JP3428403B2 - Friction force probe microscope and method for identifying atomic species and materials using friction force probe microscope - Google Patents

Friction force probe microscope and method for identifying atomic species and materials using friction force probe microscope

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JP3428403B2
JP3428403B2 JP30687997A JP30687997A JP3428403B2 JP 3428403 B2 JP3428403 B2 JP 3428403B2 JP 30687997 A JP30687997 A JP 30687997A JP 30687997 A JP30687997 A JP 30687997A JP 3428403 B2 JP3428403 B2 JP 3428403B2
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

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、試料と探針間に働
く摩擦力を測定するために、カンチレバーに具備した磁
性体を磁場制御機構でコントロールし、かつカンチレバ
ーの長手方向に対して垂直方向の撓み変位量をフィード
バック制御することによりカンチレバーの撓みを一定に
保つフリクション・フォース・プローブ顕微鏡に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention controls a magnetic substance provided in a cantilever by a magnetic field control mechanism in order to measure a frictional force acting between a sample and a probe, and a direction perpendicular to a longitudinal direction of the cantilever. The present invention relates to a friction force probe microscope for keeping the flexure of a cantilever constant by feedback-controlling the flexure displacement amount of the.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固体表面を原子オーダーの分解能
で観察できる装置として原子間力顕微鏡(AFM)が開
発されている。以下、図1を参照しながらAFM及びA
FMを使った観察方法を説明する。AFMでは、微小な
力(ファンデアワールス力、磁気力、クーロン力、原子
間力等)を検出するために、探針10を有する長さ10
0μm程度のカンチレバー5が用いられる。試料4を探
針10に近づけると、探針10と試料4との間に働く原
子間力によってカンチレバー5が試料4に引き寄せられ
る方向に撓みが生じる。さらに試料4を探針10に近づ
けるとカンチレバー5が急激に大きく撓み、ジャンプし
て探針10と試料4が接触する。
2. Description of the Related Art In recent years, an atomic force microscope (AFM) has been developed as an apparatus capable of observing a solid surface with atomic resolution. Hereinafter, referring to FIG. 1, AFM and A
An observation method using FM will be described. In the AFM, the length 10 having the probe 10 is used to detect a minute force (Van de Waals force, magnetic force, Coulomb force, atomic force, etc.).
A cantilever 5 of about 0 μm is used. When the sample 4 is brought closer to the probe 10, bending occurs in the direction in which the cantilever 5 is attracted to the sample 4 by the atomic force acting between the probe 10 and the sample 4. Further, when the sample 4 is brought closer to the probe 10, the cantilever 5 suddenly largely bends and jumps, and the probe 10 and the sample 4 come into contact with each other.

