JP3390754B2 - Optical scanning tunneling microscope - Google Patents

Optical scanning tunneling microscope

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JP3390754B2
JP3390754B2 JP19568994A JP19568994A JP3390754B2 JP 3390754 B2 JP3390754 B2 JP 3390754B2 JP 19568994 A JP19568994 A JP 19568994A JP 19568994 A JP19568994 A JP 19568994A JP 3390754 B2 JP3390754 B2 JP 3390754B2
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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、物質表面の原子の配列
や、その配列を伝搬する電子の波や光の波を検出し、そ
の原子レベルでの特性を評価する光走査トンネル顕微鏡
(PSTM)に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical scanning tunneling microscope (PSTM) for detecting an array of atoms on a surface of a material, an electron wave or a light wave propagating through the array, and evaluating the characteristics at the atomic level. ) Is related to.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のSTMまたは光STMでは、トン
ネル電流やエバネッセント光をプローブの先端にあるチ
ップを介して、別の電流検出部や光検出部にて計測評価
してきた。
2. Description of the Related Art In a conventional STM or optical STM, tunnel current or evanescent light has been measured and evaluated by another current detection unit or light detection unit via a chip at the tip of a probe.

【0003】そのため、チップ本体や電流や光の伝搬部
の電気的あるいは光学的特性が重要であり、種々の制限
が加えられていた。例えば、STMでは、電気的によい
導電物質である必然性からタングステンなどの金属が用
いられてきた。
For this reason, the electrical or optical characteristics of the chip body and the current and light propagating portion are important, and various restrictions have been imposed. For example, in the STM, a metal such as tungsten has been used because it is an electrically conductive material.

【0004】一方、光STMは、図6に示すように、試
料1の光導波路2から漏れる光を、光ファイバー4のフ
ァイバー先端4aで集光して画像化するシステムであ
り、検出された光の強度の距離依存性、すなわち漏れた
光の強度はSTMのトンネル電流と同じく指数関数的に
変化する。なお、図7は図6のA部拡大断面図であり、
図6において、3はファイバー先端4aを微動させる圧
電体、5は光マルチプライヤ、6はフィードバック制御
回路、7はコンピュータと画像表示装置、8は対物レン
ズ(20倍)、9は偏光回転板、10はレーザである。
On the other hand, the optical STM is a system for focusing light leaking from the optical waveguide 2 of the sample 1 on the fiber tip 4a of the optical fiber 4 to form an image, as shown in FIG. The distance dependence of the intensity, that is, the intensity of the leaked light changes exponentially like the tunnel current of the STM. Note that FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of part A of FIG.
In FIG. 6, 3 is a piezoelectric body for finely moving the fiber tip 4a, 5 is an optical multiplier, 6 is a feedback control circuit, 7 is a computer and an image display device, 8 is an objective lens (20 times), 9 is a polarization rotation plate, 10 is a laser.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このような、光STM
においては、化学的にエッチングした光ファイバーの先
端部のみ残して、金などでチップの根元部をコーティン
グして漏れ光がないように工夫する必要があった。
SUMMARY OF THE INVENTION Such an optical STM
In the above, it was necessary to coat the root of the chip with gold or the like so as to prevent leakage of light, leaving only the tip of the chemically etched optical fiber.

