JP3172143B2 - Spin-polarized scanning tunneling microscope - Google Patents

Spin-polarized scanning tunneling microscope

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JP3172143B2
JP3172143B2 JP30536698A JP30536698A JP3172143B2 JP 3172143 B2 JP3172143 B2 JP 3172143B2 JP 30536698 A JP30536698 A JP 30536698A JP 30536698 A JP30536698 A JP 30536698A JP 3172143 B2 JP3172143 B2 JP 3172143B2
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probe
sample
spin
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tunnel
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志保 奥野
達也 岸
健太郎 中島
国義 田中
浩一郎 猪俣
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Toshiba Corp
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型トンネル顕
微鏡に係わり、特に磁性材料の磁気構造あるいは強磁性
体の磁区構造を空間分解能数nm以下で観察するのに適
した走査型トンネル顕微鏡に関する。
The present invention relates to a scanning tunneling microscope, and more particularly to a scanning tunneling microscope suitable for observing a magnetic structure of a magnetic material or a magnetic domain structure of a ferromagnetic material at a spatial resolution of several nm or less.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁性体表面の微細磁区構造を評価するた
めの最も分解能の高い磁区観察手段として、磁気力顕微
鏡が知られてきた。その分解能は最高で10nm程度で
ある。これに対して、磁気記録媒体等の超微細化に伴
い、超微細磁区観察技術のさらなる分解能向上が望まれ
ている。
2. Description of the Related Art A magnetic force microscope has been known as a magnetic domain observation means having the highest resolution for evaluating a fine magnetic domain structure on a magnetic material surface. Its resolution is at most about 10 nm. On the other hand, with the miniaturization of magnetic recording media and the like, further improvement in resolution of the hyperfine magnetic domain observation technique is desired.

【0003】走査型トンネル顕微鏡(Scanning
Tunneling Microscopy)は、試
料あるいは探針を駆動させることにより探針を試料表面
上で試料に対し相対的に走査し、トンネル電流が探針―
試料間距離に対して極めて敏感であることを利用して、
表面の構造、物性を原子分解能で評価する手法である。
磁性体試料あるいは探針を用いた場合には、トンネル電
子はスピン偏極するため、スピン状態を分別できれば走
査型トンネル顕微鏡にて原子レベル分解能で表面の磁気
情報を得ることができる。
A scanning tunneling microscope (Scanning)
Tunneling Microscopy) scans the probe relative to the sample on the surface of the sample by driving the sample or the probe, and the tunnel current is detected by the probe.
Utilizing that it is extremely sensitive to the distance between samples,
This is a method to evaluate the surface structure and physical properties at atomic resolution.
When a magnetic material sample or a probe is used, tunnel electrons are spin-polarized, so that if the spin state can be discriminated, magnetic information on the surface can be obtained with a scanning tunneling microscope at atomic level resolution.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記スピン偏極走査型
トンネル顕微鏡として、強磁性探針を用い、磁性体試料
表面との間のスピンに依存したトンネル電流変化からス
ピン情報を得る方法が文献(R. Wissendan
ger, H. −J. Guntherodt,
G. Guntherodt, R. J. Gamb
ino and R. Ruf, Physical
Review Letters, vol.65, p
247 (1990).)に開示されている。強磁性探
針を用いるこの方法は、特公平7−1687や特開平2
−199757に見られるような光学的手段を併用する
スピン偏極走査型トンネル顕微鏡に比べ、装置構成およ
び原理が簡易であるという大きな利点をもつ。しかし得
られる像は、前記文献に示されているように、表面の凹
凸像にスピン情報が重畳したものであり、表面形態およ
びスピン配置が未知な実際の試料表面からスピン像のみ
を取り出すことはできないという大きな欠点があった。
この欠点は、強磁性探針以外に、反強磁性探針を用いた
場合にも同様に発生することが予測される。
A method for obtaining spin information from a spin-dependent tunnel current change with a magnetic sample surface using a ferromagnetic probe as the spin-polarized scanning tunneling microscope described in the literature (see, for example, US Pat. R. Wissendan
ger, H .; -J. Guntherodt,
G. FIG. Guntherodt, R.A. J. Gamb
ino and R.S. Ruf, Physical
Review Letters, vol. 65, p
247 (1990). ). This method using a ferromagnetic probe is disclosed in Japanese Patent Publication No.
Compared to a spin-polarized scanning tunneling microscope using optical means as disclosed in JP-A-199757, there is a great advantage that the device configuration and principle are simple. However, as shown in the above-mentioned document, the obtained image is obtained by superimposing the spin information on the surface unevenness image, and it is impossible to extract only the spin image from the actual sample surface whose surface morphology and spin arrangement are unknown. There was a major drawback that you couldn't.
This defect is expected to occur similarly when an antiferromagnetic probe is used in addition to the ferromagnetic probe.