【0003】その後、更に試料4を接触すると先程と逆
方向にカンチレバー5が撓む。この撓み量を一定に保つ
ように、制御信号発生回路8を通して圧電体駆動装置9
によりZ方向の圧電体3を制御しながら試料4の表面に
沿って走査する。走査は圧電体駆動装置9と、X、Y方
向の圧電体1、2とによって行われる。フィードバック
における制御量が試料4の表面の凹凸に相当し、この制
御量をコンピュータ11等によって画像化すれば、AF
M像を得ることができる。カンチレバー5の撓み量は変
位測定部である2分割フォトダイオード7によって測定
される。変位測定部には、通常は光てこ、レーザー干
渉、トンネル電流等の方式が用いられる。AFMの分解
能は探針10の先端曲率半径と先端角とに依存し、これ
らが小さいほど分解能は向上する。
After that, when the sample 4 is further contacted, the cantilever 5 bends in the opposite direction to the above. In order to keep this amount of bending constant, the piezoelectric body driving device 9 is passed through the control signal generating circuit 8.
Scanning is performed along the surface of the sample 4 while controlling the piezoelectric body 3 in the Z direction by. The scanning is performed by the piezoelectric body driving device 9 and the piezoelectric bodies 1 and 2 in the X and Y directions. The control amount in the feedback corresponds to the unevenness of the surface of the sample 4, and if this control amount is imaged by the computer 11 or the like, the AF
An M image can be obtained. The amount of bending of the cantilever 5 is measured by a two-divided photodiode 7 which is a displacement measuring unit. For the displacement measuring unit, a method such as an optical lever, laser interference, tunnel current or the like is usually used. The resolution of the AFM depends on the tip curvature radius and the tip angle of the probe 10, and the smaller these are, the higher the resolution is.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】試料又は探針を走査中
に、探針と試料との間に働く原子間力、吸着力、弾性
力、粘性力、クーロン力あるいはファンデアワールス力
等によって摩擦力が働き、カンチレバーが長手方向に対
して垂直方向に撓み、さらに摩擦係数の大きな試料直上
ではカンチレバーが急激に大きく撓む。このため探針と
試料との間の摩擦力制御が不可能であるという課題があ
った。また剪断応力の絶対値を測定することも不可能で
あり、さらには材料の種類によって探針−試料間の接触
面積が変わるという問題もあった。
During the scanning of the sample or the probe, friction due to atomic force, adsorption force, elastic force, viscous force, Coulomb force, van der Waals force, etc., acting between the probe and the sample The force acts to bend the cantilever in a direction perpendicular to the longitudinal direction, and the cantilever sharply bends immediately above the sample having a large friction coefficient. Therefore, there is a problem that it is impossible to control the frictional force between the probe and the sample. Further, it is impossible to measure the absolute value of the shear stress, and there is a problem that the contact area between the probe and the sample changes depending on the type of material.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この課題を解決するた
め、本発明のフリクション・フォース・プローブ顕微鏡
は、磁性体を有する探針付きカンチレバーと、試料の位
置を制御するための円筒型位置制御機構と、ファンデア
ワールス力、磁気力、クーロン力、原子間力等によるカ
ンチレバーの撓み量を計測するための微小変位計測機構
と、カンチレバーの横方向の撓みを任意に制御するため
の磁場制御機構とを有し、探針又は試料を走査中に、カ
ンチレバーの長手方向に対して垂直方向の撓みを磁場制
御機構から発生する外部磁場でフィードバック制御する
ことにより長手方向に対して垂直方向に働く力を磁場で
検出することができる。
In order to solve this problem, a friction force probe microscope of the present invention is a cantilever with a probe having a magnetic body, and a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample. And a small displacement measurement mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever due to van der Waals force, magnetic force, Coulomb force, atomic force, etc., and a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling the lateral deflection of the cantilever. The force acting in the direction perpendicular to the longitudinal direction is controlled by feedback control of the deflection of the cantilever in the direction perpendicular to the longitudinal direction with an external magnetic field generated from the magnetic field control mechanism during scanning of the probe or sample. It can be detected by a magnetic field.

【0006】また、磁場制御機構から発生する交流外部
磁場でカンチレバーを長手方向に対して垂直方向に振動
させ、カンチレバーの振動減衰の度合いを測定し、試料
の横方向の硬さを画像化することで、第2の情報を得る
ことができる。
Further, the cantilever is vibrated in a direction perpendicular to the longitudinal direction by an AC external magnetic field generated from a magnetic field control mechanism, the degree of vibration damping of the cantilever is measured, and the hardness of the sample in the lateral direction is imaged. Then, the second information can be obtained.

【0007】また、磁場の発生に要する電圧または電流
を磁場制御機構に直接フィードバック制御することによ
り長手方向に対して垂直方向に常にカンチレバーの長手
方向に対して垂直方向振動の大きさが一定になるように
することにより剪断応力を測定することができる。
Further, by directly feedback controlling the voltage or current required for generating the magnetic field to the magnetic field control mechanism, the magnitude of the vertical vibration of the cantilever is always constant in the direction perpendicular to the longitudinal direction. By doing so, the shear stress can be measured.

【0008】さらに、カンチレバーを機械的に共振周波
数で制御しながら、試料表面を走査中にカンチレバーに
発生する長手方向に対して垂直方向の撓みを零にするよ
うに磁場フィードバック制御することによりS/Nの高
いクリアーな像を得ることができる。
Further, while mechanically controlling the cantilever at the resonance frequency, the magnetic field feedback control is performed so that the bending in the direction perpendicular to the longitudinal direction generated in the cantilever during scanning the sample surface is zero. A clear image with high N can be obtained.

