differential conductance signal dJ t / dV. Note that the tunnel voltage V T and the bias change signal ΔV are
Generally, they are input to the arithmetic circuit 405 via a low-pass filter.

【0045】しかし、上記(a)および上記(b)で示
した走査型トンネル顕微鏡はいずれも、演算回路の規模
が大きくならざるを得ず、また、このような直流(D
C)的な検出方法では、信号帯域近傍に存在する高周波
側ノイズの除去には限界があり、この残留ノイズが演算
回路における数値演算およびアナログ演算に深刻な影響
を及ぼすのを避けられないという問題がある。
However, in each of the scanning tunneling microscopes shown in the above (a) and (b), the scale of the arithmetic circuit must be large, and such a direct current (D)
In the C-type detection method, there is a limit in removing high-frequency side noise existing in the vicinity of the signal band, and this residual noise cannot avoid serious influence on numerical and analog operations in an arithmetic circuit. There is.

【0046】本発明の目的は、トンネルバリアハイト信
号およびカレント信号の距離依存性または微分コンダク
タンス信号およびカレント信号のバイアス電圧依存性を
容易に得ることができる走査型トンネル顕微鏡および情
報記録再生装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a scanning tunneling microscope and an information recording / reproducing apparatus which can easily obtain the distance dependence of the tunnel barrier height signal and the current signal or the bias voltage dependence of the differential conductance signal and the current signal. Is to do.

【0047】[0047]

【課題を解決するための手段】本発明の走査型トンネル
顕微鏡は、試料の表面に沿って探針を走査させたときに
探針と試料の表面との間の相互作用により生じるトンネ
ル電流を検出して、カレント信号トポ信号及びトンネ
ルバリアハイト信号をそれぞれ得る走査型トンネル顕微
鏡において、基準クロックを発生する回路と、該基準ク
ロックに同期して、前記探針を試料の表面に沿って走査
させる周波数よりも大きい周波数で、試料の表面と垂直
方向に探針を強制的に移動させる探針移動手段と、前記
基準クロックに基づいて、前記探針を試料の表面に沿っ
て走査させる周波数よりも大きい周波数を有し、互いに
位相が異なる、複数のタイミング信号を発生するタイミ
ング信号発生回路と、前記各タイミング信号により前記
カレント信号をそれぞれサンプリングする時分割サンプ
リング回路を、前記探針移動手段による探針の移動周波
数よりも大きい周波数の変調信号を発生する変調信号発
生回路と、該変調信号に基づいて前記試料の表面と垂直
方向の移動に重畳させて探針を試料の表面と垂直方向に
高周波で微動させる手段と、前記変調信号を参照信号と
して前記カレント信号からトンネルバリアハイト信号を
発生させる回路とを備えたことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION A scanning tunneling microscope according to the present invention detects a tunnel current caused by an interaction between a probe and the surface of a sample when the probe is scanned along the surface of the sample. The current signal , the topo signal and the tunnel
In a scanning tunneling microscope that respectively obtains a barrier height signal , a circuit that generates a reference clock and a frequency higher than a frequency that causes the probe to scan along the surface of the sample in synchronization with the reference clock, A probe moving means for forcibly moving the probe in the vertical direction, based on the reference clock, having a frequency higher than a frequency for scanning the probe along the surface of the sample, and having different phases from each other; A timing signal generating circuit for generating a plurality of timing signals; and a time-division sampling circuit for sampling the current signal by each of the timing signals, respectively.
Modulation signal generation that generates a modulation signal with a frequency higher than the number
A raw circuit, and perpendicular to the surface of the sample based on the modulation signal.
The probe perpendicular to the surface of the sample
Means for finely moving at a high frequency; and
The tunnel barrier height signal from the current signal
And a generating circuit .

【0048】[0048]

【0049】上記の場合、前記タイミング信号発生回路
が、他の複数のタイミング信号を前記基準クロックの互
いに異なる位相に同期して発生し、前記時分割サンプリ
ング回路が、各他のタイミング信号により前記トンネル
バリアハイト信号をそれぞれサンプリングするようにし
てもよい
In the above case, the timing signal generation circuit
However, the other timing signals are synchronized with the reference clock.
Occur in synchronization with different phases,
The tunneling circuit by each other timing signal.
Be sure to sample each barrier height signal
You may .

【0050】または、本発明の走査型トンネル顕微鏡
は、試料と探針との間にバイアス電圧を印加しながら、
試料の表面に沿って探針を走査したときに探針と試料の
表面との間の相互作用により生じるトンネル電流を検出
して、カレント信号トポ信号および微分コンダクタン
ス信号をそれぞれ得る走査型トンネル顕微鏡において、
基準クロックを発生する回路と、該基準クロックに同期
して、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波数
よりも大きい周波数で前記バイアス電圧を強制的に変化
させるバイアス電圧変化手段と、前記基準クロックに基
づいて、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波
数よりも大きい周波数を有し、互いに位相が異なる、複
数のタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路
と、前記各タイミング信号により前記カレント信号をそ
れぞれサンプリングする時分割サンプリング回路と、前
記バイアス電圧変化手段によるバイアス電圧の変化より
も大きい周波数の変調信号を発生する変調信号発生回路
と、該変調信号に基づいてバイアス電圧変化手段による
バイアス電圧の変化に重畳させてバイアス電圧を高周波
で微小に変調する手段と、前記トンネル電流をトンネル
電圧に変換する電流電圧変換回路と、前記変調信号を参
照信号として前記トンネル電圧から微分コンダクタンス
信号を発生させる回路とを備えたことを特徴とする。
Alternatively, the scanning tunneling microscope of the present invention applies a bias voltage between the sample and the probe,
When the probe is scanned along the surface of the sample, the tunnel current generated by the interaction between the probe and the surface of the sample is detected, and the current signal , the topo signal, and the differential conductor are detected .
In scanning tunneling microscope to obtain scan signals, respectively,
A circuit for generating a reference clock, bias voltage changing means for forcibly changing the bias voltage at a frequency higher than a frequency for scanning the probe along the surface of the sample in synchronization with the reference clock, and A timing signal generating circuit for generating a plurality of timing signals having a frequency higher than a frequency for scanning the probe along the surface of the sample based on a reference clock and having different phases from each other; A time-division sampling circuit for sampling each of the current signals ;
From the bias voltage change by the bias voltage changing means.
Signal generation circuit that generates a modulation signal with a large frequency
And a bias voltage changing means based on the modulation signal.
High-frequency bias voltage superimposed on changes in bias voltage
Means for minutely modulating the current with the
A current-to-voltage conversion circuit for converting the voltage to a voltage;
Differential conductance from the tunnel voltage as the illumination signal
And a circuit for generating a signal .

【0051】[0051]

【0052】上記の場合、前記タイミング信号発生回路
が、他の複数のタイミング信号を前記基準クロックの互
いに異なる位相に同期して発生し、前記時分割サンプリ
ング回路が、各他のタイミング信号により前記微分コン
ダクタンス信号をそれぞれサンプリングするようにして
もよい
In the above case, the timing signal generating circuit
However, the other timing signals are synchronized with the reference clock.
Occur in synchronization with different phases,
A differentiating timing signal by the other timing signals.
Sample each of the conductance signals
Is also good .

【0053】本発明の情報記録再生装置は、試料の表面
に沿って探針を走査させたときに探針と試料の表面との
間の相互作用により生じるトンネル電流を検出して、カ
レント信号トポ信号およびトンネルバリアハイト信号
をそれぞれ得て、前記試料の表面に記録された情報を読
み出す情報記録再生装置において、基準クロックを発生
する回路と、該基準クロックに同期して、前記探針を試
料の表面に沿って走査させる周波数よりも大きい周波数
で、試料の表面と垂直方向に探針を強制的に移動させる
探針移動手段と、前記基準クロックに基づいて、前記探
針を試料の表面に沿って走査させる周波数よりも大きい
周波数を有し、互いに位相が異なる、複数のタイミング
信号を発生するタイミング信号発生回路と、前記各タイ
ミング信号により前記カレント信号をそれぞれサンプリ
ングする時分割サンプリング回路と、前記探針移動手段
による探針の移動周波数よりも大きい周波数の変調信号
を発生する変調信号発生回路と、該変調信号に基づいて
前記試料の表面と垂直方向の移動に重畳させて探針を試
料の表面と垂直方向に高周波で微動させる手段と、前記
変調信号を参照信号として前記カレント信号からトンネ
ルバリアハイト信号を発生させる回路とを備えたことを
特徴とする。
The information recording / reproducing apparatus according to the present invention detects a tunnel current generated by an interaction between the probe and the surface of the sample when the probe is scanned along the surface of the sample, and detects a current signal , In an information recording / reproducing apparatus that obtains a topo signal and a tunnel barrier height signal , respectively, and reads information recorded on the surface of the sample, a circuit that generates a reference clock; A probe moving means for forcibly moving the probe in a direction perpendicular to the surface of the sample at a frequency higher than the frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample, and the probe based on the reference clock. A timing signal generating circuit having a frequency higher than the frequency to be scanned along the surface of the sample and having different phases from each other, generating a plurality of timing signals; Ri said division sampling circuit when each sample the current signal, the probe moving means
Modulation signal with a frequency higher than the probe's moving frequency
A modulation signal generating circuit that generates
Test the probe superimposed on the vertical movement with the surface of the sample.
Means for finely moving at a high frequency in a direction perpendicular to the surface of the material,
Tunneling from the current signal using the modulated signal as a reference signal
And a circuit for generating a barrier height signal .

【0054】[0054]

【0055】上記の場合、前記タイミング信号発生回路
が、他の複数のタイミング信号を前記基準クロックの互
いに異なる位相に同期して発生し、前記時分割サンプリ
ング回路が、各他のタイミング信号により前記トンネル
バリアハイト信号をそれぞれサンプリングするようにし
てもよい
In the above case, the timing signal generation circuit
However, the other timing signals are synchronized with the reference clock.
Occur in synchronization with different phases,
The tunneling circuit by each other timing signal.
Be sure to sample each barrier height signal
You may .

【0056】または、本発明の情報記録再生装置は、試
料と探針との間にバイアス電圧を印加しながら、試料の
表面に沿って探針を走査したときに探針と試料の表面と
の間の相互作用により生じるトンネル電流を検出して、
カレント信号トポ信号および微分コンダクタンス信号
をそれぞれ得て、前記試料の表面に記録された情報を読
み出す情報記録再生装置において、基準クロックを発生
する回路と、該基準クロックに同期して、前記探針を試
料の表面に沿って走査させる周波数よりも大きい周波数
で前記バイアス電圧を強制的に変化させるバイアス電圧
変化手段と、前記基準クロックに基づいて、前記探針を
試料の表面に沿って走査させる周波数よりも大きい周波
数を有し、互いに位相が異なる、複数のタイミング信号
を発生するタイミング信号発生回路と、前記各タイミン
グ信号により前記カレント信号をそれぞれサンプリング
する時分割サンプリング回路と、前記バイアス電圧変化
手段によるバイアス電圧の変化よりも大きい周波数の変
調信号を発生する変調信号発生回路と、該変調信号に基
づいてバイアス電圧変化手段によるバイアス電圧の変化
に重畳させてバイアス電圧を高周波で微小に変調する手
段と、前記トンネル電流をトンネル電圧に変換する電流
電圧変換回路と、前記変調信号を参照信号として前記ト
ンネル電圧から微分コンダクタンス信号を発生させる回
路とを備えたことを特徴とする。
Alternatively, the information recording / reproducing apparatus according to the present invention may be configured such that when a probe is scanned along a surface of a sample while applying a bias voltage between the sample and the probe, the probe and the surface of the sample can be moved. Detecting the tunnel current caused by the interaction between
A current signal , a topo signal, and a differential conductance signal , respectively, in an information recording and reproducing apparatus for reading information recorded on the surface of the sample, a circuit for generating a reference clock, and a circuit for synchronizing with the reference clock. Bias voltage changing means for forcibly changing the bias voltage at a frequency higher than the frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample, and the probe is moved along the surface of the sample based on the reference clock. It has a frequency greater than the frequency of scanning Te, mutually different phases, a timing signal generating circuit for generating a plurality of timing signals, a dividing sampling circuit when the respectively sampling the current signal by the timing signal, the bias Voltage change
Means that the change in frequency is greater than the change in bias voltage.
A modulation signal generating circuit for generating a modulation signal;
Of bias voltage by bias voltage changing means
To modulate the bias voltage minutely with high frequency by superimposing
A stage and a current for converting said tunnel current to a tunnel voltage
A voltage conversion circuit, and using the modulation signal as a reference signal and
A circuit that generates a differential conductance signal from the channel voltage
And a road .

【0057】[0057]

【0058】上記の場合、前記タイミング信号発生回路
が、他の複数のタイミング信号を前記基準クロックの互
いに異なる位相に同期して発生し、前記時分割サンプリ
ング回路が、各他のタイミング信号により前記微分コン
ダクタンス信号をそれぞれサンプリングするようにして
もよい
In the above case, the timing signal generating circuit
However, the other timing signals are synchronized with the reference clock.
Occur in synchronization with different phases,
A differentiating timing signal by the other timing signals.
Sample each of the conductance signals
Is also good .

【0059】[0059]

【作用】本発明の走査型トンネル顕微鏡および情報記録
再生装置は、以下のように作用する。
The scanning tunnel microscope and the information recording / reproducing apparatus of the present invention operate as follows.

【0060】本発明によれば、探針は、探針移動手段に
より、試料の表面に沿って走査される周波数よりも大き
い周波数で、試料の表面と垂直方向に強制的に移動させ
られる。その結果、各測定ポイントにおいて、探針と試
料の表面との間の距離が変化する。このとき、カレント
信号が、時分割サンプリング手段により、探針を試料の
表面に沿って走査させる周波数よりも大きい周波数を有
する、互いに位相が異なる、複数のタイミング信号でそ
れぞれサンプリングされるため、各測定ポイントにおい
て各タイミング信号でサンプリングされたカレント信号
はそれぞれ、探針と試料の表面との間の異なる距離に対
するものとなる。したがって、探針を一回面走査するだ
けで、各測定ポイントにおいて、探針と試料の表面との
間の異なる距離に対するカレント信号を得ることができ
る。
According to the present invention, the probe is moved by the probe moving means at a frequency higher than the frequency scanned along the surface of the sample.
At a high frequency and forcefully move it perpendicular to the sample surface.
Can be As a result, at each measurement point,
The distance to the surface of the material changes. At this time, the current
The signal is sampled by the time-division sampling
Has a higher frequency than the frequency that is scanned along the surface
And multiple timing signals with different phases.
Since each is sampled, each measurement point
Current signal sampled by each timing signal
Each correspond to a different distance between the tip and the surface of the sample.
Will do. Therefore, scan the tip once.
At each measurement point, the probe and the surface of the sample
Can obtain current signals for different distances between
You.

【0061】上記探針移動手段による探針の移動に重畳
させて探針を高周波で微動させるものにおいては、各測
定ポイントにおいて、探針と試料の表面との間の距離が
変化するとともに、探針の移動周波数よりも大きい周波
数の変調信号を参照信号として上記カレント信号からト
ンネルバリアハイト信号を発生するようになっているの
で、探針と試料の表面との間の異なる距離に対するトン
ネルバリアハイト信号の依存性を各測定ポイント毎に求
めることができる。したがって、探針を一回面走査する
だけで、各測定ポイントにおいて、探針と試料の表面と
の間の異なる距離に対するトンネルバリアハイト信号を
得ることができる。
The probe movement is superimposed on the movement of the probe by the probe moving means.
When the probe is moved finely at high frequency,
At a fixed point, the distance between the tip and the surface of the sample is
Frequency that changes and is greater than the tip's travel frequency.
Number of modulated signals as reference signals and
To generate a barrier height signal.
, For different distances between the tip and the surface of the sample
Determines the dependence of the Nelbarrier height signal for each measurement point
Can be Therefore, the surface is scanned once with the probe
Just at each measurement point, the probe and the surface of the sample
Tunnel barrier height signal for different distances between
Obtainable.