【0006】本発明は、上記状況に鑑みて、チップの先
端部を発光可能、かつ外部から状態を制御できる量子構
造にすることにより、上記のチップ先端部の工夫が不要
になるとともに、チップ先端部で物質を伝搬する光の波
長とは異なる光に変換されるため、検出されるべきエバ
ネッセント波を、バックグラウンドのエバネッセント波
から弁別検出が可能な、量子効果チップを有する光走査
トンネル顕微鏡を提供することを目的とする。
In view of the above situation, the present invention adopts a quantum structure capable of emitting light from the tip of the chip and controlling the state from the outside. Provided is an optical scanning tunneling microscope with a quantum effect chip that can detect the evanescent wave that should be detected because it is converted into light with a wavelength different from the wavelength of the light propagating through the substance in the background. The purpose is to do.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、光走査トンネル顕微鏡において、 (1)任意の振動モードを有するカンチレバーに支えら
れる半導体量子効果チップを有するプローブと、このプ
ローブの微動機構と、前記半導体量子効果チップの量子
構造変調機構と、このプローブによって計測される試料
と、この試料をセットする試料移動機構と、前記試料に
励起光を照射する光源機構と、前記プローブが前記試料
に接近して電子または光のトンネルにより励起されて発
光する光を検出する光検出手段とを設けるようにしたも
のである。
In order to achieve the above object, the present invention provides, in an optical scanning tunneling microscope, (1) a probe having a semiconductor quantum effect chip supported by a cantilever having an arbitrary vibration mode ; A fine movement mechanism of a probe, a quantum structure modulation mechanism of the semiconductor quantum effect chip, a sample measured by the probe, a sample moving mechanism for setting the sample, a light source mechanism for irradiating the sample with excitation light, The probe is provided with a light detecting means which is close to the sample and detects light emitted by being excited by an electron or light tunnel.

【0008】(2)前記(1)において、プローブを構
成する半導体量子効果チップの先端部は、量子井戸、量
子細線、量子点などのサブナノメートル構造を有する。
(2) In (1), the tip of the semiconductor quantum effect chip constituting the probe has a sub-nanometer structure such as a quantum well, a quantum wire, and a quantum dot.

【0009】(3)前記(2)において、半導体量子効
果チップの先端部は、GaAsやInGaAsなどの直
接遷移型半導体材料からなる。
(3) In (2), the tip of the semiconductor quantum effect chip is made of a direct transition type semiconductor material such as GaAs or InGaAs.

【0010】(4)前記(2)において、半導体量子効
果チップの先端部は、純粋な半導体材料または不純物を
ドープした半導体材料からなる。
(4) In (2), the tip of the semiconductor quantum effect chip is made of a pure semiconductor material or a semiconductor material doped with impurities.

【0011】(5)前記(2)において、半導体量子効
果チップの先端部は、伝搬している電子波を一端吸収
し、これを再び蛍光や燐光として発光できる材料からな
り、発光された光を用いて、前記半導体量子効果チップ
と試料との距離や電子波の強度や試料の特性を計測す
る。
(5) In the above (2), the tip of the semiconductor quantum effect chip is made of a material capable of once absorbing a propagating electron wave and emitting it again as fluorescence or phosphorescence. Then, the distance between the semiconductor quantum effect chip and the sample, the intensity of the electron wave, and the characteristics of the sample are measured.

【0012】(6)前記(2)において、前記半導体
子効果チップの先端部には、InGaAsなどのバンド
幅の狭い半導体材料を用い、前記基板や試料に対して吸
収の少ない波長での発光を得ることができる。
(6) In (2) above, a semiconductor material having a narrow band width such as InGaAs is used for the tip of the semiconductor quantum effect chip, and the absorption is small with respect to the substrate and the sample. Emission at a wavelength can be obtained.

【0013】()前記(1)において、基板と半導体
量子効果チップの先端部の間、または前記基板と試料の
間に電圧を印加し、前記半導体量子効果チップの先端部
の有する量子効果を外部から制御し、前記半導体量子効
果チップの電気的、または光学的な特性を、検出される
量子の特性に合わせて可変できる光走査トンネル顕微
鏡。
( 7 ) In the above (1), a voltage is applied between the substrate and the tip of the semiconductor quantum effect chip, or between the substrate and the sample, and the tip of the semiconductor quantum effect chip is charged. An optical scanning tunneling microscope capable of externally controlling the quantum effect possessed and varying the electrical or optical characteristics of the semiconductor quantum effect chip according to the characteristics of the detected quantum.

【0014】()前記(1)において、光検出手段
は、半導体量子効果チップからの光を分光器やカラーフ
ィルタ分光して検出する光検出器である。
( 8 ) In the above (1), the photodetector means is a photodetector for detecting the light from the semiconductor quantum effect chip by spectroscopic analysis or color filter spectroscopy.

【0015】()前記(1)において、光源機構は、
半導体量子効果チップの先端部の量子化エネルギーより
も高いエネルギーを有する光子を放出する。
( 9 ) In the above (1), the light source mechanism is
It emits photons with higher energy than the quantization energy of the tip of the semiconductor quantum effect chip.