【0005】本発明は、強磁性あるいは反強磁性探針を
用いた場合の問題点である、表面凹凸像とスピン像との
重ね合わせを防ぎ、スピン像のみを取り出す方法を提供
する。
The present invention provides a method for taking out only a spin image by preventing superposition of a surface unevenness image and a spin image, which is a problem when a ferromagnetic or antiferromagnetic probe is used.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のスピン偏極走査
型トンネル顕微鏡は、O.1から10nmの間隔を隔てて試料
表面に配置された強磁性体あるいは反強磁性体からなる
探針と、前記探針を試料表面に対して相対的に走査させ
る駆動機構と、前記探針および前記試料間にバイアス電
圧を印加するバイアス電圧源と、前記探針および試料間
に流れるトンネル電流を検出する手段とを備えたスピン
偏極走査型トンネル顕微鏡において、前記探針材料が、
Fe、Co、Ni、Cr、Mnあるいはその化合物からなる強磁性
体あるいは反強磁性体からなるとともに、前記バイアス
電圧がV1、V2における前記探針および前記試料からなる
系のスピン偏極度をそれぞれP1、P2とした場合に
SUMMARY OF THE INVENTION A spin-polarized scan according to the present invention.
Type tunnel microscope, samples are separated by 10 nm from O.1
Consists of a ferromagnetic or antiferromagnetic material located on the surface
A probe, and scanning the probe relative to the sample surface.
Drive mechanism and a bias voltage between the probe and the sample.
A bias voltage source for applying pressure between the probe and the sample.
With means for detecting tunnel current flowing through the spin
In the polarized scanning tunneling microscope, the probe material is:
Ferromagnetic composed of Fe, Co, Ni, Cr, Mn or their compounds
Body or antiferromagnetic material and the bias
The voltage consists of the probe and the sample at V1 and V2
When the spin polarization of the system is P1 and P2 respectively

【数2】 で表される値Fが、F>1.03あるいはF<O.97のどちらか
の条件を満たす2つのバイアス電圧Vl、V2に対し、ま
ず、バイアス電圧V 1 にてトンネル電流が一定(I )にな
るように前記探針および前記試料間の距離を制御決定
し、次に前記探針および前記試料間距離は変えずに前記
バイアス電圧のみをV 2 へ変え、その時のトンネル電流I 2
を画像信号とすることを特徴とするものである。
(Equation 2) The value F expressed by is either F> 1.03 or F <0.97
For two bias voltages Vl and V2 that satisfy the conditions of
The tunnel current becomes constant (I 1 ) at the bias voltage V 1 .
To determine the distance between the probe and the sample
Then, without changing the distance between the probe and the sample,
Only the bias voltage is changed to V 2, and the tunnel current I 2
Is an image signal.

【0007】トンネル顕微鏡において、探針と試料の間
に流れるトンネル電流Iは、探針―試料間距離dに極め
て敏感であり、I∞exp(―2κd)で近似されるよ
うに距離の増加とともに指数関数的に減少する。よっ
て、一定電流になるように走査時に探針の試料表面から
の高さ(Z位置)を制御し、Z位置を画像信号とするこ
とで、表面の凹凸を表す像(トポグラフ像)が得られ
る。さて、試料が磁性体で、探針も磁性体の場合、スピ
ンに依存したトンネルコンダクタンスの差異から、トン
ネルに寄与する電子の持つスピンが平行、反平行の時の
コンダクタンスはそれぞれ次式のように変化する。
In a tunnel microscope, a tunnel current I flowing between a probe and a sample is extremely sensitive to a distance d between the probe and the sample, and as the distance increases as approximated by I∞exp (−2 kd). Exponentially decreases. Therefore, by controlling the height (Z position) of the probe from the sample surface at the time of scanning so as to have a constant current and using the Z position as an image signal, an image (topographic image) representing surface irregularities can be obtained. . When the sample is a magnetic material and the probe is also a magnetic material, the conductance when the spins of the electrons contributing to the tunnel are parallel and antiparallel are given by the following equations, respectively, due to the difference in the tunnel conductance depending on the spin. Change.