【0062】また、本発明によれば、バイアス電圧が、
バイアス電圧変化手段により、探針を試料の表面に沿っ
て走査させる周波数よりも大きい周波数で強制的に変化
させられる。その結果、各測定ポイントにおいて、探針
と試料の表面との間に印加されるバイアス電圧が変化す
る。このとき、カレント信号が、時分割サンプリング手
段により、探針を試料の表面に沿って走査させる周波数
よりも大きい周波数を有する、互いに位相が異なる、複
数のタイミング信号でそれぞれサンプリングされるた
め、各測定ポイントにおいて各タイミング信号でサンプ
リングされたカレント信号はそれぞれ、探針と試料の表
面との間に印加される異なるバイアス電圧に対するもの
となる。したがって、探針を一回面走査するだけで、各
測定ポイントにおいて、探針と試料の表面との間に印加
される異なるバイアス電圧に対するカレント信号を得る
ことができる。
According to the present invention, the bias voltage is
Use the bias voltage changing means to move the probe along the sample surface.
Forcibly changes at a frequency higher than the scanning frequency
Let me do. As a result, at each measurement point,
The bias voltage applied between the sample and the surface of the sample changes.
You. At this time, the current signal is
The frequency at which the step causes the tip to scan along the surface of the sample
Have different frequencies,
Number of timing signals each sampled
Sample at each timing signal at each measurement point.
The ringed current signals are the tip and sample
For different bias voltages applied to the surface
Becomes Therefore, each time the probe is scanned once,
Applied between the probe and the surface of the sample at the measurement point
Obtain current signals for different bias voltages
be able to.

【0063】上記バイアス電圧変化手段によるバイアス
電圧の変化に重畳させてバイアス電圧を高周波で微小に
変調するものにおいては、各測定ポイントにおいて、探
針と試料の表面との間に印加される電圧が変化するとと
もに、バイアス電圧の変化よりも大きい周波数の変調信
号を参照信号としてトンネル電圧から微分コンダクタン
ス信号を発生するようになっているので、探針と試料の
表面との間に印加されるバイアス電圧の変化に対する微
分コンダクタンス信号の依存性を各測定ポイント毎に求
めることができる。したがって、探針を一回面走査する
だけで、各測定ポイントにおいて、探針と試料の表面と
の間に印加される異なるバイアス電圧に対する微分コン
ダクタンス信号を得ることができる
Bias by the bias voltage changing means
Superimpose bias voltage at high frequency by superimposing on voltage change
In the case of modulation, the search is performed at each measurement point.
When the voltage applied between the needle and the surface of the sample changes
The modulation signal at a frequency greater than the bias voltage change
Differential signal from tunnel voltage using signal as reference signal
The probe and sample.
Small change in bias voltage applied to the surface
The dependence of the minute conductance signal is determined for each measurement point.
Can be Therefore, the surface is scanned once with the probe
Just at each measurement point, the probe and the surface of the sample
For different bias voltages applied during
A conductance signal can be obtained .

【0064】[0064]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0065】図1は、本発明の走査型トンネル顕微鏡の
第1の実施例を示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【0066】走査型トンネル顕微鏡10は、試料1の表
面と垂直方向(同図図示Z軸方向)に探針11を高周波
で微動させながら探針11を試料1の表面に沿って同図
図示X軸方向に走査させたときに探針11と試料1の表
面との間の相互作用により生じるトンネル電流Jt を検
出して、カレント信号log(Jt) ,トポ信号Tおよび
トンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz をそれぞ
れ得るものであり、以下に示す点について、図13に示
した従来の走査型トンネル顕微鏡100 と異なる。
The scanning tunnel microscope 10 moves the probe 11 along the surface of the sample 1 along the surface of the sample 1 while finely moving the probe 11 at a high frequency in the direction perpendicular to the surface of the sample 1 (the Z-axis direction in the diagram). by detecting the tunnel current J t caused by the interaction between the probe 11 and the sample 1 surface when brought into scanning in the axial direction, the current signal log (J t), topo signals T and the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz is obtained, and differs from the conventional scanning tunneling microscope 100 shown in FIG. 13 in the following points.

【0067】(1)探針11を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きくかつ探
針11を同図図示Z軸方向に微動させる周波数よりも小
さい周波数で、同図図示Z軸方向に探針11を強制的に
移動させる探針移動手段として、基準クロック発生回路
21およびZ変位信号発生回路22を含む。
(1) At a frequency higher than the frequency for scanning the probe 11 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in the figure and smaller than the frequency for finely moving the probe 11 in the Z-axis direction shown in the figure. A reference clock generating circuit 21 and a Z displacement signal generating circuit 22 are included as probe moving means for forcibly moving the probe 11 in the Z-axis direction shown in FIG.

【0068】(2)探針11を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きくかつ探
針11を同図図示Z軸方向に微動させる周波数よりも小
さい周波数を有する、互いに位相が異なる、複数のタイ
ミング信号(第1乃至第3のトンネルバリアハイトタイ
ミング信号TB1〜TB3とサーボタイミング信号ST)
を発生するタイミング信号発生手段として、基準クロッ
ク発生回路21およびタイミング信号発生回路24を含
む。
(2) A frequency higher than the frequency at which the probe 11 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. A plurality of timing signals having different phases (first to third tunnel barrier height timing signals TB 1 to TB 3 and a servo timing signal ST)
Includes a reference clock generation circuit 21 and a timing signal generation circuit 24.

【0069】(3)第1乃至第3のトンネルバリアハイ
トタイミング信号TB1〜TB3によりトンネルバリアハ
イト信号log(Jt)/dz をそれぞれサンプリングす
る時分割サンプリング手段として、時分割サンプリング
回路25を含む。
[0069] The (3) as a split sampling means when the first to third tunnel barrier height timing signal TB 1 ~TB 3 samples the tunnel barrier height signal log (J t) / dz respectively, time division sampling circuit 25 Including.

【0070】ここで、基準クロック発生回路21は、探
針11を試料1の表面に沿って同図図示X軸方向に走査
させる周波数よりも大きく、かつ、Z変調信号発生回路
17で発生されるZ変調信号MZ の周波数よりも小さい
周波数を有する基準クロックRCを発生する。Z変位信
号発生回路22は、基準クロックRCに同期してZ変位
信号ΔZを発生する。なお、Z変位信号ΔZは、加算器
23により、サーボ信号発生回路16で発生されるサー
ボ信号SおよびZ変調信号Z発生回路17で発生される
変調信号MZ と加算される。タイミング信号発生回路2
4は、基準クロックRCの互いに異なる位相に同期し
て、第1乃至第3のトンネルバリアハイトタイミング信
号TB1〜TB3とサーボタイミング信号STとをそれぞ
れ発生する。時分割サンプリング回路25は、サーボタ
イミング信号STによりカレント信号log(Jt) もサ
ンプリングする。
Here, the reference clock generation circuit 21 has a frequency higher than the frequency for scanning the probe 11 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. generating a reference clock RC having a frequency smaller than the frequency of the Z modulation signal M Z. The Z displacement signal generation circuit 22 generates a Z displacement signal ΔZ in synchronization with the reference clock RC. The Z displacement signal ΔZ is added by the adder 23 to the servo signal S generated by the servo signal generation circuit 16 and the modulation signal M Z generated by the Z modulation signal Z generation circuit 17. Timing signal generation circuit 2
4 generates first to third tunnel barrier height timing signals TB 1 to TB 3 and a servo timing signal ST in synchronization with mutually different phases of the reference clock RC. The time-division sampling circuit 25 also samples the current signal log ( Jt ) based on the servo timing signal ST.

【0071】次に、走査型トンネル顕微鏡10の動作に
ついて、図2に示すタイミングチャートおよび図3に示
すタイミングチャートをそれぞれ参照して説明する。
Next, the operation of the scanning tunneling microscope 10 will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 2 and the timing chart shown in FIG. 3, respectively.

【0072】走査型トンネル顕微鏡10では、トポ信号
Tとカレント信号log(Jt) とトンネルバリアハイト
信号log(Jt)/dz とが、図2(A)に示す各画素
1〜S8単位に測定されることにより、試料1の表面の
トポグラフを示す画像およびトンネル障壁の高さの試料
面内分布を原始の尺度で示す画像がそれぞれ得られる。
したがって、各画素S1〜S8の同図(A)図示横方向の
距離は、探針11が試料1の表面に沿って図1図示X軸
方向に走査される走査時間に相当する。
[0072] In scanning tunneling microscope 10, topo signals T and current signal log (J t) between the tunnel barrier height signal log (J t) / dz and is 2 pixels shown in (A) S 1 ~S 8 By measuring in units, an image showing the topography of the surface of the sample 1 and an image showing the distribution of the height of the tunnel barrier in the sample plane on a primitive scale are obtained.
Accordingly, the distance between the pixels S 1 to S 8 in the horizontal direction in FIG. 1A corresponds to the scanning time for the probe 11 to scan along the surface of the sample 1 in the X-axis direction in FIG.

【0073】測定が開始されると、Z変調信号MZ がZ
変調信号発生回路17により連続的に発生される。ここ
で、Z変調信号MZ は、試料1の表面と垂直方向(図1
図示Z軸方向)に探針11を高周波で微動させるための
ものであり、その振幅は0.001〜0.3nmに設定
され、その波形は正弦波とされている。なお、Z変調信
号MZ の波形は、ステップ波,鋸波またはこれらの波形
の組み合わせとしてもよい。
[0073] When the measurement is started, Z modulation signal M Z is Z
It is continuously generated by the modulation signal generation circuit 17. Here, the Z-modulated signal M Z is perpendicular to the surface of the sample 1 (FIG. 1).
This is for finely moving the probe 11 at a high frequency (in the illustrated Z-axis direction), and its amplitude is set to 0.001 to 0.3 nm, and its waveform is a sine wave. The waveform of the Z modulation signal M Z are step-wave, or a combination of the sawtooth or these waveforms.

【0074】また、測定が開始されると、基準クロック
RCが基準クロック発生回路21により連続的に発生さ
れる。基準クロックRCはZ変位信号発生回路22に入
力され、Z変位信号ΔZがZ変位信号発生回路22によ
り基準クロックRCに同期して発生される。ここで、基
準クロックRCの周波数は、探針11を試料1の表面に
沿って図1図示X軸方向に走査させる周波数(前記走査
時間の逆数)よりも大きくされており、Z変位信号発生
回路22において、前記走査時間と等しい周期を有する
Z変位信号ΔZが発生できるようにされている。なお、
Z変位信号ΔZの周期を前記走査時間と等しくする必要
は必ずしもないが、該走査時間と等しいか該走査時間よ
りも小さくする必要がある。また、Z変位信号ΔZの振
幅は、特に制限はないが、代表的には0.1〜3nmに
設定される。さらに、Z変位信号ΔZの波形も、特に制
限はなく、本実施例では鋸波とされるが、正弦波,ステ
ップ波またはこれらの波形の組み合わせなどとしてもよ
い。
When the measurement is started, the reference clock RC is continuously generated by the reference clock generation circuit 21. The reference clock RC is input to the Z displacement signal generation circuit 22, and the Z displacement signal ΔZ is generated by the Z displacement signal generation circuit 22 in synchronization with the reference clock RC. Here, the frequency of the reference clock RC is set higher than the frequency (reciprocal of the scanning time) for scanning the probe 11 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. At 22, a Z displacement signal ΔZ having a period equal to the scanning time can be generated. In addition,
The period of the Z displacement signal ΔZ is not necessarily required to be equal to the scanning time, but it is necessary to be equal to or shorter than the scanning time. The amplitude of the Z displacement signal ΔZ is not particularly limited, but is typically set to 0.1 to 3 nm. Further, the waveform of the Z displacement signal ΔZ is not particularly limited and is a sawtooth wave in the present embodiment, but may be a sine wave, a step wave, or a combination of these waveforms.

【0075】基準クロック発生回路21により発生され
た基準クロックRCは、タイミング信号発生回路24に
も入力され、第1乃至第3のトンネルバリアハイトタイ
ミング信号TB1〜TB3とサーボタイミング信号STと
が、図2(C)〜(F)にそれぞれ示すように、タイミ
ング信号発生回路24により基準クロックRCの互いに
異なる位相に同期してそれぞれ発生される。
The reference clock RC generated by the reference clock generation circuit 21 is also input to the timing signal generation circuit 24, where the first to third tunnel barrier height timing signals TB 1 to TB 3 and the servo timing signal ST are output. 2 (C) to 2 (F), the timing signals are generated by the timing signal generation circuit 24 in synchronization with mutually different phases of the reference clock RC.

【0076】測定が開始されると、バイアス電圧発生回
路13から所定のバイアス電圧Vが探針11と試料1の
表面との間に印加されたのち、探針11と試料1の表面
との間の距離zが数nm以下の所定値となるように、探
針微動制御機構12により探針11が図1図示Z軸方向
に移動される。このとき、探針11と試料1の表面との
間に流れるトンネル電流Jt が電流電圧変換回路14に
入力されて、トンネル電圧Vt に変換される。トンネル
電圧Vt は、対数回路15に入力されて、その対数値が
求められることにより、カレント信号log(Jt) が発
生される。カレント信号log(Jt) は、時分割サンプ
リング回路25に入力されて、サーボタイミング信号S
Tによりサンプリングされることにより、第1のサンプ
リングカレント信号log(Jtm)に変換される。第1の
サンプリングカレント信号log(Jtm)はサーボ信号発
生回路16に入力されて、第1のサンプリングカレント
信号log(Jtm)が一定となるように距離zをフィード
バック制御するためのサーボ信号Sが発生されるととも
に、サーボ信号Sに応じたトポ信号Tが発生される。図
2(G)に、このようにして得られたサーボ信号Sの一
例を示す。
When the measurement is started, after a predetermined bias voltage V is applied between the probe 11 and the surface of the sample 1 from the bias voltage generating circuit 13, the bias voltage V is applied between the probe 11 and the surface of the sample 1. The probe 11 is moved in the Z-axis direction shown in FIG. 1 by the probe fine movement control mechanism 12 so that the distance z becomes a predetermined value of several nm or less. At this time, the tunnel current J t flowing between the probe 11 and the sample 1 surface is input to the current-voltage conversion circuit 14, is converted to the tunnel voltage V t. Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 15, by which the logarithm is determined, the current signal log (J t) are generated. The current signal log (J t ) is input to the time-division sampling circuit 25 and the servo timing signal S
By being sampled by T, it is converted into a first sampling current signal log (J tm ). The first sampling current signal log (J tm ) is input to the servo signal generation circuit 16, and the servo signal S for feedback controlling the distance z so that the first sampling current signal log (J tm ) becomes constant. Is generated, and a top signal T corresponding to the servo signal S is generated. FIG. 2G shows an example of the servo signal S thus obtained.

【0077】サーボ信号Sは、加算器23に入力され
て、Z変調信号発生回路17により発生されたZ変調信
号MZ およびZ変位信号発生回路22により発生された
Z変位信号ΔZと加算されたのち、増幅器19により増
幅されZ軸制御信号CZ に変換されて、探針微動制御機
構12に入力される。これにより、サーボタイミング信
号STのタイミングにおけるトンネル電流Jt が一定と
なるように距離zがフィードバック制御されるが、同時
に、探針11は、Z変調信号MZ により図1図示Z軸方
向に高周波で微動させられるとともに、Z変位信号ΔZ
により図1図示Z軸方向に強制的に移動させられる。
[0077] The servo signal S is input to the adder 23, is added to the Z displacement signal ΔZ generated by Z modulation signal M Z and Z displacement signal generating circuit 22 which is generated by the Z modulation signal generation circuit 17 Thereafter, the signal is amplified by the amplifier 19, converted into a Z-axis control signal C Z , and input to the probe fine movement control mechanism 12. Thus, the distance z is feedback controlled so tunneling current J t at the timing of the servo timing signal ST is constant, at the same time, the probe 11, a high frequency in Figure 1 the Z-axis direction by the Z modulation signal M Z And the Z displacement signal ΔZ
Is forcibly moved in the Z-axis direction shown in FIG.