【0016】[0016]

【作用】本発明によれば、上記のように構成したので、
半導体量子効果チップの先端部を発光可能、かつ外部か
ら状態を制御できる量子構造にすることで、上記のチッ
プ先端部の工夫が不要になるとともに、チップ先端部で
物質を伝搬する光の波長とは異なる光に変換されるた
め、検出されるべきエバネッセント波をバックグラウン
ドのエバネッセント波から弁別検出が可能となる。
According to the present invention, since it is configured as described above,
By making the tip of the semiconductor quantum effect chip a quantum structure that can emit light and control the state from the outside, it is not necessary to devise the tip of the chip described above, and the wavelength of the light propagating through the substance at the tip is Is converted into different light, so that the evanescent wave to be detected can be discriminated and detected from the background evanescent wave.

【0017】したがって、測定の信号/ノイズ比が向上
される。また、半導体量子効果チップの先端部で発光し
たものを検出するのに、その波長域に高い感度を有する
検出器を、チップ先端部に対して高い立体角で配置する
ことのみが重要となるため、信号の伝搬への配慮が不要
になるなどの利点がある。
Therefore, the signal / noise ratio of the measurement is improved. Also, in order to detect light emitted at the tip of the semiconductor quantum effect chip, it is important only to arrange a detector having high sensitivity in the wavelength range at a high solid angle with respect to the tip of the chip. However, there is an advantage that it is not necessary to consider the signal propagation.

【0018】また、試料の吸収特性などを考慮して、量
子化エネルギー設計時からある範囲に設定し、最終的な
微調は、半導体量子効果チップ先端部への印加電圧を
制御することで変化させることが可能となる。
Further, like in consideration of the absorption properties of the sample, set in a range from the time quantization energy designs, the final fine adjustment, varied by controlling the voltage applied to the semiconductor quantum effect chip tip It becomes possible.

【0019】[0019]

【実施例】本発明の実施例について図を参照しながら説
明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0020】図1は、本発明の実施例を示す半導体量子
効果チップを用いた光走査トンネル顕微鏡(PSTM)
の全体の構成を示す図である。
FIG. 1 shows an optical scanning tunneling microscope (PSTM) using a semiconductor quantum effect chip according to an embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the whole structure of.

【0021】この図では、装置を光STMモードにて動
作させることを基準として示している。制御装置20に
より制御された光源機構15(例えば、Arレーザ)か
らの光は、制御装置20により制御された試料移動機構
16上に乗せた試料21(例えば、生物試料や半導体試
料)を照射する。
In the figure, the operation is shown in the optical STM mode as a reference. Light from the light source mechanism 15 (for example, Ar laser) controlled by the control device 20 irradiates the sample 21 (for example, biological sample or semiconductor sample) placed on the sample moving mechanism 16 controlled by the control device 20. .

【0022】試料21内部または表面を伝搬した光成分
は、同じく制御装置20により制御された電源を含む量
子構造変調機構14により、その量子効果を最適化され
たチップ部12を、制御装置20により制御されたカン
チレバー微動機構13により、3次元的に微動できるチ
ップ部12によりピックアップされる。これは、試料2
1の伝搬光がチップ部12先端の量子効果を持つ部分に
トンネル効果を介して移動したことを示す。
The light component propagating inside or on the surface of the sample 21 is controlled by the control unit 20 by the control unit 20 by the quantum structure modulation mechanism 14 including the power source which is also controlled by the control unit 20. The controlled cantilever fine movement mechanism 13 picks up the chip portion 12 that can finely move in three dimensions. This is sample 2
It is shown that the propagating light of No. 1 has moved to the portion having the quantum effect at the tip of the tip portion 12 via the tunnel effect.

