JP3384582B2 - 走査トンネル顕微鏡 - Google Patents
走査トンネル顕微鏡Info
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- JP3384582B2 JP3384582B2 JP07683093A JP7683093A JP3384582B2 JP 3384582 B2 JP3384582 B2 JP 3384582B2 JP 07683093 A JP07683093 A JP 07683093A JP 7683093 A JP7683093 A JP 7683093A JP 3384582 B2 JP3384582 B2 JP 3384582B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁性体表面の電子スピ
ン偏極状態が観察できる走査トンネル顕微鏡に係り、特
にそれの化合物半導体探針の形状に関するものである。
ン偏極状態が観察できる走査トンネル顕微鏡に係り、特
にそれの化合物半導体探針の形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】原子分解能を有する走査トンネル顕微鏡
〔以下、ＳＴＭ（Scanning TunnelingMicroscop ）と略
記する〕は試料表面の物性を観察できる有効な装置であ
り、無機化合物の表面物性、有機薄膜の表面物性、電気
化学、生物分野など各分野で使用されている。
〔以下、ＳＴＭ（Scanning TunnelingMicroscop ）と略
記する〕は試料表面の物性を観察できる有効な装置であ
り、無機化合物の表面物性、有機薄膜の表面物性、電気
化学、生物分野など各分野で使用されている。
【０００３】ＳＴＭは試料表面の電子状態の空間的分布
を測定、観察する装置であり、トンネル電流のバイアス
電圧微分は局所状態密度に比例するため、原子分解能で
の分光が可能である。ＳＴＭではバイアス電圧を変える
ことにより、試料の充満帯と空準位を共に測定できると
いう特徴を有している。
を測定、観察する装置であり、トンネル電流のバイアス
電圧微分は局所状態密度に比例するため、原子分解能で
の分光が可能である。ＳＴＭではバイアス電圧を変える
ことにより、試料の充満帯と空準位を共に測定できると
いう特徴を有している。
【０００４】従来、磁性体表面の磁気的物性の観察は、
磁性体表面からの光電子、２次電子などの放射電子のス
ピン偏極度を測定する方法が採用されていたが、しか
し、この方法は平均的な磁気的状態しか測定できないと
いう欠点を有している。これに対しＳＴＭを使用する
と、各原子での電子スピン偏極状態の観察が可能であ
る。すなわち、ＳＴＭではトンネル分光の特性、つま
り、トンネル電流が探針と試料の状態密度の畳み込み積
分に依存するから、探針に偏ったスピン状態密度を有す
る材料を選択することによりＳＴＭにスピン分解能をも
たせることができる。
磁性体表面からの光電子、２次電子などの放射電子のス
ピン偏極度を測定する方法が採用されていたが、しか
し、この方法は平均的な磁気的状態しか測定できないと
いう欠点を有している。これに対しＳＴＭを使用する
と、各原子での電子スピン偏極状態の観察が可能であ
る。すなわち、ＳＴＭではトンネル分光の特性、つま
り、トンネル電流が探針と試料の状態密度の畳み込み積
分に依存するから、探針に偏ったスピン状態密度を有す
る材料を選択することによりＳＴＭにスピン分解能をも
たせることができる。
【０００５】なお、走査トンネル顕微鏡に関する刊行物
としては、例えばG.Binnig,H.Rohrer,Ch.Gerber,and E.
Weibel.Surface studies by scanning tunneling micro
scopy.Phys.Rev.Lett.,49(1):57-61,1982 、「走査型プ
ローブ顕微鏡のすべて」工業調査会，１９９２ならびに
特開昭６２−１３９２４０号公報などがある。
としては、例えばG.Binnig,H.Rohrer,Ch.Gerber,and E.