【0078】その後、所定のバイアス電圧Vが探針11
と試料1の表面との間に印加された状態で、探針走査機
構(不図示)により探針11が試料1の表面に沿って図
1図示X軸方向に走査される。このとき、トンネル電流
t が電流電圧変換回路14でトンネル電圧Vt に変換
されたのち、対数回路15でカレント信号log(Jt)
に変換される。カレント信号log(Jt) は、時分割サ
ンプリング回路25とトンネルバリアハイト信号発生回
路20とに入力される。トンネルバリアハイト信号発生
回路20では、Z変調信号発生回路17から送られてく
る参照信号RZ(たとえば、Z変調信号MZ の同期信
号)とカレント信号log(Jt) とからカレント信号l
og(Jt) の距離zに関する微分成分が検出されること
により、トンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz
が発生される。図3(A)に、このようにしてトンネル
バリアハイト信号発生回路20で発生されたトンネルバ
リアハイト信号log(Jt)/dz の一例を示す。
Thereafter, a predetermined bias voltage V is applied to the probe 11.
The probe 11 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. 1 by a probe scanning mechanism (not shown) with the voltage applied between the probe 1 and the surface of the sample 1. In this case, after the tunnel current J t is converted by the current-voltage conversion circuit 14 to the tunnel voltage V t, a logarithmic circuit 15 a current signal log (J t)
Is converted to The current signal log (J t ) is input to the time division sampling circuit 25 and the tunnel barrier height signal generation circuit 20. In the tunnel barrier height signal generation circuit 20, the current signal l ( Z t ) and the reference signal R Z (for example, a synchronization signal of the Z modulation signal M Z ) sent from the Z modulation signal generation circuit 17 are used.
By detecting a differential component of distance og (J t ) with respect to distance z, tunnel barrier height signal log (J t ) / dz is detected.
Is generated. FIG. 3A shows an example of the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz generated by the tunnel barrier height signal generation circuit 20 in this manner.

【0079】トンネルバリアハイト信号log(Jt)/
dz は時分割サンプリング回路25に入力されて、第
1乃至第3のトンネルバリアハイトタイミング信号TB
1〜TB3によりそれぞれサンプリングされることによ
り、第1のサンプリングトンネルバリアハイト信号lo
g(Jt1)/dz,第2のサンプリングトンネルバリアハ
イト信号log(Jt2)/dzおよび第3のサンプリング
トンネルバリアハイト信号log(Jt3)/dzにそれぞ
れ変換される(図3(B)〜(D)参照)。その結果、
第1乃至第3のサンプリングトンネルバリアハイト信号
log(Jt1)/dz〜log(Jt3)/dzより、図3
(E)に示すように、探針11と試料1の表面との間の
距離zに対するトンネルバリアハイト信号log(Jt)
/dz の依存性を各測定ポイント(各画素S1〜S8
相当)ごとに求めることができる。
Tunnel barrier height signal log (J t ) /
dz is input to the time-division sampling circuit 25, and the first to third tunnel barrier height timing signals TB
1 to TB 3 , the first sampling tunnel barrier height signal lo
g ( Jt1 ) / dz, the second sampling tunnel barrier height signal log ( Jt2 ) / dz, and the third sampling tunnel barrier height signal log ( Jt3 ) / dz, respectively (FIG. 3B). To (D)). as a result,
The first to third sampling tunnel barrier height signal log (J t1) / dz~log ( J t3) / dz than, 3
As shown in (E), the tunnel barrier height signal log (J t ) with respect to the distance z between the probe 11 and the surface of the sample 1.
The dependency of / dz can be determined for each measurement point (corresponding to each pixel S 1 to S 8 ).

【0080】したがって、走査型トンネル顕微鏡10で
は、探針11を一回だけ走査するだけで、トンネルバリ
アハイト信号log(Jt)/dz の距離zに対する依存
性を測定することができる。
Therefore, the scanning tunneling microscope 10 can measure the dependence of the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz on the distance z only by scanning the probe 11 only once.

【0081】以上の説明では、第1のカレント信号lo
g(Jtm)よりサーボ信号Sを発生させたが、対数回路1
5から出力されるカレント信号log(Jt) をZ変位信
号ΔZの周波数よりはるかに小さいカットオフ周波数を
有するローパスフィルターによって平均化した信号をサ
ーボ信号発生回路16に入力させることにより、サーボ
信号Sを発生してもよい。なお、Z変位信号ΔZの周波
数は、探針微動制御機構12の機械的共振周波数よりも
小さく設定されるとともに、電流電圧変換回路14およ
び対数回路15に用いられるローパスフィルターのカッ
トオフ周波数よりも小さく設定される。
In the above description, the first current signal lo
g (J tm ) generates servo signal S, but logarithmic circuit 1
5, a signal obtained by averaging the current signal log (J t ) output from the low-pass filter having a cut-off frequency much smaller than the frequency of the Z displacement signal ΔZ is input to the servo signal generation circuit 16. May occur. The frequency of the Z displacement signal ΔZ is set smaller than the mechanical resonance frequency of the probe fine movement control mechanism 12 and smaller than the cutoff frequency of the low-pass filter used in the current-voltage conversion circuit 14 and the logarithmic circuit 15. Is set.

【0082】また、トンネルバリアハイト信号発生回路
20をロックインアンプなどで構成することにより、カ
レント信号log(Jt) のZ変調信号MZ に応答した変
調成分のみをAC的に同期検波することによって、カレ
ント信号log(Jt) の距離zの微分成分としてトンネ
ルバリアハイト信号log(Jt)/dz の平方根に比例
する信号を高いS/N比で得てもよい。
Further, by forming the tunnel barrier height signal generation circuit 20 with a lock-in amplifier or the like, only the modulation component of the current signal log (J t ) responsive to the Z modulation signal M Z is synchronously detected in an AC manner. by, it may be obtained a signal proportional to the square root of the tunnel barrier height signal log (J t) / dz as a differential component of the distance z of the current signal log (J t) with a high S / N ratio.

【0083】さらに、探針11の図1図示X軸方向の走
査の周波数を1Hzとした場合、Z変位信号ΔZの周波
数を100〜500Hzに設定すると、測定ポイントは
一走査線あたり100〜500になる。このとき、Z変
調信号MZ の周波数は1〜数10kHz程度に設定され
るのが望ましい。なお、Z変調信号MZ の周波数は、探
針微動駆動機構12の機械的共振周波数よりも小さく設
定されるとともに、電流電圧変換回路14および対数回
路15に用いられるローパスフィルターのカットオフ周
波数よりも小さく設定される必要があり、探針微動駆動
機構12の機械的共振周波数を数10kHz以上にする
場合には、マイクロメカニクス技術によってシリコン基
板上などに形成されるバイモルフ型圧電薄膜構造を微動
制御機構として有するマイクロカンチレバーなどを用い
ることができる。
Further, when the frequency of the scanning of the probe 11 in the X-axis direction shown in FIG. 1 is 1 Hz, when the frequency of the Z displacement signal ΔZ is set to 100 to 500 Hz, the measuring point becomes 100 to 500 per scanning line. Become. At this time, the frequency of the Z modulation signal M Z is desirably set to about one to several 10 kHz. Note that the frequency of the Z modulation signal M Z is set to be lower than the mechanical resonance frequency of the probe fine movement drive mechanism 12 and is lower than the cut-off frequency of the low-pass filter used in the current-voltage conversion circuit 14 and the logarithmic circuit 15. When the mechanical resonance frequency of the probe fine movement drive mechanism 12 is required to be several tens kHz or more, the bimorph type piezoelectric thin film structure formed on a silicon substrate or the like by the micromechanics technique is used for the fine movement control mechanism. A micro cantilever or the like can be used.

【0084】図4は、本発明の走査型トンネル顕微鏡の
参考例を示す概略構成図である。
FIG. 4 is a schematic structural view showing a first reference example of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【0085】走査型トンネル顕微鏡30は、試料1の表
面に沿って同図図示X軸方向に探針31を走査させたと
きに探針31と試料1の表面との間の相互作用により生
じるトンネル電流Jt を検出して、カレント信号log
(Jt) およびトポ信号Tをそれぞれ得るものであり、以
下に示す点について、図13に示した従来の走査型トン
ネル顕微鏡100 と異なる。
The scanning tunnel microscope 30 scans the tunnel 31 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction as shown in the figure, and generates a tunnel caused by the interaction between the probe 31 and the surface of the sample 1. The current Jt is detected and the current signal log
(J t ) and a topo signal T, respectively, which are different from the conventional scanning tunneling microscope 100 shown in FIG. 13 in the following points.

【0086】(1)試料1の表面に沿って同図図示X軸
方向に探針31を走査させる周波数よりも大きい周波数
で、試料1の表面と垂直方向(同図図示Z軸方向)に探
針31を強制的に移動させる探針移動手段として、基準
クロック発生回路41およびZ変位信号発生回路42を
含む。
(1) The probe is scanned in the direction perpendicular to the surface of the sample 1 (Z-axis direction in the figure) at a frequency higher than the frequency at which the probe 31 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction in the figure. The probe moving means for forcibly moving the needle 31 includes a reference clock generation circuit 41 and a Z displacement signal generation circuit 42.

【0087】(2)探針31を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きい周波数
を有する、互いに位相が異なる、複数のタイミング信号
(第1および第2のトンネル電流タイミング信号T
1,TT2とサーボタイミング信号ST)を発生するタ
イミング信号発生手段として、基準クロック発生回路4
1およびタイミング信号発生回路44を含む。
(2) A plurality of timing signals (first and second signals) having a frequency higher than the frequency at which the probe 31 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. Tunnel current timing signal T
T 1 , TT 2 and a servo timing signal ST) are generated by a reference clock generating circuit 4 as a timing signal generating means.
1 and a timing signal generation circuit 44.

【0088】(3)第1および第2のトンネル電流タイ
ミング信号TT1,TT2とサーボタイミング信号STと
によりカレント信号log(Jt) をそれぞれサンプリン
グする時分割サンプリング手段として、時分割サンプリ
ング回路45を含む。
(3) The time-division sampling circuit 45 serves as time-division sampling means for sampling the current signal log (J t ) using the first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 and the servo timing signal ST, respectively. including.

【0089】ここで、基準クロック発生回路41は、探
針31を試料1の表面に沿って同図図示X軸方向に走査
させる周波数よりも大きい周波数を有する基準クロック
RCを発生する。Z変位信号発生回路42は、基準クロ
ックRCに同期してZ変位信号ΔZを発生する。なお、
Z変位信号ΔZは、加算器43により、サーボ信号発生
回路16で発生されるサーボ信号Sと加算される。タイ
ミング信号発生回路44は、基準クロックRCの互いに
異なる位相に同期して、第1および第2のトンネル電流
タイミング信号TT1,TT2とサーボタイミング信号S
Tとをそれぞれ発生する。
Here, the reference clock generation circuit 41 generates a reference clock RC having a frequency higher than the frequency at which the probe 31 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. The Z displacement signal generation circuit 42 generates a Z displacement signal ΔZ in synchronization with the reference clock RC. In addition,
The Z displacement signal ΔZ is added by the adder 43 to the servo signal S generated by the servo signal generation circuit 16. The timing signal generation circuit 44 synchronizes the first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 and the servo timing signal S
And T respectively.

【0090】次に、走査型トンネル顕微鏡30の動作に
ついて、図5に示すタイミングチャートおよび図6に示
すタイミングチャートをそれぞれ参照して説明する。
Next, the operation of the scanning tunnel microscope 30 will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 5 and the timing chart shown in FIG.

【0091】走査型トンネル顕微鏡30においては、ト
ポ信号Tとカレント信号log(Jt) とが、図5(A)
に示す各画素S1〜S8単位に測定されることにより、試
料1の表面のトポグラフを示す画像が得られる。したが
って、各画素S1〜S8の同図(A)図示横方向の距離
は、探針31が試料1の表面に沿って図4図示X軸方向
に走査される走査時間に相当する。
In the scanning tunneling microscope 30, the topo signal T and the current signal log (J t ) are shown in FIG.
By measuring each pixel S 1 to S 8 shown in (1), an image showing the topograph of the surface of the sample 1 is obtained. Therefore, the horizontal distance between the pixels S 1 to S 8 in FIG. 4A corresponds to the scanning time for the probe 31 to scan along the surface of the sample 1 in the X-axis direction in FIG.

【0092】測定が開始されると、基準クロックRCが
基準クロック発生回路41により連続的に発生される。
基準クロックRCはZ変位信号発生回路42に入力さ
れ、Z変位信号ΔZがZ変位信号発生回路42により基
準クロックRCに同期して発生される。このとき、基準
クロックRCの周波数は、探針31を試料1の表面に沿
って図4図示X軸方向に走査させる周波数(前記走査時
関の逆数)よりも大きくされており、Z変位信号発生回
路42において、前記走査時間と等しい周期を有するZ
変位信号ΔZが発生できるようにされている(図5
(B)参照)。なお、Z変位信号ΔZの周期を前記走査
時間と等しくする必要は必ずしもないが、該走査時間と
等しいか該走査時間よりも小さくする必要がある。ま
た、Z変位信号ΔZの振幅は、特に制限はないが、代表
的には0.1〜3nmに設定する。さらに、Z変位信号
ΔZの波形も、特に制限はなく、図5(B)に示すよう
な正弦波としてもよいし、ステップ波,鋸波またはこれ
らの波形の組み合わせなどとしてもよい。
When the measurement is started, the reference clock RC is continuously generated by the reference clock generation circuit 41.
The reference clock RC is input to the Z displacement signal generation circuit 42, and the Z displacement signal ΔZ is generated by the Z displacement signal generation circuit 42 in synchronization with the reference clock RC. At this time, the frequency of the reference clock RC is set higher than the frequency for scanning the probe 31 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. In circuit 42, Z having a period equal to the scan time
A displacement signal ΔZ can be generated (see FIG. 5).
(B)). The period of the Z displacement signal ΔZ is not necessarily required to be equal to the scanning time, but it is necessary to be equal to or shorter than the scanning time. The amplitude of the Z displacement signal ΔZ is not particularly limited, but is typically set to 0.1 to 3 nm. Further, the waveform of the Z displacement signal ΔZ is not particularly limited, and may be a sine wave as shown in FIG. 5B, a step wave, a sawtooth wave, or a combination of these waveforms.

【0093】基準クロックRCはタイミング信号発生回
路44にも入力され、第1および第2のトンネル電流タ
イミング信号TT1,TT2とサーボタイミング信号ST
とがタイミング信号発生回路44により基準クロックR
Cの互いに異なる位相に同期してそれぞれ発生される。
すなわち、第1のトンネル電流タイミング信号TT1
Z変位信号ΔZの各点Zh (同図(B)に示す黒丸)の
タイミングで発生され(同図(C)参照)、第2のトン
ネル電流タイミング信号TT2 がZ変位信号ΔZの各点
l (同図(B)に示す黒三角)のタイミングで発生さ
れ(同図(D)参照)、サーボタイミング信号STがZ
変位信号ΔZの各点Zm (同図(B)に示す白丸)のタ
イミングで発生される(同図(E)参照)。
The reference clock RC is also input to the timing signal generating circuit 44, and the first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 and the servo timing signal ST
Is the reference clock R by the timing signal generation circuit 44.
C are generated in synchronization with different phases of C, respectively.
That is, the first tunnel current timing signal TT 1 is generated at the timing of each point Z h (black circle shown in FIG. 2B) of the Z displacement signal ΔZ (see FIG. 2C), and the second tunnel current The timing signal TT 2 is generated at the timing of each point Z l (black triangle shown in FIG. 3B) of the Z displacement signal ΔZ (see FIG. 3D), and the servo timing signal ST
It is generated at the timing of each point Z m of the displacement signal ΔZ (white circle shown in FIG. 7B) (see FIG. 8E).