【0023】これにより、光学的に励起された量子効果
のある先端部では、電子とホールの再結合により蛍光を
発する。この蛍光は、レンズや凹面鏡などの集光光学系
19を介して、分光機構18を通して検出器17により
検出される。検出された信号は、制御装置20により処
理され、試料21の状態を示す情報として取り出され
る。この情報に基づき、試料21の特性に応じた画像化
などを行えばよい。
As a result, the optically excited tip portion having a quantum effect emits fluorescence due to recombination of electrons and holes. This fluorescence is detected by the detector 17 through the spectroscopic mechanism 18 via the condensing optical system 19 such as a lens or a concave mirror. The detected signal is processed by the controller 20 and taken out as information indicating the state of the sample 21. Based on this information, imaging or the like according to the characteristics of the sample 21 may be performed.

【0024】また、光検出器17は、半導体量子効果チ
ップ12からの光を分光器やカラーフィルタ分光して検
出することができる。
The photodetector 17 can detect the light from the semiconductor quantum effect chip 12 by spectroscope or color filter spectroscopy.

【0025】更に、光源15としては、半導体量子効果
チップ12の先端部の量子化エネルギーよりも高いエネ
ルギーを有する光子を放出するものを用いることができ
る。
Further, as the light source 15 , one that emits photons having energy higher than the quantization energy of the tip of the semiconductor quantum effect chip 12 can be used.

【0026】以下、プローブとしての半導体量子効果チ
ップについて説明する。
The semiconductor quantum effect chip as a probe will be described below.

【0027】図2は本発明の第1実施例のプローブとし
ての半導体量子効果チップの構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of a semiconductor quantum effect chip as a probe of the first embodiment of the present invention.

【0028】この図に示すように、カンチレバーとして
用いる基板11上に、チップ部12をピラミッド状に成
長させる。そのチップ部12の先端には、量子効果を示
す量子微細構造部12aが取り付けられている。これ
は、半導体のナノ構造成長技術と化学エッチングなどの
技術を用いることで達成可能である。
As shown in this figure, a chip portion 12 is grown in a pyramid shape on a substrate 11 used as a cantilever. At the tip of the chip portion 12, a quantum fine structure portion 12a exhibiting a quantum effect is attached. This can be achieved using techniques such as semiconductor nanostructure growth techniques and chemical etching.

【0029】また、量子微細構造部12aの大きさは、
図2では、その付け根部分が500Å程度で示してある
が、その最先端部分は、単一原子レベルまで小さくなっ
ている。つまり、微細な量子点として構成されている。
The size of the quantum fine structure portion 12a is
In FIG. 2, the root portion is shown at about 500 Å, but the tip portion is reduced to the level of a single atom. That is, it is configured as a fine quantum dot.

【0030】このように、プローブを構成する半導体
子効果チップを半導体などの基板の端に設け、該基板を
化学的に制御研磨し、任意の振動モードを有するカンチ
レバーとして構成するようにしたものである。
As described above, the semiconductor quantum effect chip forming the probe is provided at the end of the substrate such as a semiconductor, and the substrate is chemically controlled and polished to form a cantilever having an arbitrary vibration mode. It was done like this.

【0031】更に、図2では、量子微細構造部12aが
ピラミッドの延長の形として描かれているが、実際に
は、この形である必然性はない。さらに言えば、半導体
では、このような形にする方が成長しやすいが、端的に
は、チップ部12の先端に別の材料(色素分子など)を
取り付けることで、その構造が量子効果を示しながら、
光STMのチップとして、動作することも考えられる。
Further, in FIG. 2, the quantum fine structure portion 12a is drawn as an extension of the pyramid, but in reality, it is not necessarily this shape. Furthermore, in a semiconductor, such a shape is easier to grow, but in short, by attaching another material (such as a dye molecule) to the tip of the chip portion 12, its structure exhibits a quantum effect. While
It can be considered to operate as an optical STM chip.

【0032】また、半導体量子効果チップの先端部は純
粋な半導体材料または不純物をドープした半導体材料で
構成することができる。
The tip of the semiconductor quantum effect chip can be made of a pure semiconductor material or a semiconductor material doped with impurities.