【0009】本発明においては磁場制御機構がコイルで
あり、また磁場制御機構を円筒型位置制御機構内に設置
する時には試料、試料台及び磁場発生機構と接触させな
い方が望ましい。
In the present invention, the magnetic field control mechanism is a coil, and when the magnetic field control mechanism is installed in the cylindrical position control mechanism, it is desirable not to contact the sample, the sample stage and the magnetic field generation mechanism.

【0010】さらに、カンチレバーの長手方向に対して
垂直方向に静磁場を発生する装置を設置しておけばその
静磁場によってカンチレバーが有する強磁性体、軟磁性
体が磁極をカンチレバーの横方向にそろえることがで
き、磁場制御機構の磁場でカンチレバーに力を供給しや
すくすることができる。
Further, if a device for generating a static magnetic field in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever is installed, the static magnetic field aligns the magnetic poles of the ferromagnetic substance and soft magnetic substance of the cantilever in the lateral direction of the cantilever. Therefore, it is possible to easily supply force to the cantilever by the magnetic field of the magnetic field control mechanism.

【0011】また、磁性体をカンチレバーに蒸着しなが
ら静磁場を横方向から印加することにより磁極を横方向
に向けた磁性体付きカンチレバーを作製することができ
る。この場合に、カンチレバーが圧電体、圧電性薄膜、
キャパシタンスセンサーあるいはピエゾ抵抗のいずれか
で構成されていると、装置をより小さくすることができ
る。
Further, by applying a static magnetic field from the lateral direction while depositing the magnetic material on the cantilever, a cantilever with a magnetic material can be produced in which the magnetic poles are oriented in the lateral direction. In this case, the cantilever is a piezoelectric body, a piezoelectric thin film,
The device can be made smaller if configured with either a capacitance sensor or a piezoresistor.

【0012】また、カンチレバー先端に具備された探針
が電位制御可能で、かつ電流を流すことができる導電性
探針であるならば、接触面積に依存させた接触電流を流
すことができる。
If the probe provided at the tip of the cantilever is a conductive probe capable of controlling the electric potential and capable of passing a current, a contact current depending on the contact area can be passed.

【0013】本発明は、磁場を用いてカンチレバーの長
手方向に対して垂直方向の撓み量を任意に制御できるア
クティブカンチレバーを有するAFM/STM(走査ト
ンネル顕微鏡)であるため、1個の原子からナノメート
ルオーダー・マイクロメートルオーダーに関する摩擦力
・剪断応力までを測定でき、これらの多くの情報により
原子種や材料の同定ができる。
Since the present invention is an AFM / STM (scanning tunneling microscope) having an active cantilever capable of arbitrarily controlling the amount of bending in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever by using a magnetic field, it is possible to use one atom to measure It is possible to measure up to frictional force and shear stress on the metric order and the micrometer order, and it is possible to identify atomic species and materials by using such a lot of information.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図2は、本発明のフリクション・
フォース・プローブ顕微鏡の一実施の形態を示す概略図
である。試料4は、X、Y、Zの3方向の圧電体1、
2、3で形成された円筒型の微動機構上に設置され、円
筒型の微動機構内に磁場制御機構12である鉄心コア付
きコイルを試料4や円筒型微動機構と接触しない範囲で
設置する。試料4の水平面内の走査は、圧電体駆動装置
9によって発生した電圧をX、Y方向の圧電体1、2に
印加することにより行う。出力5mWの半導体レーザー
6及び2分割フォトダイオード7は、カンチレバー5に
レーザー光を照射し、その反射光を検出するためのもの
であり光てこを構成している。そして、この光てこによ
ってカンチレバー5の変位(撓み)を測定し、カンチレ
バー5のバネ定数から換算される力を検出することによ
り、試料4と探針10との間に働く力を検出することが
できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG.
It is a schematic diagram showing one embodiment of a force probe microscope. The sample 4 is a piezoelectric body 1 in three directions of X, Y, and Z,
The coil with an iron core, which is the magnetic field control mechanism 12, is installed on the cylindrical fine movement mechanism formed by 2 and 3 within the range where it does not come into contact with the sample 4 or the cylindrical fine movement mechanism. The scanning of the sample 4 in the horizontal plane is performed by applying the voltage generated by the piezoelectric body driving device 9 to the piezoelectric bodies 1 and 2 in the X and Y directions. The semiconductor laser 6 having an output of 5 mW and the two-divided photodiode 7 are for irradiating the cantilever 5 with laser light and detecting the reflected light, and constitute an optical lever. The displacement (deflection) of the cantilever 5 is measured by this optical lever, and the force converted between the spring constants of the cantilever 5 is detected to detect the force acting between the sample 4 and the probe 10. it can.