【0094】また、測定が開始されると、バイアス電圧
発生回路33から所定のバイアス電圧Vが探針31と試
料1の表面との間に印加されたのち、探針31と試料1
の表面との間の距離zが数nm以下の所定値となるよう
に、探針微動制御機構32により探針31が図4図示Z
軸方向に移動される。このとき、探針31と試料1の表
面との間に流れるトンネル電流Jt が電流電圧変換回路
34に入力されて、トンネル電圧Vt に変換される。ト
ンネル電圧Vt は、対数回路35に入力されて、その対
数値が求められることにより、カレント信号log
(Jt) が発生される。カレント信号log(Jt) は、時
分割サンプリング回路45に入力されて、サーボタイミ
ング信号STによりサンプリングされることにより、第
1のサンプリングカレント信号log(Jtm)に変換され
る。第1のサンプリングカレント信号log(Jtm)は、
サーボ信号発生回路36に入力される。その結果、第1
のサンプリングカレント信号log(Jtm)(すなわち、
Z変位信号ΔZの各点Zm のタイミングにおけるトンネ
ル電流Jt )が一定となるように距離zをフィードバッ
ク制御するためのサーボ信号Sが、サーボ信号発生回路
36で発生されるとともに、サーボ信号Sに応じたトポ
信号Tが発生される。図5(F)に、このようにして得
られるサーボ信号Sの一例を示す。
When the measurement is started, a predetermined bias voltage V is applied between the probe 31 and the surface of the sample 1 from the bias voltage generating circuit 33.
The probe 31 is moved by the probe fine movement control mechanism 32 so that the distance z between the probe and the surface of the probe becomes a predetermined value of several nm or less.
It is moved in the axial direction. At this time, the tunnel current J t flowing between the probe 31 and the sample 1 surface is input to the current-voltage conversion circuit 34, is converted to the tunnel voltage V t. Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 35, by which the logarithm is determined, the current signal log
(J t ) is generated. The current signal log (J t ) is input to the time-division sampling circuit 45 and is sampled by the servo timing signal ST to be converted into a first sampling current signal log (J tm ). The first sampling current signal log (J tm ) is
The signal is input to the servo signal generation circuit 36. As a result, the first
Sampling current signal log (J tm ) (that is,
A servo signal S for feedback-controlling the distance z such that the tunnel current J t ) at the timing of each point Z m of the Z displacement signal ΔZ is constant is generated by the servo signal generation circuit 36 and the servo signal S Is generated. FIG. 5F shows an example of the servo signal S obtained in this manner.

【0095】サーボ信号Sは、加算器43に入力され
て、Z変位信号発生回路42により発生されたZ変位信
号ΔZと加算されたのち、増幅器39により増幅されて
Z軸制御信号CZ に変換されて、探針微動制御機構32
に入力される。これにより、Z変位信号ΔZの各点Zm
のタイミングにおけるトンネル電流Jt が一定となるよ
うに距離zがフィードバック制御されるが、同時に、探
針31は、Z変位信号ΔZにより図4図示Z軸方向に強
制的に移動させられる。図6(A)に、このようにして
フィードバック制御された探針31の軌跡の一例を示
す。
The servo signal S is input to the adder 43, added to the Z displacement signal ΔZ generated by the Z displacement signal generating circuit 42, and then amplified by the amplifier 39 to be converted into the Z axis control signal C Z. Then, the probe fine movement control mechanism 32
Is input to Thus, each point Z m of the Z displacement signal ΔZ
While the tunnel current J t at the timing of the distance z to be constant is feedback controlled, at the same time, the probe 31 is forced to move in Figure 4 the Z-axis direction by the Z displacement signal [Delta] Z. FIG. 6A shows an example of the trajectory of the probe 31 that has been feedback-controlled in this manner.

【0096】その後、所定のバイアス電圧Vが探針31
と試料1との間に印加された状態で、探針走査機構(不
図示)により探針31が試料1の表面に沿って図4図示
X軸方向に走査される。このとき、トンネル電流Jt
電流電圧変換回路34でトンネル電圧Vt に変換された
のち、対数回路35でカレント信号log(Jt) に変換
される。図6(B)に、カレント信号log(Jt) の一
例を示す。カレント信号log(Jt) は、時分割サンプ
リング回路35に入力されて、サーボタイミング信号S
Tと第1および第2のトンネル電流タイミング信号TT
1,TT2とによりそれぞれサンプリングされることによ
り、第1のサンプリングカレント信号log(Jtm),第
2のサンプリングカレント信号log(Jth)および第3
のサンプリングカレント信号log(Jtl)にそれぞれ変
換される(図6(C),(D)参照)。
Thereafter, a predetermined bias voltage V is applied to the probe 31.
The probe 31 is scanned in the X-axis direction shown in FIG. 4 along the surface of the sample 1 by a probe scanning mechanism (not shown) while the voltage is applied between the sample 1 and the sample 1. In this case, after the tunnel current J t is converted by the current-voltage conversion circuit 34 to the tunnel voltage V t, it is converted into a current signal log (J t) in a logarithmic circuit 35. FIG. 6B shows an example of the current signal log (J t ). The current signal log (J t ) is input to the time-division sampling circuit 35 and the servo timing signal S
T and the first and second tunnel current timing signals TT
1 and TT 2 , so that the first sampling current signal log (J tm ), the second sampling current signal log (J th ), and the third sampling current signal
It is converted respectively to the sampling current signal log (J tl) in (FIG. 6 (C), the reference (D)).

【0097】図6(E)に、以上のようにして得られた
第1のサンプリングカレント信号log(Jtm),第2の
サンプリングカレント信号log(Jth)および第3のサ
ンプリングカレント信号log(Jtl)の測定結果の一例
を示す。なお、同図に示すように、サーボタイミング信
号STでサンプリングされて得られる第1のサンプリン
グカレント信号log(Jtm)は、前述したフィードバッ
ク制御により一定値に保持されるが、第1および第2の
トンネル電流タイミング信号TT1,TT2でそれぞれサ
ンプリングされて得られる第2のサンプリングカレント
信号log(Jt h)および第3のサンプリングカレント信
号log(Jtl)は、必ずしも一定値とはならず、探針3
1と試料1の表面との間の距離zに応じてそれぞれ独立
に変化する。すなわち、第2のサンプリングカレント信
号log(Jth)および第3のサンプリングカレント信号
log(Jtl)はそれぞれ、図6(A)に示した探針31
の軌跡の破線Ah および破線Al におけるカレント信号
log(Jt) を示すものとなるため、探針31と試料1
の表面との間の距離zに対するカレント信号log
(Jt) の依存性を各画素S1〜S8ごとに求めることがで
きる。その結果、第2のサンプリングカレント信号lo
g(Jth)および第3のサンプリングカレント信号log
(Jtl)は、トンネル電流Jt がトンネルバイアハイトな
ど探針31と試料1の表面との間の距離zに依存して変
化する物理量をパラメーターとして含んでいるため、有
機物観察などにおいて必ずしも明確ではないトンネル電
流Jt の発生起源を明確にするための重要な情報をもた
らす。
FIG. 6E shows the first sampling current signal log (J tm ), second sampling current signal log (J th ), and third sampling current signal log (J th ) obtained as described above. An example of the measurement result of J tl ) is shown. As shown in the figure, the first sampling current signal log (J tm ) obtained by sampling with the servo timing signal ST is held at a constant value by the above-described feedback control. tunneling current timing signal TT 1, the second sampling current signal log obtained by sampling respectively TT 2 (J t h) and the third sampling current signal log (J tl) is not necessarily a constant value , Probe 3
1 and the surface of the sample 1 independently change according to the distance z. That is, the second sampling current signal log (J th ) and the third sampling current signal log (J tl ) are respectively the probe 31 shown in FIG.
To become as indicating a current signal log (J t) in the broken line A h and dashed A l trajectory, the probe 31 and the sample 1
Signal log for a distance z from the surface of
The dependency of (J t ) can be obtained for each of the pixels S 1 to S 8 . As a result, the second sampling current signal lo
g (J th ) and the third sampling current signal log
(J tl ) is necessarily clear in the observation of an organic substance or the like because the tunnel current J t includes a physical quantity such as a tunnel via height which changes depending on the distance z between the probe 31 and the surface of the sample 1 as a parameter. It provides important information for clarifying the generating origin of the tunnel current J t not.

【0098】したがって、走査型トンネル顕微鏡30で
は、探針31を一回だけ走査するだけで、カレント信号
log(Jt) の距離zに対する依存性を測定することが
できる。
Therefore, in the scanning tunneling microscope 30, the dependence of the current signal log (J t ) on the distance z can be measured by scanning the probe 31 only once.

【0099】以上の説明では、第1のカレント信号lo
g(Jtm)よりサーボ信号Sを発生させたが、 対数回路
35から出力されるカレント信号log(Jt) をZ変位
信号ΔZの周波数よりはるかに小さいカットオフ周波数
を有するローパスフィルターによって平均化した信号を
サーボ信号発生回路36に入力させることにより、サー
ボ信号Sを発生してもよい。なお、Z変位信号ΔZの周
波数は、探針微動制御機構32の機械的共振周波数より
も小さく設定されるとともに、電流電圧変換回路34お
よび対数回路35に用いられるローパスフィルターのカ
ットオフ周波数よりも小さく設定される。
In the above description, the first current signal lo
Although the servo signal S is generated from g (J tm ), the current signal log (J t ) output from the logarithmic circuit 35 is averaged by a low-pass filter having a cutoff frequency much smaller than the frequency of the Z displacement signal ΔZ. The servo signal S may be generated by inputting the resulting signal to the servo signal generation circuit 36. The frequency of the Z displacement signal ΔZ is set to be lower than the mechanical resonance frequency of the probe fine movement control mechanism 32 and lower than the cutoff frequency of the low-pass filter used in the current-voltage conversion circuit 34 and the logarithmic circuit 35. Is set.

【0100】次に、本発明の走査型トンネル顕微鏡の第
の実施例について説明する。
Next, the scanning tunneling microscope of the present invention will be described.
Example 2 will be described.

【0101】図1に示した走査型トンネル顕微鏡10で
は、前述したように、第1乃至第3のトンネルバリアハ
イトタイミング信号TB1〜TB3とサーボタイミング信
号STをタイミング信号発生回路24でそれぞれ発生し
て、トンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz の距
離zに対する依存性を測定した。しかし、図5(C),
(D)にそれぞれ示す第1および第2のトンネル電流タ
イミング信号TT1,TT2をタイミング信号発生回路2
4でさらに発生して、時分割サンプリング回路25で、
図4に示した時分割サンプリング回路45と同様にし
て、第1および第2のトンネル電流タイミング信号TT
1,TT2によりカレント信号log(Jt) をそれぞれサ
ンプリングして第2のサンプリングカレント信号log
(Jth)および第3のサンプリングカレント信号log
(Jtl)を得ることにより、探針11を一回だけ走査する
だけで、トンネルバリアハイト信号log(Jt)/dz
およびカレント信号log(Jt) の距離zに対する依存
性をそれぞれ測定することができるようにしてもよい。
In the scanning tunneling microscope 10 shown in FIG. 1, the first to third tunnel barrier height timing signals TB 1 to TB 3 and the servo timing signal ST are generated by the timing signal generation circuit 24 as described above. Then, the dependence of the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz on the distance z was measured. However, FIG.
The first and second tunnel current timing signals are shown in (D) TT 1, TT 2 timing signal generating circuit 2
4 and the time-division sampling circuit 25
Similarly to the time-division sampling circuit 45 shown in FIG. 4, the first and second tunnel current timing signals TT
1 and TT 2 to sample the current signal log (J t ) to obtain a second sampled current signal log
(J th ) and the third sampling current signal log
By obtaining (J tl ), the probe 11 is scanned only once, and the tunnel barrier height signal log (J t ) / dz is obtained.
And the dependence of the current signal log (J t ) on the distance z may be measured.

【0102】以上説明した第1およびの実施例で
は、複数の離散的な距離zに対するカレント信号log
(Jt)またはトンネルバリアハイト信号log(Jt
/dzの依存性の測定について述べたが、たとえばZ変
位信号ΔZとして鋸波状の信号を用い、サンプリングタ
イミング信号としてZ変位信号ΔZに同期した同じ周波
数を有するゲート信号を用いることによって、各測定ポ
イントに対するカレント信号log(Jt)またはトン
ネルバリアハイト信号log(Jt)/dzの連続的な
距離依存性の測定を行うこともできる。
In the first and second embodiments described above, the current signal log for a plurality of discrete distances z is
(J t ) or tunnel barrier height signal log (J t )
Although the measurement of the dependence of / dz has been described, for example, a sawtooth signal is used as the Z displacement signal ΔZ, and a gate signal having the same frequency synchronized with the Z displacement signal ΔZ is used as the sampling timing signal. it is also possible to make measurements of the continuous distance dependence of the current signal log (J t) or tunnel barrier height signal log (J t) / dz for.

【0103】図7は、本発明の走査型トンネル顕微鏡の
の実施例を示す概略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【0104】走査型トンネル顕微鏡50は、探針51と
試料1の表面との間に印加するバイアス電圧を高周波で
微小変化させながら探針51を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させたときに探針51と試料1の
表面との間の相互作用により生じるトンネル電流Jt
検出して、カレント信号log(Jt) ,トポ信号Tおよ
び微分コンダクタンス信号dJt/dV をそれぞれ得る
ものであり、以下に示す点について、図14に示した従
来の走査型トンネル顕微鏡200 と異なる。
The scanning tunneling microscope 50 moves the probe 51 along the surface of the sample 1 along the X-axis direction in the figure while slightly changing the bias voltage applied between the probe 51 and the surface of the sample 1 at a high frequency. by detecting the tunnel current J t caused by the interaction between the probe 51 and the sample 1 surface when brought into scanned, the current signal log (J t), topo signals T and differential conductance signal dJ t / dV Are different from the conventional scanning tunnel microscope 200 shown in FIG. 14 in the following points.

【0105】(1)探針51を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きくかつバ
イアス電圧を微小変化させる周波数よりも小さい周波数
で、バイアス電圧を強制的に変化させるバイアス電圧変
化手段として、基準クロック発生回路61およびバイア
ス電圧変化信号発生回路62を含む。
(1) The bias voltage is forcibly applied at a frequency higher than the frequency at which the probe 51 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction in FIG. As the bias voltage changing means for changing, a reference clock generating circuit 61 and a bias voltage changing signal generating circuit 62 are included.

【0106】(2)探針51を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きくかつバ
イアス電圧を微小変化させる周波数よりも小さい周波数
を有する、互いに位相が異なる、複数のタイミング信号
(第1乃至第3の微分コンダクタンスタイミング信号T
1〜TC3とサーボタイミング信号ST)を発生するタ
イミング信号発生手段として、タイミング信号発生回路
64を含む。
(2) The probe 51 has a frequency higher than the frequency at which the probe 51 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction as shown in the figure and smaller than the frequency at which the bias voltage is slightly changed. A plurality of timing signals (first to third differential conductance timing signals T
A timing signal generating circuit 64 is included as timing signal generating means for generating C 1 to TC 3 and the servo timing signal ST).