【0033】上記のように構成することにより、半導体
量子効果チップの先端部は、伝搬している電子波を一端
吸収し、これを再び蛍光や燐光として発光できる材料か
らなり、発光された光を用いて、前記半導体量子効果チ
ップと試料との距離や電子波の強度や試料の特性を計測
することができる。
With the above structure, the tip of the semiconductor quantum effect chip is made of a material capable of once absorbing a propagating electron wave and emitting it again as fluorescence or phosphorescence. The emitted light can be used to measure the distance between the semiconductor quantum effect chip and the sample, the intensity of the electron wave, and the property of the sample.

【0034】図3は本発明の第2実施例のプローブとし
ての半導体量子効果チップの構造を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the structure of a semiconductor quantum effect chip as a probe of the second embodiment of the present invention.

【0035】この図に示すように、GaAsやInGa
Asなどの直接遷移型半導体材料からなる量子井戸構造
を、化学エッチングにおける選択エッチングを用いて、
つまり、特定の材料が、他の材料よりも化学溶媒に速く
溶ける性質を示すことを利用して、カンチレバーとして
用いる基板31上に成長した量子井戸部33を剥き出し
にすることで、量子微細構造部としての量子井戸先端部
33aを有するチップ部32として用いる場合を示して
いる。
As shown in this figure, GaAs and InGa
A quantum well structure made of a direct transition semiconductor material such as As is used by selective etching in chemical etching,
That is, the quantum well portion 33 grown on the substrate 31 used as a cantilever is exposed by utilizing the property that a specific material dissolves in a chemical solvent faster than other materials, and thus the quantum fine structure portion is exposed. It shows the case of using as the chip portion 32 having the quantum well tip portion 33a as.

【0036】この際、量子井戸33の幅を、例えば10
0Å程度としているが、さらに大きくても小さくても構
わない。ただし、200Åより大きいと量子効果が小さ
くなるとともに、装置の空間分解能が低くなる可能性が
あるので、それより小さいことが望ましい。
At this time, the width of the quantum well 33 is set to, for example, 10
Although it is set to about 0Å, it may be larger or smaller. However, if it is larger than 200Å, the quantum effect becomes small and the spatial resolution of the device may become low.

【0037】上記したように、半導体量子効果チップの
先端部は、量子井戸(Quantum Well)、量
子細線(Quantum Wire)、量子点などのサ
ブナノメートル構造を有する量子微細構造部として構成
する。
As described above, the tip of the semiconductor quantum effect chip is formed as a quantum fine structure having a sub-nanometer structure such as a quantum well, a quantum wire, and a quantum dot.

【0038】また、半導体量子効果チップの先端部に
は、InGaAsなどのバンド幅の狭い半導体材料を用
い、前記基板や試料に対して吸収の少ない波長での発光
を得ることができる。
Further, a semiconductor material having a narrow band width such as InGaAs is used for the tip of the semiconductor quantum effect chip, so that light emission at a wavelength with less absorption with respect to the substrate or the sample can be obtained.

【0039】図4には、これらのチップ部から得られる
蛍光の分光強度分布を示している。即ち、チップ部やカ
ンチレバー部が、試料に接近して電子または光子のトン
ネルにより励起されることにより蛍光を発する。これ
を、本発明の光検出器(図1の検出器17に対応)によ
り、分光的に観測すると、量子効果によりエネルギー準
位が高いエネルギー側にシフトしているチップ先端部か
らの蛍光c(例えば、波長800nm)は、励起光a
(例えば、波長488nm)や基板からの蛍光やバック
グラウンド光b(例えば、877nm)から分離するよ
うに、先端部の量子効果を制御することができる。
FIG. 4 shows the spectral intensity distribution of fluorescence obtained from these chips. That is, the tip portion and the cantilever portion emit fluorescence by approaching the sample and being excited by a tunnel of electrons or photons. When this is observed spectroscopically by the photodetector of the present invention (corresponding to the detector 17 of FIG. 1), the fluorescence c (from the tip of the chip where the energy level is shifted to the higher energy side by the quantum effect is For example, the wavelength of 800 nm) is the excitation light a
The quantum effect at the tip can be controlled so as to be separated from (for example, a wavelength of 488 nm), fluorescence from the substrate, and background light b (for example, 877 nm).