【0008】 I↑↑=I(1+P), I↑↓=I(1−P) ここで、Pは系全体のスピン検出感度を示すスピン偏極
度であり、探針および試料のトンネルに寄与する電子の
スピン偏極度をpT ,pS とすると、P=pT×pS
ある。また、IO は平均コンダクタンスを示す。これよ
り、一定電流になるように探針の試料に対しての相対Z
位置を制御させると、トンネルに寄与する電子のスピン
状態が平行ならば、電流が流れやすくなるため、探針は
遠ざかり、反平行ならば電流が流れ難いので探針は近づ
く。このZ位置の差がスピン情報に相当するが、実際の
試料表面は原子レベルで全観察領域すべてが平らである
ことは特殊な場合を除いてありえず、試料凹凸を反映し
たZの変化が重なることとなる。しかも凹凸による変化
はスピン情報をあらわす変化以上に大きい。このためス
ピン情報についての像を分離することが出来なかった。
これが従来の欠点であった。
[0008] I ↑↑ = I 0 (1 + P), I ↑ ↓ = I 0 (1-P) where, P is spin polarization showing a spin detection sensitivity of the whole system, the tunnel probe and the sample If the spin polarization degrees of the contributing electrons are p T and p S , then P = p T × p S. I O indicates the average conductance. Thus, the relative Z of the probe with respect to the sample is set to be constant.
If the position is controlled, if the spin states of the electrons contributing to the tunnel are parallel, the current will flow more easily, and the probe will move away. If it is antiparallel, the current will not flow easily, and the probe will move closer. The difference between the Z positions corresponds to the spin information. However, it is impossible for the actual sample surface to be flat at the atomic level in all observation regions except in a special case, and changes in Z reflecting the sample irregularities overlap. It will be. Moreover, the change due to the unevenness is larger than the change representing the spin information. For this reason, the image of the spin information could not be separated.
This was a conventional disadvantage.

【0009】これに対し、本発明では、異なるバイアス
電圧において系のスピン偏極度が異なる探針を用いる。
その条件は、バイアス電圧V1 ,V2 における探針―試
料からなる系のスピン偏極度をそれぞれP1 ,P2 とし
た場合に、
On the other hand, in the present invention, probes having different degrees of spin polarization of the system at different bias voltages are used.
The conditions are as follows: When the spin polarization of the probe-sample system at bias voltages V 1 and V 2 is P 1 and P 2 , respectively,

【数3】 で表されるFが、F>1.03あるいはF<0.97の
どちらかを満たすことである。この条件において、ま
ず、バイアスV1 においてトンネル電流が一定になるよ
うに探針相対高さを制御すると、トポグラフ情報にスピ
ン情報が加味されてZ位置が決まる。その位置におい
て、バイアス電圧をV2 にかえると、トポ情報は変えず
に、スピン依存情報のみを変化させることができ、V2
における電流I2をによりスピン情報を取り出すことが
できる。ここで、V1 とV2 との関係は上記の式を満た
すことが条件である。この条件を満たすバイアス電圧値
は試料および探針の電子状態により最適値が異なる。P
1 =P2 の場合にはF=1であり、V2 におけるトンネ
ル電流I2 はスピン状態が変化しても変らず、従ってス
ピン像は得られない。また、Fが1に近過ぎた値の場合
にも、スピン像はノイズに埋もれて得られない。Fは1
以上できるだけ大きいか、1未満できるだけ小さいよう
にバイアス電圧を設定することが望ましい。F=1.1
以上あるいはF=0.9以下では十分なコントラストの
スピン像を得ることができる。また特に、P1 ×P2
負になる条件はより高いコントラストのスピン像が得ら
れ、好ましい。なお、2つのバイアス電圧の値V1 、V
2 は両方とも、−5Vから+5Vの範囲が適正である。
(Equation 3) F satisfies either F> 1.03 or F <0.97. In this condition, first, when the tunnel current to control the probe relative height to be constant in the bias V 1, Z position is determined is taken into account spin information in topographic information. In that position, when changing the bias voltage to V 2, without changing the topo information, it is possible to change only the spin-dependent information, V 2
The spin information can be extracted by using the current I2 at Here, it is a condition that the relationship between V 1 and V 2 satisfies the above equation. The optimum value of the bias voltage satisfying this condition varies depending on the electronic state of the sample and the probe. P
When 1 = P 2 , F = 1, and the tunnel current I 2 at V 2 does not change even if the spin state changes, so that a spin image cannot be obtained. Also, when F is too close to 1, the spin image cannot be obtained because it is buried in noise. F is 1
It is desirable to set the bias voltage so as to be as large as possible or as small as possible. F = 1.1
Above or at F = 0.9 or less, a spin image with sufficient contrast can be obtained. In particular, the condition where P 1 × P 2 is negative is preferable because a spin image with higher contrast can be obtained. Note that two bias voltage values V 1 and V
In both cases, the range of −5 V to +5 V is appropriate.