【0107】(3)第1乃至第3の微分コンダクタンス
タイミング信号TC1〜TC3により微分コンダクタンス
信号dJt/dV をそれぞれサンプリングする時分割サ
ンプリング手段として、時分割サンプリング回路65を
含む。
(3) A time-division sampling circuit 65 is included as time-division sampling means for sampling the differential conductance signal dJ t / dV with the first to third differential conductance timing signals TC 1 to TC 3 , respectively.

【0108】ここで、基準クロック発生回路61は、探
針51を試料1の表面に沿って同図図示X軸方向に走査
させる周波数よりも大きく、かつ、バイアス電圧変調信
号発生回路58で発生されるバイアス電圧変調信号MV
の周波数よりも小さい周波数を有する基準クロックRC
を発生する。バイアス電圧変化信号発生回路62は、基
準クロックRCに同期してバイアス電圧変化信号ΔVを
発生する。なお、バイアス電圧変化信号ΔVは、加算器
63により、バイアス電圧発生回路53で発生されるバ
イアス電圧Vおよびバイアス電圧変調信号発生回路58
で発生されるバイアス電圧変調信号MV と加算される。
タイミング信号発生回路64は、基準クロックRCの互
いに異なる位相に同期して、第1乃至第3の微分コンダ
クタンスタイミング信号TC1〜TC3とサーボタイミン
グ信号STとをそれぞれ発生する。時分割サンプリング
回路65は、サーボタイミング信号STによりカレント
信号log(Jt) もサンプリングする。
Here, the reference clock generation circuit 61 is generated by the bias voltage modulation signal generation circuit 58 at a frequency higher than the frequency at which the probe 51 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. Bias voltage modulation signal M V
Reference clock RC having a frequency lower than the frequency of
Occurs. The bias voltage change signal generation circuit 62 generates a bias voltage change signal ΔV in synchronization with the reference clock RC. The bias voltage change signal ΔV is converted by the adder 63 into the bias voltage V generated by the bias voltage generation circuit 53 and the bias voltage modulation signal generation circuit 58.
Is added to the bias voltage modulation signal M V generated at
The timing signal generating circuit 64 generates the first to third differential conductance timing signals TC 1 to TC 3 and the servo timing signal ST in synchronization with the mutually different phases of the reference clock RC. The time-division sampling circuit 65 also samples the current signal log ( Jt ) based on the servo timing signal ST.

【0109】次に、走査型トンネル顕微鏡50の動作に
ついて、図8に示すタイミングチャートおよび図9に示
すタイミングチャートをそれぞれ参照して説明する。
Next, the operation of the scanning tunneling microscope 50 will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 8 and the timing chart shown in FIG.

【0110】走査型トンネル顕微鏡50では、トポ信号
Tとカレント信号log(Jt) と微分コンダクタンス信
号dJt/dV とが、図8(A)に示す各画素S1〜S8
単位に測定されることにより、試料1の表面のトポグラ
フを示す画像および電子やフォノンの状態密度の試料面
内分布を原始の尺度で示す画像がそれぞれ得られる。し
たがって、各画素S1〜S8の同図(A)図示横方向の距
離は、探針51が試料1の表面に沿って図7図示X軸方
向に走査される走査時間に相当する。
In the scanning tunneling microscope 50, the topo signal T, the current signal log (J t ), and the differential conductance signal dJ t / dV are converted into the respective pixels S 1 to S 8 shown in FIG.
By measuring in units, an image showing the topography of the surface of the sample 1 and an image showing the in-plane distribution of the state density of electrons and phonons on the sample plane are obtained. Therefore, the horizontal distance of each of the pixels S 1 to S 8 in the same figure (A) corresponds to the scanning time for the probe 51 to scan along the surface of the sample 1 in the X-axis direction in FIG.

【0111】測定が開始されると、バイアス変調信号M
V がバイアス変調信号発生回路58により連続的に発生
される。ここで、バイアス変調信号MV は、探針51と
試料1の表面との間に印加されるバイアス電圧を高周波
で微小変化させるためのものであり、その振幅は1〜5
0mVに設定され、その波形は正弦波とされている。な
お、バイアス変調信号MV の波形は、ステップ波,鋸波
またはこれらの波形の組み合わせとしてもよい。
When the measurement is started, the bias modulation signal M
V is continuously generated by the bias modulation signal generation circuit 58. Here, the bias modulation signal M V is for slightly changing the bias voltage applied between the probe 51 and the surface of the sample 1 at a high frequency, and has an amplitude of 1 to 5
It is set to 0 mV, and its waveform is a sine wave. The waveform of the bias modulation signal M V, the step wave, or a combination of the sawtooth or these waveforms.

【0112】また、測定が開始されると、基準クロック
RCが基準クロック発生回路61により連続的に発生さ
れる。基準クロックRCはバイアス電圧変化信号発生回
路62に入力され、バイアス電圧変化信号ΔVがバイア
ス電圧変化信号発生回路62により基準クロックRCに
同期して発生される。ここで、基準クロックRCの周波
数は、探針11を試料1の表面に沿って図7図示X軸方
向に走査させる周波数(前記走査時関の逆数)よりも大
きくされており、バイアス電圧変化信号発生回路62に
おいて、前記走査時間と等しい周期を有するバイアス電
圧変化信号ΔVが発生できるようにされている。なお、
バイアス電圧変化信号ΔVの周期を前記走査時間と等し
くする必要は必ずしもないが、該走査時間と等しいか該
走査時間よりも小さくする必要がある。また、バイアス
電圧変化信号ΔVの振幅は、特に制限はないが、代表的
には0.1〜3Vに設定される。さらに、バイアス電圧
変化信号ΔVの波形も、特に制限はなく、本実施例では
鋸波とされるが、正弦波,ステップ波またはこれらの波
形の組み合わせなどとしてもよい。
When the measurement is started, the reference clock RC is continuously generated by the reference clock generation circuit 61. The reference clock RC is input to the bias voltage change signal generation circuit 62, and the bias voltage change signal ΔV is generated by the bias voltage change signal generation circuit 62 in synchronization with the reference clock RC. Here, the frequency of the reference clock RC is set to be higher than the frequency for scanning the probe 11 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. In the generation circuit 62, a bias voltage change signal ΔV having a cycle equal to the scanning time can be generated. In addition,
It is not necessary to make the cycle of the bias voltage change signal ΔV equal to the scanning time, but it is necessary to make it equal to or shorter than the scanning time. The amplitude of the bias voltage change signal ΔV is not particularly limited, but is typically set to 0.1 to 3 V. Further, the waveform of the bias voltage change signal ΔV is not particularly limited, and is a sawtooth wave in the present embodiment, but may be a sine wave, a step wave, or a combination of these waveforms.

【0113】バイアス電圧変化信号ΔVは、加算器63
で、バイアス電圧発生回路53で発生されたバイアス電
圧Vとバイアス変調信号発生回路58で発生されたバイ
アス変調信号MV と加算されて、バイアス制御信号CV
に変換される。図8(B)に、加算器63においてバイ
アス変調信号MV とバイアス電圧変化信号ΔVとを加算
した波形を示す。バイアス制御信号CV が探針51と試
料1の表面との間に印加されることにより、探針51と
試料1の表面との間に所定のバイアス電圧Vが印加され
るが、同時に、探針51と試料1の表面との間のバイア
ス電圧が、バイアス変調信号MV により高周波で微小変
化させられるとともに、バイアス電圧変化信号ΔVによ
り強制的に変化させられる。
The bias voltage change signal ΔV is supplied to the adder 63
Then, the bias voltage V generated by the bias voltage generation circuit 53 and the bias modulation signal M V generated by the bias modulation signal generation circuit 58 are added to generate a bias control signal C V
Is converted to In FIG. 8 (B), shows a waveform obtained by adding the bias modulation signal M V and the bias voltage change signal ΔV in the adder 63. When the bias control signal C V is applied between the probe 51 and the surface of the sample 1, a predetermined bias voltage V is applied between the probe 51 and the surface of the sample 1. bias voltage between the needle 51 and the sample 1 surface, with is then slightly changed at a high frequency by the bias modulation signal M V, and is forced to change the bias voltage change signal [Delta] V.

【0114】基準クロック発生回路61により発生され
た基準クロックRCは、タイミング信号発生回路64に
も入力され、第1乃至第3の微分コンダクタンスタイミ
ング信号TC1〜TC3とサーボタイミング信号STと
が、図8(C)〜(F)にそれぞれ示すように、タイミ
ング信号発生回路64により基準クロックRCの互いに
異なる位相に同期してそれぞれ発生される。
The reference clock RC generated by the reference clock generation circuit 61 is also input to the timing signal generation circuit 64, and the first to third differential conductance timing signals TC 1 to TC 3 and the servo timing signal ST As shown in FIGS. 8C to 8F, the timing signals are generated by the timing signal generation circuit 64 in synchronization with mutually different phases of the reference clock RC.

【0115】また、測定が開始されると、探針51と試
料1との間の距離zが数nm以下の所定値となるよう
に、探針微動制御機構52により探針51が図7図示Z
軸方向に移動される。このとき、探針51と試料1の表
面との間に流れるトンネル電流Jt が電流電圧変換回路
54に入力されて、トンネル電圧Vt に変換される。ト
ンネル電圧Vt は、対数回路55に入力されて、その対
数値が求められることにより、カレント信号log
(Jt) が発生される。カレント信号log(Jt) は、時
分割サンプリング回路65に入力されて、サーボタイミ
ング信号STによりサンプリングされることにより、第
1のサンプリングカレント信号log(Jtm)に変換され
る。第1のサンプリングカレント信号log(Jtm)は、
サーボ信号発生回路56に入力されて、第1のサンプリ
ングカレント信号log(Jtm)が一定となるように距離
zをフィードバック制御するためのサーボ信号Sが、サ
ーボ信号発生回路56で発生されるとともに、サーボ信
号Sに応じたトポ信号Tが発生される。図8(G)に、
このようにして得られたサーボ信号Sの一例を示す。
When the measurement is started, the probe 51 is moved by the probe fine movement control mechanism 52 so that the distance z between the probe 51 and the sample 1 becomes a predetermined value of several nm or less, as shown in FIG. Z
It is moved in the axial direction. At this time, the tunnel current J t flowing between the probe 51 and the sample 1 surface is input to the current-voltage conversion circuit 54, is converted to the tunnel voltage V t. Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 55, by which the logarithm is determined, the current signal log
(J t ) is generated. The current signal log (J t ) is input to the time-division sampling circuit 65 and is converted into a first sampling current signal log (J tm ) by being sampled by the servo timing signal ST. The first sampling current signal log (J tm ) is
The servo signal generation circuit 56 generates a servo signal S which is input to the servo signal generation circuit 56 and performs feedback control of the distance z so that the first sampling current signal log (J tm ) becomes constant. , A top signal T corresponding to the servo signal S is generated. In FIG. 8 (G),
An example of the servo signal S obtained in this way is shown.

【0116】サーボ信号Sは増幅器57に入力され、増
幅器57により増幅されてZ軸制御信号CZ に変換され
たのち、探針微動制御機構52に入力される。これによ
り、サーボタイミング信号STのタイミングにおけるト
ンネル電流Jt が一定となるように距離zがフィードバ
ック制御される。
The servo signal S is input to the amplifier 57, amplified by the amplifier 57 and converted into a Z-axis control signal C Z , and then input to the probe fine movement control mechanism 52. Thus, the distance z is feedback controlled so tunneling current J t at the timing of the servo timing signal ST is constant.

【0117】その後、バイアス電圧Vとバイアス変調信
号MV とバイアス電圧変化信号ΔVとが探針51と試料
1の表面との間に印加された状態で、探針走査機構(不
図示)により探針51が試料1の表面に沿って図7図示
X軸方向に走査される。このとき、トンネル電流Jt
は、対数回路55と微分コンダクタンス信号発生回路6
0とにそれぞれ入力される。微分コンダクタンス信号発
生回路60では、バイアス変調信号発生回路58から送
られてくる参照信号RV (たとえば、バイアス変調信号
V の同期信号)とトンネル電流Jt とから、トンネル
電流Jt のバイアス電圧Vに関する微分成分が検出され
ることにより、微分コンダクタンス信号dJt/dV が
発生される。図9(A)に、このようにして微分コンダ
クタンス信号発生回路60で発生された微分コンダクタ
ンス信号dJt/dV の一例を示す。
After that, while the bias voltage V, the bias modulation signal M V, and the bias voltage change signal ΔV are applied between the probe 51 and the surface of the sample 1, a probe scanning mechanism (not shown) is used. The needle 51 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. At this time, the tunnel current J t
Is a logarithmic circuit 55 and a differential conductance signal generating circuit 6
0 and are respectively input. In differential conductance signal generating circuit 60, the bias modulation signal reference signal sent from the generating circuit 58 R V (e.g., synchronization signal of the bias modulation signal M V) and a tunnel current J t, the bias voltage of the tunneling current J t By detecting a differential component related to V, a differential conductance signal dJ t / dV is generated. FIG. 9A shows an example of the differential conductance signal dJ t / dV generated by the differential conductance signal generation circuit 60 in this manner.

【0118】微分コンダクタンス信号dJt/dV は時
分割サンプリング回路65に入力されて、第1乃至第3
の微分コンダクタンスタイミング信号TC1〜TC3によ
りそれぞれサンプリングされることにより、第1のサン
プリング微分コンダクタンス信号dJt1/dV,第2の
サンプリング微分コンダクタンス信号dJt2/dVおよ
び第3のサンプリング微分コンダクタンス信号dJt3
dVにそれぞれ変換される(図9(B)〜(D)参
照)。その結果、第1乃至第3のサンプリング微分コン
ダクタンス信号dJt1/dV〜dJt3/dVより、図9
(E)に示すように、バイアス電圧Vに対する微分コン
ダクタンス信号dJt/dV の依存性を各測定ポイント
(各画素S1〜S8に相当)ごとに求めることができる。
The differential conductance signal dJ t / dV is input to the time-division sampling circuit 65, and the first to third
By being sampled respectively by the differential conductance timing signal TC 1 to Tc 3, first sampling differential conductance signal dJ t1 / dV, the second sampling differential conductance signal dJ t2 / dV and third sampling differential conductance signal dJ t3 /
Each of them is converted to dV (see FIGS. 9B to 9D). As a result, from the first to third sampling differential conductance signal dJ t1 / dV~dJ t3 / dV, 9
As shown in (E), the dependence of the differential conductance signal dJ t / dV on the bias voltage V can be obtained for each measurement point (corresponding to each of the pixels S 1 to S 8 ).

【0119】したがって、走査型トンネル顕微鏡50で
は、探針51を一回だけ走査するだけで、微分コンダク
タンス信号dJt/dV のバイアス電圧Vに対する依存
性を測定することができる。
Therefore, in the scanning tunneling microscope 50, the dependence of the differential conductance signal dJ t / dV on the bias voltage V can be measured by scanning the probe 51 only once.

【0120】以上の説明では、第1のカレント信号lo
g(Jtm)よりサーボ信号Sを発生させたが、対数回路5
5から出力されるカレント信号log(Jt) をバイアス
電圧変化信号ΔVの周波数よりはるかに小さいカットオ
フ周波数を有するローパスフィルターによって平均化し
た信号をサーボ信号発生回路56に入力させることによ
り、サーボ信号Sを発生してもよい。なお、バイアス電
圧変化信号ΔVの周波数は、探針微動制御機構52の機
械的共振周波数よりも小さく設定されるとともに、電流
電圧変換回路54および対数回路55に用いられるロー
パスフィルターのカットオフ周波数よりも小さく設定さ
れる。
In the above description, the first current signal lo
g (J tm ) generates servo signal S, but logarithmic circuit 5
5 is averaged by a low-pass filter having a cutoff frequency much smaller than the frequency of the bias voltage change signal ΔV, and a signal obtained by averaging the current signal log (J t ) is input to the servo signal generation circuit 56. S may be generated. The frequency of the bias voltage change signal ΔV is set lower than the mechanical resonance frequency of the probe fine movement control mechanism 52, and is lower than the cutoff frequency of the low-pass filter used in the current-voltage conversion circuit 54 and the logarithmic circuit 55. Set smaller.