【0040】そこで、この量子チップからの蛍光成分の
みを選択的に検出すれば、高い信号/雑音比を達成でき
る。勿論、分光的な弁別以外にも、ロックイン増幅装置
を用いることで、より高い信号/雑音比を達成可能であ
る。
Therefore, a high signal / noise ratio can be achieved by selectively detecting only the fluorescent component from this quantum chip. Of course, a higher signal / noise ratio can be achieved by using a lock-in amplifier other than spectral discrimination.

【0041】図5は本発明の第3実施例の量子効果の変
調の一例を示す構成図である。
FIG. 5 is a block diagram showing an example of quantum effect modulation according to the third embodiment of the present invention.

【0042】この図において、図3で示したように、チ
ップ部32の先端には量子井戸部33を剥き出しにする
ことで、量子微細構造部としての量子井戸先端部33a
が形成されている。その量子井戸先端部33aの両端に
透明電極35を取り付け、これに電源36から任意の電
圧を印加することにより、量子閉じ込めシュタルク効果
〔ここで、シュタルク効果とは、気体,液体,固体中で
近傍に存在する電子やイオンによる内部的な電場や外部
から加えた電場がスペクトル線に及ぼす影響〕により、
量子効果に伴う吸収波長が長い波長側にシフトする。
In this figure, as shown in FIG. 3, by exposing the quantum well portion 33 at the tip of the chip portion 32, the quantum well tip portion 33a as a quantum fine structure portion is formed.
Are formed. The quantum confined Stark effect (here, the Stark effect is the vicinity in a gas, a liquid, or a solid) is obtained by attaching transparent electrodes 35 to both ends of the quantum well tip portion 33a and applying an arbitrary voltage from a power source 36 to the transparent electrodes 35. Influence of internal and external electric fields due to electrons and ions existing in
The absorption wavelength due to the quantum effect shifts to the longer wavelength side.

【0043】これにより、光源機構15(図1参照)か
らの励起光やバックグラウンドなどから分離した量子化
エネルギーを選択することが可能となり、信号/雑音比
を最適化できることになると同時に、試料の異なるエネ
ルギー準位の特性を評価できることとなる。即ち、量子
エネルギーよりも多少高いエネルギーを有する光源から
の波長を変えて走査させ、それに対応して量子エネルギ
ーも変調させれば、試料のそれぞれの波長における特性
を画像化できることになる。
As a result, it becomes possible to select the quantized energy separated from the excitation light from the light source mechanism 15 (see FIG. 1) and the background, which makes it possible to optimize the signal / noise ratio and at the same time, The characteristics of different energy levels can be evaluated. That is, if the wavelength from a light source having an energy slightly higher than the quantum energy is changed for scanning and the quantum energy is also modulated correspondingly, the characteristics of the sample at each wavelength can be imaged.

【0044】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
れば、以下のような効果を奏することができる。
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.

【0046】(1)光走査トンネル顕微鏡の構造が簡単
になるとともに、プローブの製造が簡略化されることに
なり、装置の小型化や安価な装置の提供が可能となる。
このプローブの製造にあたっては、すでに築き上げられ
た半導体微細加工技術をそのまま用いることが可能であ
り、再現性の高い光走査トンネル顕微鏡を得ることがで
きる。
(1) The structure of the optical scanning tunneling microscope is simplified, and the manufacture of the probe is simplified, so that the apparatus can be miniaturized and an inexpensive apparatus can be provided.
In manufacturing this probe, the semiconductor microfabrication technology already built up can be used as it is, and an optical scanning tunneling microscope with high reproducibility can be obtained.

【0047】(2)半導体量子効果チップの先端部を発
光可能で、かつ外部から状態を制御できる量子構造にす
ることで、チップ先端部の工夫が不要になるとともに、
チップ先端部で物質を伝搬する光の波長とは異なる光に
変換されるため、検出されるべきエバネッセント波を、
バックグラウンドのエバネッセント波から弁別検出が可
能となる。
(2) Since the tip portion of the semiconductor quantum effect chip has a quantum structure capable of emitting light and controlling the state from the outside, the tip portion of the chip is not required to be devised.
The evanescent wave to be detected is converted to light with a wavelength different from the wavelength of light propagating through the substance at the tip of the chip.
Discrimination can be detected from the background evanescent wave.