【0015】カンチレバー5はチタンからなる導電性で
あり厚さ600nm、長さ200μm、幅500μmの
三角形状のもので、背面先端に磁性薄膜が厚さ1μm、
一辺10μmでスパッタリング法により静磁場を供給し
ながら蒸着されている。なお、この薄膜カンチレバー5
の探針10の反対側は固定端14で固定されている。ま
た、磁性薄膜を用いず鉄やサマリウムコバルト等のバル
ク材料でも磁性体カンチレバーを作製することができ
る。この場合は、測定前に静磁場で長手方向に対して垂
直方向に磁極をそろえる必要がある。あるいは測定(走
査)中に静磁場をかけながら行っても良い。
The cantilever 5 is made of titanium and is conductive and has a triangular shape having a thickness of 600 nm, a length of 200 μm and a width of 500 μm, and a magnetic thin film having a thickness of 1 μm on the back end.
It is vapor-deposited by supplying a static magnetic field with a side of 10 μm by a sputtering method. In addition, this thin film cantilever 5
The opposite side of the probe 10 is fixed by a fixed end 14. Further, a magnetic substance cantilever can be manufactured using a bulk material such as iron or samarium cobalt without using a magnetic thin film. In this case, it is necessary to align the magnetic poles in a direction perpendicular to the longitudinal direction with a static magnetic field before measurement. Alternatively, it may be performed while applying a static magnetic field during measurement (scanning).

【0016】試料4は導電性試料台15に固定される。
電圧発生装置16からの電圧印加により探針10と試料
4に流れる接触電流は電流測定装置17により検出され
る。なお、図2で13は半導体レーザー6から出射され
るレーザー光をカンチレバー5の上に集光するためのレ
ンズである。
The sample 4 is fixed to the conductive sample table 15.
The contact current flowing through the probe 10 and the sample 4 due to the voltage application from the voltage generator 16 is detected by the current measuring device 17. Incidentally, reference numeral 13 in FIG. 2 is a lens for focusing the laser light emitted from the semiconductor laser 6 on the cantilever 5.

【0017】試料4とカンチレバー5との距離の減少
は、圧電体駆動装置9を用い、制御電圧をZ方向の圧電
体3に印加することによって行う。探針と試料の接触
後、試料を走査し画像化を行うが、その際にカンチレバ
ーの探針と試料にある大きな摩擦力が働いたときカンチ
レバーが長手方向に対して垂直方向に大きく撓む(図3
(a)、(b)参照)。そのため磁場制御機構12に電
流を流すことにより磁場を発生させて探針のねじれを元
に戻すことによりカンチレバーのねじれを零に戻す(図
3(c)、(d)参照)。その時の磁場を発生させるた
めに要した電流をモニターすることにより磁力を用いた
摩擦力の画像化を行うことができる。
The distance between the sample 4 and the cantilever 5 is reduced by applying a control voltage to the piezoelectric body 3 in the Z direction using the piezoelectric body drive device 9. After the contact between the probe and the sample, the sample is scanned and imaging is performed. At that time, when a large frictional force between the probe of the cantilever and the sample acts, the cantilever is largely bent in the direction perpendicular to the longitudinal direction ( Figure 3
(See (a) and (b)). Therefore, by applying an electric current to the magnetic field control mechanism 12, a magnetic field is generated to restore the twist of the probe to the original value, and the twist of the cantilever is returned to zero (see FIGS. 3C and 3D). By monitoring the current required to generate the magnetic field at that time, it is possible to image the frictional force using the magnetic force.