【0121】また、微分コンダクタンス信号発生回路6
0をロックインアンプなどで構成することにより、トン
ネル電流Jt のバイアス変調信号MV に応答した変調成
分のみをAC的に同期検波することによって、トンネル
電流Jt のバイアス電圧Vの微分成分として、バイアス
電圧値に対応するエネルギー準位における電磁状態密度
に相当する微分コンダクタンス信号dJt/dVを高い
S/N比で得てもよい。 さらに、探針51の図7図示
X軸方向の走査の周波数を1Hzとした場合、バイアス
電圧変化信号ΔVの周波数を100〜500Hzに設定
すると、測定ポイントは一走査線あたり100〜500
になる。このとき、バイアス電圧変化信号ΔVの周波数
は1〜数10kHz程度に設定されるのが望ましい。な
お、バイアス変調信号MV の周波数は、探針微動駆動機
構52の機械的共振周波数よりも小さく設定されるとと
もに、電流電圧変換回路54および対数回路55に用い
られるローパスフィルターのカットオフ周波数よりも小
さく設定される必要があり、探針微動駆動機構52の機
械的共振周波数を数10kHz以上にする場合には、マ
イクロメカニクス技術によってシリコン基板上などに形
成されるバイモルフ型圧電薄膜構造を微動制御機構とし
て有するマイクロカンチレバーなどを用いることができ
る。
Further, the differential conductance signal generating circuit 6
By configuring the 0 like the lock-in amplifier, only the modulated component in response to the bias modulation signal M V of the tunnel current J t by AC to synchronous detection, as a differential component of the bias voltage V of the tunnel current J t Alternatively, the differential conductance signal dJ t / dV corresponding to the density of electromagnetic states at the energy level corresponding to the bias voltage value may be obtained at a high S / N ratio. Furthermore, when the frequency of the scanning of the probe 51 in the X-axis direction shown in FIG. 7 is 1 Hz, and the frequency of the bias voltage change signal ΔV is set to 100 to 500 Hz, the measurement point is 100 to 500 per scanning line.
become. At this time, it is desirable that the frequency of the bias voltage change signal ΔV be set to about 1 to several tens kHz. The frequency of the bias modulation signal M V, along with is set smaller than the mechanical resonance frequency of the probe fine movement driving mechanism 52, than the cutoff frequency of the low pass filter used in the current-voltage conversion circuit 54 and the logarithmic circuit 55 When the mechanical resonance frequency of the probe fine movement drive mechanism 52 is required to be several tens kHz or more, a bimorph type piezoelectric thin film structure formed on a silicon substrate or the like by a micromechanics technique is used. A micro cantilever or the like can be used.

【0122】図10は、本発明の走査型トンネル顕微鏡
の第参考例を示す概略構成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a second reference example of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【0123】走査型トンネル顕微鏡70は、試料1の表
面に沿って探針71を同図図示X軸方向に走査させたと
きに探針71と試料1の表面との間の相互作用により生
じるトンネル電流Jt を検出して、カレント信号log
(Jt) およびトポ信号Tをそれぞれ得るものであり、以
下に示す点について、図14に示した従来の走査型トン
ネル顕微鏡200 と異なる。
The scanning tunnel microscope 70 scans the probe 71 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in the figure, and generates a tunnel generated by the interaction between the probe 71 and the surface of the sample 1. The current Jt is detected and the current signal log
(J t ) and the topo signal T, respectively, and are different from the conventional scanning tunneling microscope 200 shown in FIG. 14 in the following points.

【0124】(1)探針71を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きい周波数
で、探針71と試料1の表面との間に印加されるバイア
ス電圧を強制的に変化させるバイアス電圧変化手段とし
て、基準クロック発生回路81およびバイアス電圧変化
信号発生回路82を含む。
(1) A bias voltage applied between the probe 71 and the surface of the sample 1 at a frequency higher than the frequency at which the probe 71 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. Includes a reference clock generation circuit 81 and a bias voltage change signal generation circuit 82.

【0125】(2)探針71を試料1の表面に沿って同
図図示X軸方向に走査させる周波数よりも大きい周波数
を有する、互いに位相が異なる、複数のタイミング信号
(第1および第2のトンネル電流タイミング信号T
1,TT2とサーボタイミング信号ST)を発生するタ
イミング信号発生手段として、タイミング信号発生回路
84を含む。
(2) A plurality of timing signals (first and second signals) having a frequency higher than the frequency for scanning the probe 71 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. Tunnel current timing signal T
A timing signal generating circuit 84 is included as timing signal generating means for generating T 1 , TT 2 and the servo timing signal ST).

【0126】(3)第1および第2のトンネル電流タイ
ミング信号TT1,TT2とサーボタイミング信号STと
によりカレント信号log(Jt) をそれぞれサンプリン
グする時分割サンプリング手段として、時分割サンプリ
ング回路85を含む。
(3) The time-division sampling circuit 85 serves as time-division sampling means for sampling the current signal log (J t ) using the first and second tunnel current timing signals TT 1 , TT 2 and the servo timing signal ST, respectively. including.

【0127】ここで、基準クロック発生回路81は、探
針71を試料1の表面に沿って同図図示X軸方向に走査
させる周波数よりも大きい周波数を有する基準クロック
RCを発生する。バイアス電圧変化信号発生回路82
は、基準クロックRCに同期してバイアス電圧変化信号
ΔVを発生する。なお、バイアス電圧変化信号ΔVは、
加算器83により、バイアス電圧発生回路73で発生さ
れるバイアス電圧Vと加算される。タイミング信号発生
回路84は、基準クロックRCの互いに異なる位相に同
期して、第1および第2のトンネル電流タイミング信号
TT1,TT2とサーボタイミング信号STとをそれぞれ
発生する。
Here, the reference clock generation circuit 81 generates a reference clock RC having a frequency higher than the frequency at which the probe 71 is scanned along the surface of the sample 1 in the X-axis direction in the figure. Bias voltage change signal generation circuit 82
Generates a bias voltage change signal ΔV in synchronization with the reference clock RC. Note that the bias voltage change signal ΔV is
The adder 83 adds the bias voltage V generated by the bias voltage generation circuit 73 to the bias voltage V. The timing signal generating circuit 84 generates the first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 and the servo timing signal ST in synchronization with mutually different phases of the reference clock RC.

【0128】次に、走査型トンネル顕微鏡70の動作に
ついて、図11に示すタイミングチャートおよび図12
に示すタイミングチャートをそれぞれ参照して説明す
る。
Next, the operation of the scanning tunneling microscope 70 will be described with reference to the timing chart shown in FIG.
This will be described with reference to the timing charts shown in FIGS.

【0129】走査型トンネル顕微鏡70では、トポ信号
Tとカレント信号log(Jt) とが、図11(A)に示
す各画素S1〜S8単位に測定されることにより、試料1
の表面のトポグラフを示す画像が得られる。したがっ
て、各画素S1〜S8の同図(A)図示横方向の距離は、
探針71が試料1の表面に沿って図10図示X軸方向に
走査される走査時間に相当する。
In the scanning tunneling microscope 70, the topo signal T and the current signal log (J t ) are measured for each pixel S 1 to S 8 shown in FIG.
An image showing the topograph of the surface of is obtained. Therefore, the horizontal distance of each of the pixels S 1 to S 8 in FIG.
This corresponds to a scanning time in which the probe 71 scans along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG.

【0130】測定が開始されると、基準クロックRCが
基準クロック発生回路81により連続的に発生される。
基準クロックRCはバイアス電圧変化信号発生回路82
に入力され、バイアス電圧変化信号ΔVがバイアス電圧
変化信号発生回路82により基準クロックRCに同期し
て発生される。ここで、基準クロックRCの周波数は、
探針71を試料1の表面に沿って図10図示X軸方向に
走査させる周波数(前記走査時関の逆数)よりも大きく
されており、バイアス電圧変化信号発生回路82におい
て、前記走査時間と等しい周期を有するバイアス電圧変
化信号ΔVが発生できるようにされている(図11
(B)参照)。なお、バイアス電圧変化信号ΔVの周期
を前記走査時間と等しくする必要は必ずしもないが、該
走査時間と等しいか該走査時間よりも小さくする必要が
ある。また、バイアス電圧変化信号ΔVの振幅は、特に
制限はないが、代表的には0.1〜3Vに設定される。
さらに、バイアス電圧変化信号ΔVの波形も、特に制限
はなく、本実施例では鋸波とされるが、正弦波,ステッ
プ波またはこれらの波形の組み合わせなどとしてもよ
い。
When the measurement is started, the reference clock RC is continuously generated by the reference clock generation circuit 81.
The reference clock RC is a bias voltage change signal generation circuit 82.
, And a bias voltage change signal ΔV is generated by the bias voltage change signal generation circuit 82 in synchronization with the reference clock RC. Here, the frequency of the reference clock RC is
The frequency for scanning the probe 71 along the surface of the sample 1 in the X-axis direction shown in FIG. 10 (the reciprocal of the scanning time) is equal to the scanning time in the bias voltage change signal generation circuit 82. A bias voltage change signal ΔV having a period can be generated (FIG. 11).
(B)). The cycle of the bias voltage change signal ΔV is not necessarily required to be equal to the scanning time, but it is necessary to make the cycle equal to or shorter than the scanning time. The amplitude of the bias voltage change signal ΔV is not particularly limited, but is typically set to 0.1 to 3 V.
Further, the waveform of the bias voltage change signal ΔV is not particularly limited, and is a sawtooth wave in the present embodiment, but may be a sine wave, a step wave, or a combination of these waveforms.

【0131】バイアス電圧変化信号ΔVは、加算器83
で、バイアス電圧発生回路73で発生されるバイアス電
圧Vと加算されて、バイアス制御信号CV に変換され
る。バイアス制御信号CV が探針71と試料1の表面と
の間に印加されることにより、探針71と試料1の表面
との間に所定のバイアス電圧Vが印加されるが、同時
に、探針71と試料1の表面との間のバイアス電圧が、
バイアス電圧変化信号ΔVにより強制的に変化させられ
る。
The bias voltage change signal ΔV is added to the adder 83
Is added to the bias voltage V generated by the bias voltage generation circuit 73 and converted into a bias control signal C V. When the bias control signal C V is applied between the probe 71 and the surface of the sample 1, a predetermined bias voltage V is applied between the probe 71 and the surface of the sample 1. The bias voltage between the needle 71 and the surface of the sample 1 is
Forcibly changed by the bias voltage change signal ΔV.

【0132】基準クロックRCはタイミング信号発生回
路84にも入力され、第1および第2のトンネル電流タ
イミング信号TT1,TT2とサーボタイミング信号ST
とがタイミング信号発生回路84により基準クロックR
Cの互いに異なる位相に同期してそれぞれ発生される。
すなわち、第1のトンネル電流タイミング信号TT1
バイアス電圧変化信号ΔVの各点Vh (同図(B)に示
す黒丸)のタイミングで発生され(同図(C)参照)、
第2のトンネル電流タイミング信号TT2 がバイアス電
圧変化信号ΔVの各点Vl (同図(B)に示す黒三角)
のタイミングで発生され(同図(D)参照)、サーボタ
イミング信号STがバイアス電圧変化信号ΔVの各点V
m (同図(B)に示す白丸)のタイミングで発生される
(同図(E)参照)。
The reference clock RC is also input to the timing signal generation circuit 84, where the first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 and the servo timing signal ST
Is the reference clock R by the timing signal generation circuit 84.
C are generated in synchronization with different phases of C, respectively.
That is, the first tunnel current timing signal TT 1 is generated at the timing of each point V h (the black circle shown in FIG. 2B) of the bias voltage change signal ΔV (see FIG. 2C),
Each point V l of the second tunnel current timing signal TT 2 is the bias voltage change signal [Delta] V (black triangles shown in FIG. (B))
(See FIG. 3D), and the servo timing signal ST is generated at each point V of the bias voltage change signal ΔV.
m (open circles shown in FIG. 7B) (see FIG. 7E).

【0133】また、測定が開始されると、探針71と試
料1の表面との間の距離zが数nm以下の所定値となる
ように、探針微動制御機構72により探針71が図10
図示Z軸方向に移動される。このとき、探針71と試料
1の表面との間に流れるトンネル電流Jt が電流電圧変
換回路74に入力されて、トンネル電圧Vt に変換され
る。トンネル電圧Vt は、対数回路75に入力されて、
その対数値が求められることにより、カレント信号lo
g(Jt) が発生される。カレント信号log(Jt) は、
時分割サンプリング回路85に入力されて、サーボタイ
ミング信号STによりサンプリングされることにより、
第1のサンプリングカレント信号log(Jtm)に変換さ
れる。第1のサンプリングカレント信号log(Jtm)
は、サーボ信号発生回路76に入力され、第1のサンプ
リングカレント信号log(Jtm)(すなわち、バイアス
電圧変化信号ΔVの各点Vm のタイミングにおけるトン
ネル電流Jt )が一定となるように距離zをフィードバ
ック制御するためのサーボ信号Sが、サーボ信号発生回
路76で発生されるとともに、サーボ信号Sに応じたト
ポ信号Tが発生される。図11(F)に、このようにし
て得られたサーボ信号Sの一例を示す。
Further, when the measurement is started, the probe fine movement control mechanism 72 moves the probe 71 so that the distance z between the probe 71 and the surface of the sample 1 becomes a predetermined value of several nm or less. 10
It is moved in the illustrated Z-axis direction. At this time, the tunnel current J t flowing between the probe 71 and the sample 1 surface is input to the current-voltage conversion circuit 74, is converted to the tunnel voltage V t. Tunnel voltage V t is input to a logarithmic circuit 75,
By obtaining the logarithmic value, the current signal lo
g (J t ) is generated. The current signal log (J t ) is
By being input to the time-division sampling circuit 85 and being sampled by the servo timing signal ST,
It is converted into a first sampling current signal log (J tm ). First sampling current signal log (J tm )
Is input to the servo signal generation circuit 76 and the distance is set so that the first sampling current signal log (J tm ) (that is, the tunnel current J t at the timing of each point V m of the bias voltage change signal ΔV) is constant. A servo signal S for feedback-controlling z is generated by a servo signal generation circuit 76, and a top signal T corresponding to the servo signal S is generated. FIG. 11F shows an example of the servo signal S thus obtained.

【0134】サーボ信号Sは、増幅器77により増幅さ
れてZ軸制御信号CZ に変換されて探針微動制御機構7
2に入力される。これにより、バイアス電圧変化信号Δ
Vの各点Vm のタイミングにおけるトンネル電流Jt
一定となるように、距離zがフィードバック制御され
る。図12(A)に、このようにしてフィードバック制
御された探針71の軌跡の一例を示す。
The servo signal S is amplified by the amplifier 77 and converted into a Z-axis control signal C Z to control the fine movement control mechanism 7 of the probe.
2 is input. As a result, the bias voltage change signal Δ
As tunneling current J t becomes constant at the timing of each point V m and V, the distance z is feedback controlled. FIG. 12A shows an example of the trajectory of the probe 71 that has been feedback-controlled in this manner.