【0010】探針の試料表面に対する相対位置を走査さ
せながらV1 ,V2 を選ぶ方法は、次の2通りある。
There are two methods for selecting V 1 and V 2 while scanning the relative position of the probe with respect to the sample surface.

【0011】第一の方法は、同一個所を2回走査する。
図1のように、一回目の走査(時間t1 からt2 に対
応)はバイアス電圧V1 で行い、一定電流I1 が得られ
る探針―試料間距離を決めるピエゾのZ位置を記録す
る。2回目の走査(時間t2 からt3 に対応)は1回目
に記録されたZ位置を走査個所に応じて再現し、バイア
ス電圧V2 における電流I2 (磁化状態により変化す
る)を読み取り、画像信号とする。
In the first method, the same portion is scanned twice.
As shown in FIG. 1, the first scan (corresponding to time t 1 to t 2 ) is performed with the bias voltage V 1 , and the Z position of the piezo that determines the probe-sample distance at which the constant current I 1 is obtained is recorded. . (Corresponding to t 3 from the time t 2) 2 th scan is reproduced in accordance with the Z position recorded in the first to the scanning location, reading the current I 2 (change the magnetization state) in the bias voltage V 2, An image signal.

【0012】第二の方法は、走査時の各走査ポイントに
おいて、V1 にてZ位置を決め、次にバイアス電圧をV
2 に変えてI2 を読み取る、これを各走査点(ピクセ
ル)に対して行う。図2に示すように、各ピクセルにお
いて、時間t1 からt2 において電圧をV1 にして一定
電流I1 が得られるようにピエゾ高さを調整し、次に時
間t2 でバイアス電圧をV2 に変えて電流I2 値を読み
取り、画像信号とする。この作業を走査時の各々のピク
セルに対して行う。なお、図2において、電圧は摸式的
に矩形波で変化しているが、V1 とV2 との間を変化す
れば、三角関数波などの変形は構わない。各ピクセルに
おいて、走査をそれぞれ止めて上記操作を行っても、あ
るいは走査しながら上記操作を行っても構わない。
The second method is to determine the Z position at V 1 at each scanning point during scanning, and then to set the bias voltage to V
Reading I 2 in place of 2, do this for each scanning point (pixel). As shown in FIG. 2, at each pixel, by adjusting the piezo height so that a constant current I 1 is obtained by the voltage V 1 at t 2 from time t 1, then at time t 2 the bias voltage V The value of the current I 2 is read in place of 2 and used as an image signal. This operation is performed for each pixel during scanning. In FIG. 2, the voltage is schematically changed by a rectangular wave. However, if the voltage changes between V 1 and V 2 , deformation such as a trigonometric wave may be performed. In each pixel, the above operation may be performed while scanning is stopped, or the above operation may be performed while scanning.

【0013】V2 でのトンネル電流I2 を画像信号とす
る際、最も容易な方法はI2 そのものを画像化する方法
である。よりコントラストをはっきりさせたい等の場合
には、I1 との比I2 /I1 あるいは差(I2 ―I1
等、I2 を加減乗除した結果を画像信号とすることもで
きる。
[0013] When the image signal a tunnel current I 2 at V 2, the easiest way is a method of imaging an I 2 itself. More if such desired to clarify the contrast, the ratio I 2 / I 1 or the difference between I 1 (I 2 -I 1)
For example, the result of addition, subtraction, multiplication and division of I 2 can be used as an image signal.