Weibel.Surface studies by scanning tunneling micro
scopy.Phys.Rev.Lett.,49(1):57-61,1982 、「走査型プ
ローブ顕微鏡のすべて」工業調査会，１９９２ならびに
特開昭６２−１３９２４０号公報などがある。
【０００６】図８は、従来のスピンＳＴＭ用探針の斜視
図である。同図に示すように従来のスピンＳＴＭ用探針
１００は素材ワイヤを電解エッチングなどの手段で製作
した針状のもので、その先端部１０１が円錐状になって
いる。
図である。同図に示すように従来のスピンＳＴＭ用探針
１００は素材ワイヤを電解エッチングなどの手段で製作
した針状のもので、その先端部１０１が円錐状になって
いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このように従来のスピ
ンＳＴＭ用探針１００はその先端部１０１が円錐状にな
っているから、その先端部１０１に収束照射されたスポ
ット状のレーザ光が先端部１０１の周面で散乱し、その
結果、一定方向にスピンを揃えることが困難であるとい
う欠点、およびこのため最先端部を光照射することとな
り、試料をあたためる欠点もを有している。
ンＳＴＭ用探針１００はその先端部１０１が円錐状にな
っているから、その先端部１０１に収束照射されたスポ
ット状のレーザ光が先端部１０１の周面で散乱し、その
結果、一定方向にスピンを揃えることが困難であるとい
う欠点、およびこのため最先端部を光照射することとな
り、試料をあたためる欠点もを有している。
【０００８】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消して、スピンＳＴＭ用探針の先端部で光の散乱
がなく、探針先端を試料より離すことができることより
空間分解能の高い走査トンネル顕微鏡を提供するにあ
る。
点を解消して、スピンＳＴＭ用探針の先端部で光の散乱
がなく、探針先端を試料より離すことができることより
空間分解能の高い走査トンネル顕微鏡を提供するにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、磁性体試料の表面に近接して配置される
例えばＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造を有する化合物半導
体で構成された探針と、その探針の先端部付近に光を照
射する励起光照射手段と、前記探針と試料とを相対的に
移動する移動手段と、前記試料に流れるトンネル電流を
検出する検出手段とを備え、前記探針の先端部付近に光
を照射し、その探針の伝導帯に励起された電子がトンネ
ル効果により試料に流れ込み、前記移動手段によって探
針と試料とを相対的に移動させながら試料のトンネル電
流の変化を前記検出手段で検出して、当該試料表面の磁
気的特性を観察する走査トンネル顕微鏡を対象とするも
のである。
め、本発明は、磁性体試料の表面に近接して配置される
例えばＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造を有する化合物半導
体で構成された探針と、その探針の先端部付近に光を照
射する励起光照射手段と、前記探針と試料とを相対的に
移動する移動手段と、前記試料に流れるトンネル電流を
検出する検出手段とを備え、前記探針の先端部付近に光
を照射し、その探針の伝導帯に励起された電子がトンネ
ル効果により試料に流れ込み、前記移動手段によって探
針と試料とを相対的に移動させながら試料のトンネル電
流の変化を前記検出手段で検出して、当該試料表面の磁
気的特性を観察する走査トンネル顕微鏡を対象とするも
のである。
【００１０】そして前記探針の少なくとも前記光が照射
される面が平坦面になっており、その探針が励起層と補
強層の複合体で構成されていることを特徴とするもので
ある。
される面が平坦面になっており、その探針が励起層と補
強層の複合体で構成されていることを特徴とするもので
ある。
【００１１】
【作用】本発明は前述のように、探針の少なくとも前記
光が照射される面が平坦面になっているため、従来の円
錐状の先端部を有する探針に比較して励起光の散乱がな
く、効率良く励起電子を生成させることが出来、そのた
めに空間分解能の高い走査トンネル顕微鏡を提供するこ
とができる。
光が照射される面が平坦面になっているため、従来の円
錐状の先端部を有する探針に比較して励起光の散乱がな
く、効率良く励起電子を生成させることが出来、そのた
めに空間分解能の高い走査トンネル顕微鏡を提供するこ
とができる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は実施例に係るスピンＳＴＭ用探針の斜視面
図、図２はスピンＳＴＭ用探針を使用したＳＴＭの概略
構成図、図３はそのＳＴＭの原理説明図である。
る。図１は実施例に係るスピンＳＴＭ用探針の斜視面
図、図２はスピンＳＴＭ用探針を使用したＳＴＭの概略
構成図、図３はそのＳＴＭの原理説明図である。
【００１３】まず、図２を用いてＳＴＭの全体的な概略
構成について説明する。ＳＴＭは、駆動電源１と、その
駆動電源１によって３次元的に微小駆動されるピエゾ素
子２と、ピエゾ素子２に取り付けられたスピンＳＴＭ用