【0135】その後、バイアス電圧制御信号CV が探針
71と試料1との間に印加された状態で、探針走査機構
(不図示)により探針71が図10図示X軸方向に走査
される。このとき、トンネル電流Jt が電流電圧変換回
路74でトンネル電圧Vt に変換されたのち、対数回路
75でカレント信号log(Jt) に変換される。図12
(B)に、カレント信号log(Jt) の一例を示す。カ
レント信号log(Jt) は、時分割サンプリング回路8
5に入力されて、サーボタイミング信号STと第1およ
び第2のトンネル電流タイミング信号TT1,TT2とに
よりそれぞれサンプリングされることにより、第1のサ
ンプリングカレント信号log(Jtm),第2のサンプリ
ングカレント信号log(Jth)および第3のサンプリン
グカレント信号log(Jtl)にそれぞれ変換される(図
12(C),(D)参照)。
Thereafter, with the bias voltage control signal C V applied between the probe 71 and the sample 1, the probe 71 is scanned in the X-axis direction shown in FIG. 10 by a probe scanning mechanism (not shown). You. In this case, after the tunnel current J t is converted by the current-voltage conversion circuit 74 to the tunnel voltage V t, it is converted into a current signal log (J t) in a logarithmic circuit 75. FIG.
(B) shows an example of the current signal log (J t ). The current signal log (J t ) is supplied to the time-division sampling circuit 8.
5 and are respectively sampled by the servo timing signal ST and the first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 , so that the first sampling current signal log (J tm ) and the second sampling current signal log (J tm ) The signals are converted into a sampling current signal log (J th ) and a third sampling current signal log (J tl ), respectively (see FIGS. 12C and 12D ).

【0136】図12(E)に、以上のようにして得られ
た第1のサンプリングカレント信号log(Jtm),第2
のサンプリングカレント信号log(Jth)および第3の
サンプリングカレント信号log(Jtl)の測定結果の一
例を示す。なお、図12(E)に示すように、サーボタ
イミング信号STでサンプリングされて得られる第1の
サンプリングカレント信号log(Jtm)は、前述したフ
ィードバック制御により一定値に保持されるが、第1お
よび第2のトンネル電流タイミング信号TT1,TT2
サンプリングされて得られる第2のサンプリングカレン
ト信号log(Jth)および第3のサンプリングカレント
信号log(Jtl)は、必ずしも一定値とはならず、探針
71と試料1の表面との間に印加されるバイアス電圧
(バイアス電圧Vとバイアス電圧変化信号ΔV)に応じ
てそれぞれ独立に変化する。これは、第2のサンプリン
グカレント信号log(Jth)および第3のサンプリング
カレント信号log(Jtl)は、トンネル電流Jt が電子
状態密度などバイアス電圧(エネルギー準位)によって
変化する物理量をパラメーターとして含んでいるためで
ある。
FIG. 12E shows the first sampling current signal log (J tm ) and the second sampling current signal
An example of the measurement results of the sampling current signal log (J th ) and the third sampling current signal log (J tl ) of FIG. As shown in FIG. 12E, the first sampling current signal log (J tm ) obtained by sampling with the servo timing signal ST is held at a constant value by the above-described feedback control. And the second sampling current signal log (J th ) and the third sampling current signal log (J tl ) obtained by sampling with the second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 are not necessarily constant values. Instead, they change independently according to the bias voltage (bias voltage V and bias voltage change signal ΔV) applied between the probe 71 and the surface of the sample 1. This is because the second sampling current signal log (J th ) and the third sampling current signal log (J tl ) are parameters whose physical quantity at which the tunnel current J t changes according to a bias voltage (energy level) such as an electronic state density. It is because it includes as.

【0137】したがって、第2のサンプリングカレント
信号log(Jth)および第3のサンプリングカレント信
号log(Jtl)はそれぞれ、図11(B)に示したバイ
アス電圧変化信号ΔVの各点Vh および各点Vl におけ
るカレント信号log(Jt)を示すものとなるため、探
針71と試料1の表面との間に印加されるバイアス電圧
に対するカレント信号log(Jt) の依存性を各画素S
1〜S8ごとに求めることができる。その結果、走査型ト
ンネル顕微鏡70では、探針71を一回だけ走査するだ
けで、カレント信号log(Jt) のバイアス電圧に対す
る依存性を測定することができる。
Therefore, the second sampling current signal log (J th ) and the third sampling current signal log (J tl ) respectively correspond to the points V h and V h of the bias voltage change signal ΔV shown in FIG. Since the current signal log ( Jt ) at each point Vl is indicated, the dependence of the current signal log ( Jt ) on the bias voltage applied between the probe 71 and the surface of the sample 1 is determined for each pixel. S
It can be found for each 1 to S 8. As a result, the scanning tunneling microscope 70 can measure the dependence of the current signal log (J t ) on the bias voltage by scanning the probe 71 only once.

【0138】以上の説明では、第1のカレント信号lo
g(Jtm)よりサーボ信号Sを発生させたが、 対数回路
75から出力されるカレント信号log(Jt) をバイア
ス電圧変化信号ΔVの周波数よりはるかに小さいカット
オフ周波数を有するローパスフィルターによって平均化
した信号をサーボ信号発生回路76に入力させることに
より、サーボ信号Sを発生してもよい。なお、バイアス
電圧変化信号ΔVの周波数は、探針微動制御機構72の
機械的共振周波数よりも小さく設定されるとともに、電
流電圧変換回路74および対数回路75に用いられるロ
ーパスフィルターのカットオフ周波数よりも小さく設定
される。
In the above description, the first current signal lo
Although the servo signal S is generated from g (J tm ), the current signal log (J t ) output from the logarithmic circuit 75 is averaged by a low-pass filter having a cutoff frequency much smaller than the frequency of the bias voltage change signal ΔV. The servo signal S may be generated by inputting the converted signal to the servo signal generation circuit 76. The frequency of the bias voltage change signal ΔV is set lower than the mechanical resonance frequency of the probe fine movement control mechanism 72 and is lower than the cutoff frequency of the low-pass filter used in the current-voltage conversion circuit 74 and the logarithmic circuit 75. Set smaller.

【0139】次に、本発明の走査型トンネル顕微鏡の第
の実施例について説明する。
Next, the scanning tunneling microscope of the present invention will be described.
Example 4 will be described.

【0140】図7に示した走査型トンネル顕微鏡50で
は、前述したように、第1乃至第3の微分コンダクタン
スタイミング信号TC1〜TC3とサーボタイミング信号
STをタイミング信号発生回路64でそれぞれ発生し
て、微分コンダクタンス信号dJt/dV のバイアス電
圧に対する依存性を測定した。しかし、図11(C),
(D)にそれぞれ示す第1および第2のトンネル電流タ
イミング信号TT1,TT2をタイミング信号発生回路6
4でさらに発生して、時分割サンプリング回路65で、
図10に示した時分割サンプリング回路85と同様にし
て、第1および第2のトンネル電流タイミング信号TT
1,TT2によりカレント信号log(Jt) をそれぞれサ
ンプリングして第2のサンプリングカレント信号log
(Jth)および第3のサンプリングカレント信号log
(Jtl)を得ることにより、探針51を一回だけ走査する
だけで、微分コンダクタンス信号dJt/dV およびカ
レント信号log(Jt) のバイアス電圧に対する依存性
をそれぞれ測定することができるようにしてもよい。
In the scanning tunneling microscope 50 shown in FIG. 7, the first to third differential conductance timing signals TC 1 to TC 3 and the servo timing signal ST are generated by the timing signal generation circuit 64 as described above. Thus, the dependence of the differential conductance signal dJ t / dV on the bias voltage was measured. However, FIG.
The first and second tunnel current timing signals TT 1 and TT 2 shown in FIG.
4 and the time-division sampling circuit 65
Similarly to the time division sampling circuit 85 shown in FIG. 10, the first and second tunnel current timing signals TT
1 and TT 2 to sample the current signal log (J t ) to obtain a second sampled current signal log
(J th ) and the third sampling current signal log
By obtaining (J tl ), the dependence of the differential conductance signal dJ t / dV and the current signal log (J t ) on the bias voltage can be measured by scanning the probe 51 only once. It may be.

【0141】以上説明した第3および第4の実施例で
は、複数の離散的なバイアス電圧に対するカレント信号
log(Jt)または微分コンダクタンス信号dJt/d
Vの依存性の測定について述べたが、たとえばバイアス
電圧変化信号ΔVとして鋸波状の信号を用い、サンプリ
ングタイミング信号としてバイアス電圧変化信号ΔVに
同期した同じ周波数を有するゲート信号を用いることに
よって、各測定ポイントに対するカレント信号log
(Jt)または微分コンダクタンス信号dJt/dVの連
続的なバイアス電圧依存性の測定を行うこともできる。
In the third and fourth embodiments described above, the current signal log (J t ) or the differential conductance signal dJ t / d for a plurality of discrete bias voltages
Although the measurement of the dependence of V has been described, for example, a sawtooth signal is used as the bias voltage change signal ΔV, and a gate signal having the same frequency synchronized with the bias voltage change signal ΔV is used as the sampling timing signal. The current signal log for the point
A continuous bias voltage measurement of (J t ) or the differential conductance signal dJ t / dV can also be made.

【0142】次に、本発明の情報記録再生装置について
説明する。
Next, an information recording / reproducing apparatus according to the present invention will be described.

【0143】近年、走査型トンネル顕微鏡の原理を応用
した、原子オーダー(サブ・ナノメートル)での高密度
記録再生を行う情報記録再生装置が提案されている(た
とえば、特開昭63−16552号公報など)。したが
って、このような情報記録再生装置において、たとえ
ば、記録時に、ある複数の距離zに対してトンネルバイ
アハイトなどの物理量を変化させて、または、特定のエ
ネルギー準位に相当するバイアス電圧に対して電子状態
密度などの物理量を一回の走査で複数同時に変化させ
て、情報を試料に多重記録するとともに、再生時に、図
1,図4,図7および図10に示した本発明による走査
型トンネル顕微鏡の各実施例でそれぞれ得た第1乃至第
3のサンプリングカレント信号log(Jtm),log
(Jth),log(Jtl)または第1乃至第3のサンプリン
グトンネルバリアハイト信号dlog(Jt1)/dz,d
log(Jt2)/dz,dlog(Jt3)または第1乃至第
3のサンプリング微分コンダクタンス信号dJt1/d
V,dJt2/dV,dJt3/dVを用いて、試料に記録
された情報を再生することにより、記憶密度を飛躍的に
高めることができるとともに、記録再生時間を大幅に短
縮することができる。
In recent years, there has been proposed an information recording / reproducing apparatus for performing high-density recording / reproducing in the atomic order (sub-nanometer) by applying the principle of the scanning tunneling microscope (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-16552). Gazettes). Therefore, in such an information recording / reproducing apparatus, for example, at the time of recording, a physical quantity such as a tunnel via height is changed for a plurality of distances z, or a bias voltage corresponding to a specific energy level is changed. By simultaneously changing a plurality of physical quantities such as the electronic state density in a single scan, information is multiplex-recorded on the sample, and at the time of reproduction, the scanning tunnel according to the present invention shown in FIGS. 1, 4, 7 and 10 is used. First to third sampling current signals log (J tm ) and log obtained respectively in each embodiment of the microscope.
(J th ), log (J tl ) or first to third sampling tunnel barrier height signals dlog (J t1 ) / dz, d
log (J t2 ) / dz, dlog (J t3 ) or the first to third sampling differential conductance signals dJ t1 / d
By reproducing information recorded on a sample using V, dJ t2 / dV and dJ t3 / dV, the storage density can be drastically increased and the recording / reproducing time can be greatly reduced. .

【0144】[0144]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
探針を一回面走査するだけで、各測定ポイントにおい
て、探針と試料の表面との間の異なる距離に対するカレ
ント信号を得ることができるので、カレント信号の距離
依存性を容易に得ることができるという効果がある。
As described above, according to the present invention,
Just scan the probe once on the surface, and at each measurement point
For different distances between the tip and the surface of the sample.
The distance of the current signal.
The effect is that dependency can be easily obtained.

【0145】加えて、探針を一回面走査するだけで、各
測定ポイントにおいて、探針と試料の表面との間の異な
る距離に対するトンネルバリアハイト信号を得ることが
できるため、トンネルバリアハイト信号の距離依存性を
容易に得ることができるという効果もある
In addition, each time the probe is scanned once, the
At the measurement point, the difference between the tip and the surface of the sample
To obtain the tunnel barrier height signal for different distances
The distance dependence of the tunnel barrier height signal.
There is also an effect that it can be easily obtained .

【0146】また、本発明によれば、探針を一回面走査
するだけで、各測定ポイントにおいて、探針と試料の表
面との間に印加される異なるバイアス電圧に対するカレ
ント信号を得ることができるので、カレント信号のバイ
アス電圧依存性を容易に得ることができるという効果が
ある
Further , according to the present invention, the probe is scanned once by plane scanning.
At each measurement point.
For different bias voltages applied between
The current signal can be obtained by
The effect that ass voltage dependency can be easily obtained
There is .

【0147】加えて、探針を一回面走査するだけで、各
測定ポイントにおいて、探針と試料の表面との間に印加
される異なるバイアス電圧に対する微分コンダクタンス
信号を得ることができるので、微分コンダクタンス信号
のバイアス電圧依存性を容易に得ることができるという
効果もある
In addition, each time the probe is scanned once, the
Applied between the probe and the surface of the sample at the measurement point
Differential conductance for different bias voltages
Signal to obtain the differential conductance signal
Voltage dependency can be easily obtained.
There is also an effect .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の走査型トンネル顕微鏡の第1の実施例
を示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a scanning tunneling microscope of the present invention.

【図2】図1に示した走査型トンネル顕微鏡の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図3】図1に示した走査型トンネル顕微鏡の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図4】本発明の走査型トンネル顕微鏡の第参考
を示す概略構成図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a first reference example of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【図5】図4に示した走査型トンネル顕微鏡の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図6】図4に示した走査型トンネル顕微鏡の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図7】本発明の走査型トンネル顕微鏡の第の実施例
を示す概略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【図8】図7に示した走査型トンネル顕微鏡の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図9】図7に示した走査型トンネル顕微鏡の動作を説
明するためのタイミングチャートである。
FIG. 9 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunnel microscope shown in FIG. 7;

【図10】本発明の走査型トンネル顕微鏡の第参考
例を示す概略構成図である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a second reference example of the scanning tunneling microscope of the present invention.

【図11】図10に示した走査型トンネル顕微鏡の動作
を説明するためのタイミングチャートである。
FIG. 11 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図12】図10に示した走査型トンネル顕微鏡の動作
を説明するためのタイミングチャートである。
12 is a timing chart for explaining the operation of the scanning tunneling microscope shown in FIG.

【図13】走査型トンネル顕微鏡の第1の従来例を示す
ブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing a first conventional example of a scanning tunneling microscope.

【図14】走査型トンネル顕微鏡の第2の従来例を示す
ブロック図である。
FIG. 14 is a block diagram showing a second conventional example of a scanning tunneling microscope.

【図15】図13に示した走査型トンネル顕微鏡におけ
る問題を解決できる走査型トンネル顕微鏡の一従来例を
示すブロック図である。
FIG. 15 is a block diagram showing a conventional example of a scanning tunnel microscope capable of solving the problem in the scanning tunnel microscope shown in FIG.