【0048】したがって、測定の信号/ノイズ比が向上
される。また、半導体量子効果チップの先端部で発光し
たものを検出するのに、その波長域に高い感度を有する
検出器を、チップ先端部に対して高い立体角で配置する
ことのみが重要となるため、信号の伝搬への配慮が不要
になるなどの利点がある。
Therefore, the signal / noise ratio of the measurement is improved. Also, in order to detect light emitted at the tip of the semiconductor quantum effect chip, it is important only to arrange a detector having high sensitivity in the wavelength range at a high solid angle with respect to the tip of the chip. However, there is an advantage that it is not necessary to consider the signal propagation.

【0049】(3)試料の吸収特性などを考慮して、量
子化エネルギー設計時からある範囲に設定し、最終的な
微調は、半導体量子効果チップ先端部への印加電圧を
制御することで変化させることができる。
[0049] (3) in consideration of absorption properties of the sample, set in a range from the time quantization energy designs, the final fine-tuning, by controlling the voltage applied to the semiconductor quantum effect chip tip Can be changed.

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

【図1】本発明の実施例を示す半導体量子効果チップを
用いた光走査トンネル顕微鏡の全体の構成を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an optical scanning tunneling microscope using a semiconductor quantum effect chip showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例のプローブとしての半導体
量子効果チップの構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of a semiconductor quantum effect chip as a probe of the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2実施例のプローブとしての半導体
量子効果チップの構造を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a structure of a semiconductor quantum effect chip as a probe of a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明のチップ部からの蛍光の分光強度分布を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a spectral intensity distribution of fluorescence from a chip portion of the present invention.

【図5】本発明の第3実施例の量子効果の変調の一例を
示す構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of quantum effect modulation according to a third embodiment of the present invention.

【図6】従来の光走査トンネル顕微鏡の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional optical scanning tunneling microscope.

【図7】図6のA部拡大断面図である。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a portion A of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,31 基板 12,32 チップ部 12a 量子微細構造部 13 カンチレバー微動機構 14 電源を含む量子構造変調機構 15 光源機構 16 試料移動機構 17 検出器 18 分光機構 19 集光光学系 20 制御装置 21 試料 33 量子井戸部 33a 量子井戸先端部 35 透明電極 36 電源 11,31 substrate 12,32 chips 12a Quantum fine structure part 13 Cantilever fine movement mechanism 14 Quantum structure modulation mechanism including power supply 15 Light source mechanism 16 Sample moving mechanism 17 detector 18 Spectroscopic mechanism 19 Focusing optical system 20 Control device 21 samples 33 Quantum well section 33a Quantum well tip 35 Transparent electrode 36 power supply