【0014】本発明に適応できる探針材料としては、F
e,Co,Ni,Cr,Mnおよびその化合物からなる
強磁性体あるいは反強磁性体が探針材料となる。特にホ
イスラー合金,CrO2 ,Fe3 4 ,La1-X SrX
MnO3 などのハーフメタル磁性体は高い感度が得られ
るために好ましい。以上の単一物質からなる探針の他
に、上記材料を含む強磁性層/非強磁性層/強磁性層か
らなる積層膜、あるいはマトリックスに分散させたグラ
ニュラー膜などの複合材料も使用できる。前者の利点
は、漏れ磁場が小さく試料の磁化状態へのダメージを小
さくできること、後者の利点は信号強さを強くすること
ができる点である。また、特開平6―94813に示さ
れた導電性強磁性体と絶縁性反強磁性体との積層構造も
利用できる。以上に示した探針は、従来方法によればス
ピン像はトポグラフ像に重なるためスピン像のみを取り
出すことはできないが、本発明により、スピン像のみを
抽出することが可能となる。
The probe material applicable to the present invention includes F
A ferromagnetic material or an antiferromagnetic material composed of e, Co, Ni, Cr, Mn and a compound thereof becomes a probe material. In particular, Heusler alloys, CrO 2 , Fe 3 O 4 , La 1-X SrX
A half metal magnetic material such as MnO 3 is preferable because high sensitivity can be obtained. In addition to the above-described probe made of a single substance, a composite material such as a ferromagnetic layer / non-ferromagnetic layer / ferromagnetic layer containing the above-mentioned materials, or a granular film dispersed in a matrix can also be used. The advantage of the former is that the leakage magnetic field is small and damage to the magnetized state of the sample can be reduced, and the advantage of the latter is that the signal strength can be increased. Further, a laminated structure of a conductive ferromagnetic material and an insulating antiferromagnetic material disclosed in JP-A-6-94813 can also be used. According to the probe described above, according to the conventional method, the spin image overlaps the topographic image, so that only the spin image cannot be extracted. However, according to the present invention, only the spin image can be extracted.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、図を用いて、本発明による
走査型トンネル顕微鏡の動作原理を詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The principle of operation of a scanning tunneling microscope according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0016】試料にCoを、探針にCrを用いた場合を
例に説明する。図3にCoおよびCrの電子状態を模式
的に示す。Coの電子状態は図からわかるように、フェ
ルミエネルギーEF においても、また、EF よりもエネ
ルギーが高い準位に対してもどちらもマイノリティスピ
ン電子が支配的であり、スピン偏極度は共にマイナスで
ある。一方、CrはEF では探針先端に位置する原子の
磁気モーメント方向に対してマジョリティスピンが支配
的であるが、EF よりもエネルギーが2eV高い状態で
はマイノリティスピンが支配的である。
An example in which Co is used as a sample and Cr is used as a probe will be described. FIG. 3 schematically shows the electronic states of Co and Cr. As Co electronic state of seen, even at the Fermi energy E F, also, is both a minority spin electrons becomes dominant even for high energy level than E F, spin polarization are both negative It is. Meanwhile, Cr is a majority spin dominant over the magnetic moment direction of the atom located on the probe tip in E F, minority spin is dominant in the state energy 2eV higher than E F.

【0017】さて、V1 として+0.2Vの試料バイア
ス電圧を印可すると、トンネルに最も寄与する電子はC
o試料についてはEF よりも+0.2eVエネルギーの
高い電子、Cr探針についてはEF 付近の電子である、
よって、個々のスピン偏極度の積で表される系全体のス
ピン偏極度P1 は、符号がマイナスとなる。一方、―2
Vの試料バイアス電圧V2 を印可すると、CoのEFの
電子が、また、CrのEF よりも+2eVエネルギーの
高い準位がトンネルに最も大きく寄与する。この場合の
2 は正の符号をとる。今、P1 とP2 を小さめに見積
もり−8%、P2 を+3%とすると、Fは0.80であ
り、条件を満たす。
Now, when a sample bias voltage of +0.2 V is applied as V 1 , electrons which contribute most to the tunnel are C 1
For o sample than E F + 0.2eV energy of high electron, for Cr probe is an electron in the vicinity of E F,
Therefore, the sign of the spin polarization P 1 of the entire system represented by the product of the individual spin polarizations is negative. On the other hand, -2
When applying a sample bias voltage V 2 and V, electrons EF of Co is also than E F of Cr + 2 eV energy high level is most greatly contributes to the tunnel. P 2 in this case takes a positive sign. Now, assuming that P 1 and P 2 are estimated to be smaller, −8% and P 2 is + 3%, F is 0.80, which satisfies the condition.