探針３と、励起光照射装置４と、画像信号から磁区像な
どの像を作成するＣＲＴディスプレイ５と、プリンタ６
とから主に構成されている。
構成について説明する。ＳＴＭは、駆動電源１と、その
駆動電源１によって３次元的に微小駆動されるピエゾ素
子２と、ピエゾ素子２に取り付けられたスピンＳＴＭ用
探針３と、励起光照射装置４と、画像信号から磁区像な
どの像を作成するＣＲＴディスプレイ５と、プリンタ６
とから主に構成されている。
【００１４】前記励起光照射装置４は、半導体レーザ源
７と、偏波面保存光ファイバ８と、電気光学素子９と、
１／４波長板１０と、レンズ１１とから主に構成されて
いる。
７と、偏波面保存光ファイバ８と、電気光学素子９と、
１／４波長板１０と、レンズ１１とから主に構成されて
いる。
【００１５】前記半導体レーザ源７から出射した直線偏
光は偏波面保存光ファイバ８によって伝送され、電気光
学素子９ならびに１／４波長板１０を通ることにより円
偏波光１２となり、その円偏波光１２をレンズ１１で収
束してスピンＳＴＭ用探針３の先端近傍にスポット状に
照射する。
光は偏波面保存光ファイバ８によって伝送され、電気光
学素子９ならびに１／４波長板１０を通ることにより円
偏波光１２となり、その円偏波光１２をレンズ１１で収
束してスピンＳＴＭ用探針３の先端近傍にスポット状に
照射する。
【００１６】スピンＳＴＭ用探針３はＧａＡｓなどの閃
亜鉛鉱構造を有する化合物半導体で構成されており、前
記円偏波光１２の照射で探針３の価電子帯の電子が伝導
帯へと選択的に励起され、その伝導帯におけるこれら励
起電子の大部分は円偏波光１２の進行方向と同じ方向に
スピンをもち、残りの励起電子はそれと逆方向のスピン
をもつ。このスピンＳＴＭ用探針３を図に示すように磁
性体試料１３の表面に近接すると、探針３の伝導帯にあ
る励起電子はトンネル効果により磁性体試料１３に流れ
込む。このとき、試料１３の磁化方向が、励起電子スピ
ンの平均的な方向と同じかあるいは逆かによって、トン
ネル電流１４の大きさが異なる。
亜鉛鉱構造を有する化合物半導体で構成されており、前
記円偏波光１２の照射で探針３の価電子帯の電子が伝導
帯へと選択的に励起され、その伝導帯におけるこれら励
起電子の大部分は円偏波光１２の進行方向と同じ方向に
スピンをもち、残りの励起電子はそれと逆方向のスピン
をもつ。このスピンＳＴＭ用探針３を図に示すように磁
性体試料１３の表面に近接すると、探針３の伝導帯にあ
る励起電子はトンネル効果により磁性体試料１３に流れ
込む。このとき、試料１３の磁化方向が、励起電子スピ
ンの平均的な方向と同じかあるいは逆かによって、トン
ネル電流１４の大きさが異なる。
【００１７】図３はその様子を模式的に示した図で、同
図（ａ）のようにスピンＳＴＭ用探針３を磁性体試料１
３の表面に沿って走査すると、同図（ｂ）に示すように
試料１３の磁化方向に対応してトンネル電流の値が変化
し、その変化の状態が電流計２１によって検出される。
図（ａ）のようにスピンＳＴＭ用探針３を磁性体試料１
３の表面に沿って走査すると、同図（ｂ）に示すように
試料１３の磁化方向に対応してトンネル電流の値が変化
し、その変化の状態が電流計２１によって検出される。
【００１８】演算処理機能を備えたＣＲＴディスプレイ
５にこのトンネル電流値の変化を画像情報として入力す
ると演算処理されて試料１３の原子分解能でスピン偏極
像が表示され、またプリンタ６でスピン偏極像をグラフ
ィック印刷することができる。
５にこのトンネル電流値の変化を画像情報として入力す
ると演算処理されて試料１３の原子分解能でスピン偏極
像が表示され、またプリンタ６でスピン偏極像をグラフ
ィック印刷することができる。
【００１９】スピンＳＴＭ用の探針には強磁性体で構成
した針状の探針があるが、これでは漏れ磁場が大きく、
試料への影響が問題となる。これに対してＧａＡｓなど
の閃亜鉛鉱構造を有する化合物半導体は、漏れ磁場によ
る試料への影響がなく、適切な波長の円偏波光を照射す
ると、伝導帯にスピン偏極したほぼ理論値に相当する偏
極電子を励起することができ、この励起電子と試料磁性
体との結合により、試料のスピン偏極電子状態に依存し
たトンネル電流が正確に測定することができるという特
長を有している。
した針状の探針があるが、これでは漏れ磁場が大きく、
試料への影響が問題となる。これに対してＧａＡｓなど
の閃亜鉛鉱構造を有する化合物半導体は、漏れ磁場によ
る試料への影響がなく、適切な波長の円偏波光を照射す
ると、伝導帯にスピン偏極したほぼ理論値に相当する偏
極電子を励起することができ、この励起電子と試料磁性
体との結合により、試料のスピン偏極電子状態に依存し
たトンネル電流が正確に測定することができるという特
長を有している。
【００２０】このＳＴＭに使用されるスピンＳＴＭ用探
針３は前述のようにＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造を有す
る化合物半導体で構成され、その形状は図１に示すよう
に先端部１５は空間分解能を上げるために鋭角に尖って
おり、この実施例の場合はその先端部１５の下方は幅広
くなり、円偏波光１２が照射される側面１６とその反対
の面とが平坦面となっている。この側面１６部分は超格
子膜あるいは歪み格子膜となっており、その厚さｔは