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−343023(JP,A) 特開 平7−13082(JP,A) 特開 平5−74401(JP,A) 特開 平6−102457(JP,A) 特開 平5−173076(JP,A) 特開 平6−201998(JP,A) 特開 平5−288995(JP,A) 欧州特許出願公開581217(EP,A 1) (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)Continuation of the front page (56) Reference JP-A-5-343023 (JP, A) JP-A-7-13082 (JP, A) JP-A-5-74401 (JP, A) JP-A-6-102457 (JP , A) JP-A-5-173076 (JP, A) JP-A-6-201998 (JP, A) JP-A-5-288995 (JP, A) European Patent Application Publication 581217 (EP, A 1) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 JISST file (JOIS)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】(a)任意の振動モードを有するカンチレ
バーに支えられる半導体量子効果チップを有するプロー
ブと、 (b)該プローブの微動機構と、 (c)前記半導体量子効果チップの量子構造変調機構
と、 (d)該プローブによって計測される試料と、 (e)該試料をセットする試料移動機構と、 (f)前記試料に励起光を照射する光源機構と、 (g)前記プローブが前記試料に接近して電子または光
のトンネルにより励起されて発光する光を検出する光検
出手段とを具備する光走査トンネル顕微鏡。
1. A cantilever having an arbitrary vibration mode.
A probe having a semiconductor quantum effect chip supported by a bar , (b) a fine movement mechanism of the probe, (c) a quantum structure modulation mechanism of the semiconductor quantum effect chip, (d) a sample measured by the probe, (E) a sample moving mechanism for setting the sample, (f) a light source mechanism for irradiating the sample with excitation light, (g) the probe approaches the sample and is excited by an electron or light tunnel to emit light. An optical scanning tunneling microscope comprising:
【請求項2】 請求項1記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、プローブを構成する半導体量子効果チップの先
端部は、量子井戸、量子細線、量子点などのサブナノメ
ートル構造を有する光走査トンネル顕微鏡。
2. The optical scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the tip of the semiconductor quantum effect chip constituting the probe has a sub-nanometer structure such as a quantum well, a quantum wire, and a quantum dot.
【請求項3】 請求項2記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、半導体量子効果チップの先端部は、GaAsや
InGaAsなどの直接遷移型半導体材料からなる光走
査トンネル顕微鏡。
3. The optical scanning tunneling microscope according to claim 2, wherein the tip of the semiconductor quantum effect chip is made of a direct transition type semiconductor material such as GaAs or InGaAs.
【請求項4】 請求項2記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、半導体量子効果チップの先端部は、純粋な半導
体材料または不純物をドープした半導体材料からなる光
走査トンネル顕微鏡。
4. The optical scanning tunneling microscope according to claim 2, wherein the tip of the semiconductor quantum effect tip is made of a pure semiconductor material or a semiconductor material doped with impurities.
【請求項5】 請求項2記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、半導体量子効果チップの先端部は、伝搬してい
る電子波を一端吸収し、これを再び蛍光や燐光として発
光できる材料からなり、発光された光を用いて、前記
導体量子効果チップと試料との距離や電子波の強度や試
料の特性を計測する光走査トンネル顕微鏡。
5. The optical scanning tunneling microscope according to claim 2, wherein the tip of the semiconductor quantum effect chip is made of a material capable of once absorbing a propagating electron wave and emitting it again as fluorescence or phosphorescence. using the light, wherein the semi
An optical scanning tunneling microscope that measures the distance between the conductor quantum effect chip and the sample, the intensity of electron waves, and the characteristics of the sample.
【請求項6】 請求項2記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、半導体量子効果チップの先端部には、InGa
Asなどのバンド幅の狭い半導体材料を用い、前記基板
や試料に対して吸収の少ない波長での発光を得ることの
できる光走査トンネル顕微鏡。
6. The optical scanning tunneling microscope according to claim 2, wherein InGa is formed at the tip of the semiconductor quantum effect chip.
An optical scanning tunneling microscope capable of using a semiconductor material having a narrow band width such as As to obtain light emission at a wavelength with little absorption with respect to the substrate or sample.
【請求項7】 請求項1記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、基板と半導体量子効果チップの先端部の間、ま
たは前記基板と試料の間に電圧を印加し、前記半導体
子効果チップの先端部の有する量子効果を外部から制御
し、前記半導体量子効果チップの電気的、または光学的
な特性を、検出される量子の特性に合わせて可変できる
光走査トンネル顕微鏡。
7. The optical scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein a voltage is applied between the substrate and the tip of the semiconductor quantum effect chip or between the substrate and the sample to obtain the semiconductor quantum effect. An optical scanning tunneling microscope capable of externally controlling the quantum effect possessed by the tip of the chip and varying the electrical or optical characteristics of the semiconductor quantum effect chip in accordance with the detected quantum characteristics.
【請求項8】 請求項1記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、光検出手段は、半導体量子効果チップからの光
を分光器やカラーフィルタ分光して検出する光検出器で
ある光走査トンネル顕微鏡。
8. The light scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the light detecting means is a light detector that detects light from the semiconductor quantum effect chip by spectrally separating the light with a spectroscope or a color filter.
【請求項9】 請求項1記載の光走査トンネル顕微鏡に
おいて、光源機構は、半導体量子効果チップの先端部の
量子化エネルギーよりも高いエネルギーを有する光子を
放出する光走査トンネル顕微鏡。
9. The optical scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein the light source mechanism emits photons having energy higher than the quantization energy of the tip of the semiconductor quantum effect chip.
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