【図16】図14に示した走査型トンネル顕微鏡におけ
る問題を解決できる走査型トンネル顕微鏡の一従来例を
示すブロック図である。
FIG. 16 is a block diagram showing a conventional example of a scanning tunnel microscope that can solve the problem in the scanning tunnel microscope shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料 10,30,50,70 走査型トンネル顕微鏡 11,31,51,71 探針 12,32,52,72 探針微動制御機構 13,33,53,73 バイアス電圧発生回路 14,34,54,74 電流電圧変換回路 15,35,55,75 対数回路 16,36,56,76 サーボ信号発生回路 17 Z変調信号発生回路 19,39,57,77 増幅器 20 トンネルバリアハイト信号発生回路 21,41,61,81 基準クロック発生回路 22,42 Z変位信号発生回路 23,43,63,83 加算器 24,44,64,84 タイミング信号発生回路 25,45,65,85 時分割サンプリング回路 58 バイアス電圧変調信号発生回路 60 微分コンダクタンス信号発生回路 62,82 バイアス電圧変化信号発生回路 V バイアス電圧 Jt トンネル電流 Vt トンネル電圧 T トポ信号 log(Jt) カレント信号 log(Jtm) 第1のサンプリングカレント信号 log(Jth) 第2のサンプリングカレント信号 log(Jtl) 第3のサンプリングカレント信号 dlog(Jt)/dz トンネルバリアハイト信号 dlog(Jt1)/dz 第1のサンプリングトンネル
バリアハイト信号 dlog(Jt2)/dz 第2のサンプリングトンネル
バリアハイト信号 dlog(Jt3)/dz 第3のサンプリングトンネル
バリアハイト信号 dJt/dV 微分コンダクタンス信号 dJt1/dV 第1のサンプリング微分コンダクタン
ス信号 dJt2/dV 第2のサンプリング微分コンダクタン
ス信号 dJt3/dV 第3のサンプリング微分コンダクタン
ス信号 TB1 第1のトンネルバリアハイトタイミング信号 TB2 第2のトンネルバリアハイトタイミング信号 TB3 第3のトンネルバリアハイトタイミング信号 TT1 第1のトンネル電流タイミング信号 TT2 第2のトンネル電流タイミング信号 TC1 第1の微分コンダクタンスタイミング信号 TC2 第2の微分コンダクタンスタイミング信号 TC3 第3の微分コンダクタンスタイミング信号 ST サーボタイミング信号 S サーボ信号 MZ Z変調信号 MV バイアス電圧変調信号 RZ,RV 参照信号 CZ Z軸制御信号 CV バイアス制御信号 RC 基準クロック ΔZ Z変位信号 ΔV バイアス変化信号 X,Y,Z 軸
1 Sample 10, 30, 50, 70 Scanning tunnel microscope 11, 31, 51, 71 Probe 12, 32, 52, 72 Probe fine movement control mechanism 13, 33, 53, 73 Bias voltage generation circuit 14, 34, 54 , 74 Current-voltage conversion circuit 15, 35, 55, 75 Logarithmic circuit 16, 36, 56, 76 Servo signal generation circuit 17 Z modulation signal generation circuit 19, 39, 57, 77 Amplifier 20 Tunnel barrier height signal generation circuit 21, 41 , 61, 81 Reference clock generation circuit 22, 42 Z displacement signal generation circuit 23, 43, 63, 83 Adder 24, 44, 64, 84 Timing signal generation circuit 25, 45, 65, 85 Time division sampling circuit 58 Bias voltage Modulation signal generation circuit 60 Differential conductance signal generation circuit 62, 82 Bias voltage change signal generation circuit V Bias voltage J t tunneling current V t tunnel voltage T topo signal log (J t) current signal log (J tm) first sampling the current signal log (J th) second sampling current signal log (J tl) of the third sampling current signal dlog (J t) / dz tunnel barrier height signal dlog (J t1) / dz first sampling tunnel barrier height signal dlog (J t2) / dz second sampling tunnel barrier height signal dlog (J t3) / dz third sampling tunnel barrier height signal dJ t / dV differential conductance signal dJ t1 / dV first sampling differential conductance signal dJ t2 / dV second sampling differential conductance signal dJ t3 / dV third sampling differential conductance signal TB 1 first tunnel Bali Height timing signal TB 2 second tunnel barrier height timing signal TB 3 third tunnel barrier height timing signal TT 1 first tunnel current timing signal TT 2 second tunnel current timing signal TC 1 first differential conductance timing signal TC 2 Second differential conductance timing signal TC 3 Third differential conductance timing signal ST Servo timing signal S Servo signal M Z Z modulation signal M V bias voltage modulation signal R Z , R V reference signal C Z Z axis control signal C V bias control signal RC reference clock ΔZ Z displacement signal ΔV bias change signal X, Y, Z axis

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−43944(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 7/00 - 7/34 G11B 9/00 Continuation of the front page (56) References JP-A-3-43944 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 7/ 00-7/34 G11B 9/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 試料の表面に沿って探針を走査させたと
きに探針と試料の表面との間の相互作用により生じるト
ンネル電流を検出して、カレント信号トポ信号及びト
ンネルバリアハイト信号をそれぞれ得る走査型トンネル
顕微鏡において、 基準クロックを発生する回路と、該基準クロックに同期
して、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波数
よりも大きい周波数で、試料の表面と垂直方向に探針を
強制的に移動させる探針移動手段と、前記基準クロック
に基づいて、前記探針を試料の表面に沿って走査させる
周波数よりも大きい周波数を有し、互いに位相が異な
る、複数のタイミング信号を発生するタイミング信号発
生回路と、前記各タイミング信号により前記カレント信
号をそれぞれサンプリングする時分割サンプリング回路
を、前記探針移動手段による探針の移動周波数よりも大
きい周波数の変調信号を発生する変調信号発生回路と、
該変調信号に基づいて前記試料の表面と垂直方向の移動
に重畳させて探針を試料の表面と垂直方向に高周波で微
動させる手段と、前記変調信号を参照信号として前記カ
レント信号からトンネルバリアハイト信号を発生させる
回路とを備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微
鏡。
The present invention detects a tunnel current generated by an interaction between a probe and a surface of a sample when the probe is scanned along the surface of the sample, and detects a current signal , a topo signal and a tunnel signal .
In a scanning tunneling microscope for obtaining a tunnel barrier height signal , a circuit for generating a reference clock and a frequency higher than a frequency for scanning the probe along the surface of the sample in synchronization with the reference clock. A probe moving means for forcibly moving the probe in a direction perpendicular to the surface, and a frequency higher than a frequency for scanning the probe along the surface of the sample based on the reference clock, and having a phase mutually. A timing signal generating circuit for generating a plurality of different timing signals, and a time-division sampling circuit for sampling the current signal with each of the timing signals
Is larger than the moving frequency of the probe by the probe moving means.
A modulation signal generating circuit for generating a modulation signal having a threshold frequency;
Movement in a direction perpendicular to the surface of the sample based on the modulation signal
The probe at a high frequency in the direction perpendicular to the surface of the sample.
Means for operating the modulated signal as a reference signal.
Generate tunnel barrier height signal from rent signal
Scanning tunneling microscope, characterized in that a circuit.
【請求項2】 前記タイミング信号発生回路は、他の複
数のタイミング信号を前記基準クロックの互いに異なる
位相に同期して発生し、前記時分割サンプリング回路
は、各他のタイミング信号により前記トンネルバリアハ
イト信号をそれぞれサンプリングする請求項1記載の走
査型トンネル顕微鏡。
2. The timing signal generating circuit according to claim 1, further comprising :
Different timing signals from the reference clock
Generated in synchronization with the phase, the time-division sampling circuit
Can be controlled by the other timing signals.
2. The scanning tunneling microscope according to claim 1 , wherein each of the light source signals is sampled .
【請求項3】 試料と探針との間にバイアス電圧を印加
しながら、試料の表面に沿って探針を走査したときに探
針と試料の表面との間の相互作用により生じるトンネル
電流を検出して、カレント信号、トポ信号および微分コ
ンダクタンス信号をそれぞれ得る走査型トンネル顕微鏡
において、 基準クロックを発生する回路と、該基準クロックに同期
して、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波数
よりも大きい周波数で前記バイアス電圧を強制的に変化
させるバイアス電圧変化手段と、前記基準クロックに基
づいて、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波
数よりも大きい周波数を有し、互いに位 相が異なる、複
数のタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路
と、前記各タイミング信号により前記カレント信号をそ
れぞれサンプリングする時分割サンプリング回路と、前
記バイアス電圧変化手段によるバイアス電圧の変化より
も大きい周波数の変調信号を発生する変調信号発生回路
と、該変調信号に基づいてバイアス電圧変化手段による
バイアス電圧の変化に重畳させてバイアス電圧を高周波
で微小に変調する手段と、前記トンネル電流をトンネル
電圧に変換する電流電圧変換回路と、前記変調信号を参
照信号として前記トンネル電圧から微分コンダクタンス
信号を発生させる回路とを備えたことを特徴とする 走査
型トンネル顕微鏡。
3. A bias voltage is applied between the sample and the probe.
While scanning the probe along the surface of the sample
Tunnel created by interaction between needle and sample surface
Detects the current and outputs the current signal,
Scanning tunneling microscope that obtains each of the conductance signals
And a circuit for generating a reference clock and synchronizing with the reference clock
A frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample.
The bias voltage is forcibly changed at a frequency higher than
Bias voltage changing means for controlling the
The frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample.
It has a frequency greater than the number, position phase are different from each other, double
Signal generation circuit for generating a number of timing signals
And the current signal by the respective timing signals.
A time-division sampling circuit that samples each
From the bias voltage change by the bias voltage changing means.
Signal generation circuit that generates a modulation signal with a large frequency
And a bias voltage changing means based on the modulation signal.
High-frequency bias voltage superimposed on changes in bias voltage
Means for minutely modulating the current with the
A current-to-voltage conversion circuit for converting the voltage to a voltage;
Differential conductance from the tunnel voltage as the illumination signal
A scanning tunnel microscope comprising: a circuit for generating a signal .
【請求項4】 前記タイミング信号発生回路は、他の複
数のタイミング信号を前記基準クロックの互いに異なる
位相に同期して発生し、前記時分割サンプリング回路
は、各他のタイミング信号により前記微分コンダクタン
ス信号をそれぞれサンプリングする請求項3記載の走査
型トンネル顕微鏡。
4. The timing signal generating circuit according to claim 1, further comprising :
Different timing signals from the reference clock
Generated in synchronization with the phase, the time-division sampling circuit
Is the differential conductor by each other timing signal.
4. The scanning tunneling microscope according to claim 3, wherein the scanning tunneling microscope samples each of the scanning signals .
【請求項5】 試料の表面に沿って探針を走査させたと
きに探針と試料の表面との間の相互作用により生じるト
ンネル電流を検出して、カレント信号、トポ信号および
トンネルバリアハイト信号をそれぞれ得て、前記試料の
表面に記録された情報を読み出す情報記録再生装置にお
いて、 基準クロックを発生する回路と、該基準クロックに同期
して、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波数
よりも大きい周波数で、試料の表面と垂直方向に探針を
強制的に移動させる探針移動手段と、前記基準クロック
に基づいて、前記探針を試料の表面に沿って走査させる
周波数よりも大きい周波数を有し、互いに位相が異な
る、複数のタイミング信号を発生するタイミング信号発
生回路と、前記各タイミング信号により前記カレント信
号をそれぞれサンプリングする時分割サンプリング回路
と、前記探針移動手段による探針の移動周波数よりも大
きい周波数の変調信号を発生する変調信号発生回路と、
該変調信号に基づいて前記試料の表面と垂直方向の移動
に重畳させて探針を試料の表面と垂直方向に高周波で微
動させる手段と、前記変調信号を参照信号として前記カ
レント信号からトンネルバリアハイト信号を発生させる
回路とを備えたことを特徴とする情報記録再生装置
5. The method according to claim 1 , wherein the probe is scanned along the surface of the sample.
During the interaction between the tip and the surface of the sample
Current, topo signal and
Obtain the tunnel barrier height signal respectively, and
An information recording / reproducing device that reads information recorded on the surface
And a circuit for generating a reference clock, and synchronizing with the reference clock.
A frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample.
Probe at a higher frequency than normal to the sample surface.
Probe moving means for forcibly moving, and the reference clock
Scanning the probe along the surface of the sample based on
Have frequencies greater than the frequency and are out of phase with each other
Timing signal generation to generate multiple timing signals
The raw signal and the current signal are generated by the timing signals.
-Division sampling circuit that samples each signal
Larger than the moving frequency of the probe by the probe moving means.
A modulation signal generating circuit for generating a modulation signal having a threshold frequency;
Movement in a direction perpendicular to the surface of the sample based on the modulation signal
The probe at a high frequency in the direction perpendicular to the surface of the sample.
Means for operating the modulated signal as a reference signal.
Generate tunnel barrier height signal from rent signal
An information recording / reproducing device, comprising: a circuit ;
【請求項6】 前記タイミング信号発生回路は、他の複
数のタイミング信号を前記基準クロックの互いに異なる
位相に同期して発生し、前記時分割サンプリング回路
は、各他のタイミング信号により前記トンネルバリアハ
イト信号をそれぞれサンプリングする請求項5記載の
報記録再生装置。
6. The timing signal generating circuit according to claim 1, further comprising :
Different timing signals from the reference clock
Generated in synchronization with the phase, the time-division sampling circuit
Can be controlled by the other timing signals.
The information recording / reproducing apparatus according to claim 5, wherein each of the light source signals is sampled .
【請求項7】 試料と探針との間にバイアス電圧を印加
しながら、試料の表面に沿って探針を走査したときに探
針と試料の表面との間の相互作用により生じるトンネル
電流を検出して、カレント信号、トポ信号および微分コ
ンダクタンス信号をそれぞれ得て、前記試料の表面に記
録された情報を読み出す情報記録再生装置において、 基準クロックを発生する回路と、該基準クロックに同期
して、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波数
よりも大きい周波数で前記バイアス電圧を強制的に変化
させるバイアス電圧変化手段と、前記基準クロックに基
づいて、前記探針を試料の表面に沿って走査させる周波
数よりも大きい周波数を有し、互いに位相が異なる、複
数のタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路
と、前記各タイミング信号により前記カレント信号をそ
れぞれサンプリングする時分割サンプリング回路と、前
記バイアス電圧変化手段によるバイアス電圧の変化より
も大きい周波数の変調信号を発生する変調信号発生回路
と、該変調信号に基づいてバイアス電圧変化手段による
バイアス電圧の変化に重畳させてバイアス電圧を高周波
で微小に変調する手段と、前記トンネル電流をトンネル
電圧に変換する電流電圧変換回路と、前記変調信号を参
照信号として前記トンネル電圧から微分コンダクタンス
信号を発生させる回路と を備えたことを特徴とする情報
記録再生装置。
7. A bias voltage is applied between the sample and the probe.
While scanning the probe along the surface of the sample
Tunnel created by interaction between needle and sample surface
Detects the current and outputs the current signal,
Obtain the conductance signals and record them on the surface of the sample.
In an information recording / reproducing apparatus for reading recorded information, a circuit for generating a reference clock,
A frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample.
The bias voltage is forcibly changed at a frequency higher than
Bias voltage changing means for controlling the
The frequency at which the probe is scanned along the surface of the sample.
Multiple frequencies with frequencies greater than
Signal generation circuit for generating a number of timing signals
And the current signal by the respective timing signals.
A time-division sampling circuit that samples each
From the bias voltage change by the bias voltage changing means.
Signal generation circuit that generates a modulation signal with a large frequency
And a bias voltage changing means based on the modulation signal.
High-frequency bias voltage superimposed on changes in bias voltage
Means for minutely modulating the current with the
A current-to-voltage conversion circuit for converting the voltage to a voltage;
Differential conductance from the tunnel voltage as the illumination signal
An information recording / reproducing apparatus, comprising: a circuit for generating a signal .
【請求項8】 前記タイミング信号発生回路は、他の複
数のタイミング信号を前記基準クロックの互いに異なる
位相に同期して発生し、前記時分割サンプリング回路
は、各他のタイミング信号により前記微分コンダクタン
ス信号をそれぞれサンプリングする請求項7記載の情報
記録再生装置。
8. The timing signal generating circuit according to claim 1, further comprising :
Different timing signals from the reference clock
Generated in synchronization with the phase, the time-division sampling circuit
Is the differential conductor by each other timing signal.
The information recording / reproducing apparatus according to claim 7, wherein each of the information recording / reproducing apparatuses samples the signal .
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