０．１〜１μｍが適当で、厚さｔが余り厚くなると円偏
波光１２が探針３の内部まで到達せず、電子の励起が少
なくなる。また０．１μｍよりも薄くなると探針３の機
械的強度が確保できない。図１のような形状に加工する
方法として、収束イオンビーム（ＦＩＢ）による切削加
工が適している。
針３は前述のようにＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造を有す
る化合物半導体で構成され、その形状は図１に示すよう
に先端部１５は空間分解能を上げるために鋭角に尖って
おり、この実施例の場合はその先端部１５の下方は幅広
くなり、円偏波光１２が照射される側面１６とその反対
の面とが平坦面となっている。この側面１６部分は超格
子膜あるいは歪み格子膜となっており、その厚さｔは
０．１〜１μｍが適当で、厚さｔが余り厚くなると円偏
波光１２が探針３の内部まで到達せず、電子の励起が少
なくなる。また０．１μｍよりも薄くなると探針３の機
械的強度が確保できない。図１のような形状に加工する
方法として、収束イオンビーム（ＦＩＢ）による切削加
工が適している。
【００２１】図４は、スピンＳＴＭ用探針３の第１変形
例を示す拡大断面図である。この例の場合は、超格子あ
るいは歪み格子のＧａＡｓ等の励起層１７の反対側に、
例えばＡｌＧａＡｓからなる補強層１８が形成された２
層構造になっている。
例を示す拡大断面図である。この例の場合は、超格子あ
るいは歪み格子のＧａＡｓ等の励起層１７の反対側に、
例えばＡｌＧａＡｓからなる補強層１８が形成された２
層構造になっている。
【００２２】図５は、スピンＳＴＭ用探針３の第２変形
例を示す拡大断面図である。この例の場合は、ＧａＡｓ
励起層１７の両側に、例えばＡｌＧａＡｓからなる補強
層１８ａ，１８ｂが形成されたサイドイッチ構造になっ
ている。この補強層１８のうちの円偏波光１２が照射さ
れる側の補強層１８ａの膜厚は、円偏波光１２が十分に
透過できる程度に調整されている。
例を示す拡大断面図である。この例の場合は、ＧａＡｓ
励起層１７の両側に、例えばＡｌＧａＡｓからなる補強
層１８ａ，１８ｂが形成されたサイドイッチ構造になっ
ている。この補強層１８のうちの円偏波光１２が照射さ
れる側の補強層１８ａの膜厚は、円偏波光１２が十分に
透過できる程度に調整されている。
【００２３】図６は、スピンＳＴＭ用探針３の第３変形
例を示す拡大断面図である。この例の場合もＧａＡｓ励
起層１７が例えばＡｌＧａＡｓからなる補強層１８ａ，
１８ｂでサンドイッチ状に挟まれた構造になっている
が、補強層１８ａはＧａＡｓ励起層１７の先端部付近
（円偏波光１２の照射部付近）を覆っておらず、部分的
にＧａＡｓ励起層１７が露出して、円偏波光１２が直接
ＧａＡｓ励起層１７に照射されるようになっている。
例を示す拡大断面図である。この例の場合もＧａＡｓ励
起層１７が例えばＡｌＧａＡｓからなる補強層１８ａ，
１８ｂでサンドイッチ状に挟まれた構造になっている
が、補強層１８ａはＧａＡｓ励起層１７の先端部付近
（円偏波光１２の照射部付近）を覆っておらず、部分的
にＧａＡｓ励起層１７が露出して、円偏波光１２が直接
ＧａＡｓ励起層１７に照射されるようになっている。
【００２４】図７は、スピンＳＴＭ用探針３の第４変形
例を示す拡大断面図である。この例の場合もＧａＡｓ励
起層１７が補強層１８ａ，１８ｂでサンドイッチ状に挟
まれた構造になっており、補強層１８ａには開口部１９
が形成されて円偏波光１２が直接ＧａＡｓ励起層１７に
照射されるようになっている。
例を示す拡大断面図である。この例の場合もＧａＡｓ励
起層１７が補強層１８ａ，１８ｂでサンドイッチ状に挟
まれた構造になっており、補強層１８ａには開口部１９
が形成されて円偏波光１２が直接ＧａＡｓ励起層１７に
照射されるようになっている。
【００２５】またＧａＡｓ励起層１７の円偏波光１２が
照射される付近が部分的に肉厚に形成されている。
照射される付近が部分的に肉厚に形成されている。
【００２６】前記第１〜４変形例のいずれの場合も、Ｇ
ａＡｓ励起層１７の先端部１５は厚さ方向においても尖
っており、空間分解能を上げる形状になっている。
ａＡｓ励起層１７の先端部１５は厚さ方向においても尖
っており、空間分解能を上げる形状になっている。
【００２７】
【発明の効果】本発明は前述のように、探針の少なくと
も前記光が照射される面が平坦面になっているため、従
来の円錐状の先端部を有する探針に比較して励起光の散
乱がなく、そのために空間分解能の高い走査トンネル顕
微鏡を提供することができるという利点を有している。
も前記光が照射される面が平坦面になっているため、従
来の円錐状の先端部を有する探針に比較して励起光の散
乱がなく、そのために空間分解能の高い走査トンネル顕
微鏡を提供することができるという利点を有している。
【図１】本発明の実施例に係るスピンＳＴＭ用探針の斜
視面図である。
視面図である。
【図２】そのスピンＳＴＭ用探針を使用したＳＴＭの概
略構成図である。
略構成図である。
【図３】そのＳＴＭの原理説明図である。
【図４】スピンＳＴＭ用探針の第１変形例を示す拡大断
面図である。
面図である。
【図５】スピンＳＴＭ用探針の第２変形例を示す拡大断
面図である。
面図である。
【図６】スピンＳＴＭ用探針の第３変形例を示す拡大断