【0018】試料の表面の磁化状態として、図4のよう
に磁化方向が試料表面左(領域(ア))、中央(領域
(イ))、右(領域(ウ))とで反転し、それぞれ上向
き、下向き、上向きの状態を考える。さて、バイアスが
1 の場合にトンネルに大きく寄与する電子状態は領域
(イ)、(ウ)ではそれぞれ、アップ、ダウンスピンを
もつ状態である(図中○で囲まれた矢印で示した)。こ
こに先端の磁気モーメントの向きが上向きのCr探針を
近づけると、試料バイアス電圧V1 =+0.2Vの時、
Cr探針においてトンネルに寄与する電子のスピン(図
中○で囲まれた矢印で示した)はアップスピンである。
従って、一定トンネル電流が流れるように探針―試料間
距離を制御すると、スピンに依存したトンネルコンダク
タンスの差違から、領域(イ)においては探針―試料間
距離はより遠ざかり、領域(ウ)においてはより近づ
く。それぞれの探針―試料間距離をS1 =S0 +Δ
1 ,S2=S0 +ΔS2 とした場合に、磁化の違いに
よる探針―試料間距離の差ΔSは、ΔS=ΔS1 −ΔS
2 =(1/2κ)ln(1+P1 /1−P1 )となる。
一般的な値として2κ=2A-1を用いると、ΔSは−
0.08A程度となる。
As shown in FIG. 4, the magnetization direction of the sample surface is reversed at the sample surface left (region (a)), center (region (a)), and right (region (c)) as shown in FIG. Consider upward, downward, and upward states. By the way, the electronic states that greatly contribute to the tunnel when the bias is V 1 are states having up and down spins in the regions (a) and (c), respectively (indicated by arrows circled in the figure). . Here, when the tip of the magnetic moment at the tip is brought close to the Cr probe, when the sample bias voltage V 1 = + 0.2 V,
The electron spin (indicated by an arrow circled in the figure) that contributes to the tunnel in the Cr probe is an up spin.
Therefore, if the tip-sample distance is controlled so that a constant tunnel current flows, the tip-sample distance becomes farther in region (a) and in region (c) due to the difference in tunnel conductance depending on spin. Comes closer. Each probe-sample distance is represented by S 1 = S 0 + Δ
When S 1 , S 2 = S 0 + ΔS 2 , the difference ΔS between the tip and the sample due to the difference in magnetization is ΔS = ΔS 1 −ΔS
2 = (1 / 2κ) ln (1 + P 1 / 1-P 1 ).
When 2κ = 2A −1 is used as a general value, ΔS becomes −
It is about 0.08A.

【0019】次に、左右各々についてバイアス電圧をV
2 =+2Vへ変える。領域(イ)の場合には、探針が平
均よりも遠くなっているため、トンネル電流は流れ難い
方向にあるが、さらに、トンネルに寄与する電子のスピ
ンの向きもこのバイアスにおいては反平行となるため、
流れる電流は益々小さくなる。一方、領域(ウ)の場合
には、平均よりも近くなっているから電流は流れ易く、
さらにスピンの向きが同じであるからますます流れ易
い。これらの電流比を調べると、I(領域(イ))/I
(領域(ウ))=exp(2κΔS)(1+P2 )/
(1−P2 )となり、0.8程度のコントラストが得ら
れる。トンネル電流におけるこの変化は、十分に検出可
能である。
Next, the bias voltage is set to V
2 = + 2V. In the case of the region (a), the tunnel current is hard to flow because the probe is farther than the average, but the spin direction of the electrons contributing to the tunnel is also antiparallel in this bias. To become
The flowing current becomes smaller and smaller. On the other hand, in the region (c), the current is easy to flow because it is closer to the average,
Furthermore, since the spin direction is the same, it is easier to flow. When these current ratios are examined, I (region (A)) / I
(Area (c)) = exp (2κΔS) (1 + P 2 ) /
(1−P 2 ), and a contrast of about 0.8 is obtained. This change in tunnel current is fully detectable.

【0020】次に本発明へ適応できる探針例およびその
作製方法例を示す。
Next, an example of a probe applicable to the present invention and an example of a manufacturing method thereof will be described.