面図である。
面図である。
【図７】スピンＳＴＭ用探針の第４変形例を示す拡大断
面図である。
面図である。
【図８】従来のスピンＳＴＭ用探針の斜視面図である。
１ 駆動電源
２ ピエゾ素子
３ スピンＳＴＭ用探針
４ 励起光照射装置
５ ＣＲＴディスプレイ
６ プリンタ
１２ 円偏波光
１３ 試料
１４ トンネル電流
１５ 先端部
１６ 側面
１７ ＧａＡｓ励起層
１８ 補強層
１９ 開口部
２１ 電流計
フロントページの続き
(72)発明者 武笠 幸一
北海道札幌市北区麻生町５丁目９−１−
901
(56)参考文献 特開 平４−36946（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−55845（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−139240（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−160501（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−176482（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−68880（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−302965（ＪＰ，Ａ)
特許3058514（ＪＰ，Ｂ２)
特許3144907（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 13/10 - 13/24
G12B 21/00 - 21/24
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 試料の表面に近接して配置される探針
と、その探針の先端部付近に光を照射する励起光照射手
段と、前記探針と試料とを相対的に移動する移動手段
と、前記試料に流れるトンネル電流を検出する検出手段
とを備え、 前記探針の先端部付近に光を照射し、その探針の伝導帯
に励起した電子がトンネル効果により試料に流れ込み、
前記移動手段によって探針と試料とを相対的に移動させ
ながら試料のトンネル電流の変化を前記検出手段で検出
して、当該試料表面の磁気的特性を観察する走査トンネ
ル顕微鏡において、 前記探針の少なくとも前記光が照射される面が平坦面に
なっており、その探針が励起層と補強層の複合体で構成
されている ことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項２】 請求項１記載において、前記励起層の励
起光照射面が補強層で被覆されておらず露出しており、
励起層の励起光照射面以外の面が補強層で被覆されてい
ることを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07683093A JP3384582B2 (ja) | 1993-04-02 | 1993-04-02 | 走査トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07683093A JP3384582B2 (ja) | 1993-04-02 | 1993-04-02 | 走査トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06289035A JPH06289035A (ja) | 1994-10-18 |
| JP3384582B2 true JP3384582B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=13616603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07683093A Expired - Fee Related JP3384582B2 (ja) | 1993-04-02 | 1993-04-02 | 走査トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3384582B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3223155B2 (ja) | 1998-02-05 | 2001-10-29 | 科学技術振興事業団 | 薄膜スピンプローブ |
| JP3399841B2 (ja) * | 1998-06-25 | 2003-04-21 | 科学技術振興事業団 | 光導波路付き探針及びその製造方法 |
| JP3472828B2 (ja) * | 2001-03-05 | 2003-12-02 | 北海道大学長 | 走査型磁気検出装置、及び走査型磁気検出装置用深針 |
-
1993
- 1993-04-02 JP JP07683093A patent/JP3384582B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06289035A (ja) | 1994-10-18 |
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