【0021】まず、Fe,Co,Ni,Cr,Mnなど
の単物質からなる強磁性体あるいは反強磁性体は、ワイ
ヤー形状のものから、化学研磨あるいは電解研磨、ある
いは集束イオンビーム加工等で探針状に加工できる。ま
た、途中を細くしたワイヤーの両端を引っ張ることによ
り作製することができる。
First, a ferromagnetic or antiferromagnetic material composed of a single substance such as Fe, Co, Ni, Cr, and Mn is searched from a wire-shaped material by chemical polishing, electrolytic polishing, or focused ion beam processing. Can be processed into needle shape. Further, it can be manufactured by pulling both ends of a wire whose thickness has been reduced.

【0022】Fe,Co,Ni,Cr,Mnなどを含む
化合物からなる強磁性体あるいは反強磁性体について
は、強磁性体の場合には、上記と同じ化学研磨あるいは
電解研磨、あるいは集束イオンビーム加工等を使用で
き、反強磁性体の場合には結晶構造を壊すことの少ない
電解研磨が好ましい。また、CrO2 ,Fe3 4 ,L
a1―XSrXMnO3 などの酸化物等の延性を持たな
い物質については、へき解性を持つものについてはへき
解により、また割れる性質のある基板上に成長させた膜
については、膜のついた基板を割り、膜側の端を用いる
ことにより、探針とすることができる。
For a ferromagnetic material or an antiferromagnetic material made of a compound containing Fe, Co, Ni, Cr, Mn, etc., in the case of a ferromagnetic material, the same chemical polishing or electrolytic polishing as described above, or a focused ion beam is used. Processing or the like can be used, and in the case of an antiferromagnetic material, electropolishing that does not break the crystal structure is preferable. CrO 2 , Fe 3 O 4 , L
For non-ductile substances such as oxides such as a1-XSrXMnO 3 , those having a decomposability are cleaved. For films grown on a substrate having a cracking property, a substrate with a film is used. , And by using the end on the membrane side, a probe can be obtained.

【0023】Fe,Co,Ni,Cr,Mnおよびその
化合物が含まれる複合材としては、上記材料を含む強磁
性層/非強磁性層/強磁性層からなる積層膜、あるいは
マトリックス中に粒子が分散したグラニュラー膜などを
用いることができる。積層膜を用いた例を図5に示す。
図5(ア)は、強磁性層/非強磁性層から成る積層膜の
基板を一部はがし、膜部分のみをエッチングで膜面方向
に平行に細くしたもの、(イ)は積層膜にたいして膜面
垂直方向を探針軸方向としたものである。(ウ)は膜の
エッジ部分を使用するものである。(エ)は探針先端部
に積層膜を蒸着したものである。以上の積層膜は、強磁
性層/非強磁性層が交互に繰り返された構造(最低では
強磁性層/非強磁性層/強磁性層からなる)であるが、
この構造の代わりに、強磁性層/非強磁性層/強磁性層
/反強磁性層からなる磁化方向を固着する層を持った積
層膜でもよい。その場合、(イ)(ウ)(エ)に対応し
て、(オ)(カ)(キ)のようになる。
As a composite material containing Fe, Co, Ni, Cr, Mn and its compounds, a laminated film comprising a ferromagnetic layer / non-ferromagnetic layer / ferromagnetic layer containing the above-mentioned materials, or particles in a matrix A dispersed granular film or the like can be used. FIG. 5 shows an example using a laminated film.
FIG. 5A shows a laminated film composed of a ferromagnetic layer and a non-ferromagnetic layer, in which a part of the substrate is peeled off, and only the film part is thinned in parallel to the film surface direction by etching. The direction perpendicular to the plane is the probe axis direction. (C) uses the edge portion of the film. (D) shows a laminated film deposited on the tip of the probe. The above laminated film has a structure in which a ferromagnetic layer / a non-ferromagnetic layer is alternately repeated (at least, it is composed of a ferromagnetic layer / a non-ferromagnetic layer / a ferromagnetic layer).
Instead of this structure, a laminated film having a layer for fixing the magnetization direction, which includes a ferromagnetic layer / non-ferromagnetic layer / ferromagnetic layer / antiferromagnetic layer, may be used. In that case, (e), (f), and (g) correspond to (a), (c), and (d).

【0024】マトリックスに粒子が分散したグラニュラ
ー膜を使用した例を図5(ク)(ケ)(コ)に示す。
(ク)は基板を除去してグラニュラー膜部分を探針加工
したもの、(ケ)は膜面垂直に探針化したもの、(コ)
は基板がついたまま、へき解などにより基板を割り、角
を用いる方法である。(ク)(ケ)は、イオンビーム等
で細く加工したのち、エッチングで作製することができ
る。
FIGS. 5 (c), 5 (c) and 5 (c) show examples in which a granular film in which particles are dispersed in a matrix is used.
(H) is a substrate obtained by removing the substrate and processing the granular film with a probe, (v) is a probe formed perpendicular to the film surface, and (v)
Is a method in which the substrate is divided by cleavage or the like while the substrate is attached, and a corner is used. (H) and (h) can be manufactured by etching after being finely processed with an ion beam or the like.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
い感度が期待される強磁性あるいは反強磁性探針を用い
て、試料表面の凹凸を現すトポグラフ像と分離してスピ
ン像を取り出すことができる。
As described above, according to the present invention, a spin image is taken out by using a ferromagnetic or antiferromagnetic probe, which is expected to have high sensitivity, separately from a topographic image showing irregularities on the sample surface. be able to.

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

【図1】走査時のバイアス電圧の変化を示す波形図であ
る。
FIG. 1 is a waveform diagram showing a change in a bias voltage during scanning.

【図2】走査時のバイアス電圧の他の変化を示す波形図
である。
FIG. 2 is a waveform chart showing another change in the bias voltage during scanning.

【図3】Co試料とCr探針の電子状態を示す摸式図で
ある。
FIG. 3 is a schematic diagram showing electronic states of a Co sample and a Cr probe.

【図4】本発明の原理を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図5】本発明の探針の例を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing an example of a probe according to the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 国義 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 猪俣 浩一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平6−268283(JP,A) 特開 平1−320750(JP,A) 特開 平7−333233(JP,A) 特開 平9−196928(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kuniyoshi Tanaka 1 Toshiba-cho, Komukai-shi, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Toshiba Research & Development Center Co., Ltd. No. 1 Toshiba Corporation R & D Center (56) References JP-A-6-268283 (JP, A) JP-A-1-320750 (JP, A) JP-A-7-333233 (JP, A) 9-196928 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37 / 28 JICST file (JOIS)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 O.1から10nmの間隔を隔てて試料表面に
配置された強磁性体あるいは反強磁性体からなる探針
と、前記探針を試料表面に対して相対的に走査させる駆
動機構と、前記探針および前記試料間にバイアス電圧を
印加するバイアス電圧源と、前記探針および試料間に流
れるトンネル電流を検出する手段とを備えたスピン偏極
走査型トンネル顕微鏡において、前記探針材料が、Fe、
Co、Ni、Cr、Mnあるいはその化合物からなる強磁性体あ
るいは反強磁性体からなるとともに、前記バイアス電圧
がV1、V2における前記探針および前記試料からなる系の
スピン偏極度をそれぞれP1、P2とした場合に 【数1】 で表される値Fが、F>1.03あるいはF<O.97のどちらか
の条件を満たす2つのバイアス電圧Vl、V2に対し、ま
ず、バイアス電圧V1にてトンネル電流が一定(I)にな
るように前記探針および前記試料間の距離を制御決定
し、次に前記探針および前記試料間距離は変えずに前記
バイアス電圧のみをV2へ変え、その時のトンネル電流I2
を画像信号とすることを特徴とするスピン偏極走査型ト
ンネル顕微鏡。
1. A probe made of a ferromagnetic material or an antiferromagnetic material disposed on the surface of a sample at a distance of 10 nm from O.1 and a drive for scanning the probe relatively to the surface of the sample. Mechanism and a bias voltage between the probe and the sample.
The bias voltage source to be applied and the flow between the probe and the sample
Polarization detecting means for detecting a tunnel current
In a scanning tunneling microscope, the probe material is Fe,
Ferromagnetic materials made of Co, Ni, Cr, Mn or their compounds
Or when the spin polarization of the system consisting of the probe and the sample at bias voltages V1 and V2 is P1 and P2, respectively, In represented by the value F is, F> 1.03 or F <O.97 either satisfy two bias voltages Vl of, with respect to V2, first, the tunnel current is constant at a bias voltage V 1 (I 1) the probe and the distance between the sample and the control determined to be, then changing only the bias voltage without changing the probe and the sample distance is to V 2, the tunnel current I 2 at that time
Is a spin-polarized scanning tunneling microscope.
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