【0018】次に、微動機構をY軸方向に動かし次のデ
ータを修得する。さらに試料の摩擦係数の大きな材料が
存在するとカンチレバーの撓みを零にするようにフィ−
ドバックをかけて撓みを元に戻す。この動作を繰り返す
ことにより、各点での試料と探針の摩擦力を観測するこ
とができる。また同時に探針10と試料4間に1Vの電
圧差を保ち、試料4の各点での接触電流像をマッピング
することもできる。これは、材料の違いによる導電性を
確かめたり、同質の材料の場合の接触面積の違いを得る
ことができる。また、試料を円弧回転させることができ
るために、試料4のあらゆる方向の特性を観測すること
ができる。また、発生する交流外部磁場でカンチレバー
を長手方向に対して垂直方向に振動させながら走査する
ことにより、カンチレバーの振動の減衰の度合いが材料
によって違うことを利用して材料を同定することができ
る。またさらにその振動の減衰を磁場制御機構にフィー
ドバックさせることにより磁場から材料の剪断応力を決
定することができる(図4参照)。
Next, the fine movement mechanism is moved in the Y-axis direction to acquire the following data. Furthermore, if there is a material with a large friction coefficient in the sample, it is necessary to reduce the deflection of the cantilever to zero.
Apply the duckback to restore the original bending. By repeating this operation, the frictional force between the sample and the probe at each point can be observed. At the same time, a voltage difference of 1 V can be maintained between the probe 10 and the sample 4, and a contact current image at each point of the sample 4 can be mapped. This makes it possible to confirm the conductivity due to the difference in the material, and to obtain the difference in the contact area in the case of the same material. Further, since the sample can be rotated in an arc, characteristics of the sample 4 in all directions can be observed. Further, the material can be identified by utilizing the fact that the degree of attenuation of the vibration of the cantilever varies depending on the material by scanning while the cantilever vibrates in the direction perpendicular to the longitudinal direction by the generated AC external magnetic field. Further, the shear stress of the material can be determined from the magnetic field by feeding back the vibration damping to the magnetic field control mechanism (see FIG. 4).

【0019】またカンチレバーの長手方向に対して垂直
方向に静磁場発生装置20であるサマリウムコバルトの
永久磁石を設置した図5を示す。この静磁場でカンチレ
バーに有されたNi(ニッケル)磁性体薄膜18の磁極
をそろえることにより磁場制御機構から発生する10ガ
ウス磁場でカンチレバーを30nm振動させることがで
きる。
FIG. 5 shows a samarium-cobalt permanent magnet, which is a static magnetic field generator 20, installed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever. By aligning the magnetic poles of the Ni (nickel) magnetic thin film 18 on the cantilever with this static magnetic field, the cantilever can be oscillated by 30 nm with a 10 Gauss magnetic field generated from the magnetic field control mechanism.

【0020】[0020]

【発明の効果】本発明のフリクション・フォース・プロ
ーブ顕微鏡によれば、磁場を用いてカンチレバーの横方
向の撓み量を任意に制御できるアクティブカンチレバー
を有するAFM/STMであるため、1個の原子やナノ
メートルオーダーからマイクロメートルオーダーに関す
る摩擦力・剪断応力を測定でき、これらの多くの情報に
より原子種や材料の同定ができる。
According to the friction force probe microscope of the present invention, since it is an AFM / STM having an active cantilever capable of arbitrarily controlling the lateral deflection of the cantilever by using a magnetic field, one atom or It is possible to measure frictional force and shear stress on the order of nanometers to micrometers, and it is possible to identify atomic species and materials by using this much information.

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

【図1】従来の原子間力顕微鏡を説明する概略図FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a conventional atomic force microscope.

【図2】本発明の一実施の形態のフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡を説明する概略図
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a friction force probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施の形態のフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡を説明する概略図
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a friction force probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施の形態のフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡を用いてカンチレバーを長手方向に
対して垂直方向に振動させた状態を示す図
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a cantilever is vibrated in a direction perpendicular to a longitudinal direction using the friction force probe microscope according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施の形態のフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡に用いるカンチレバー先端に具備さ
れた磁性体が長手方向に対して垂直方向に磁極がそろえ
られた状態を示す図
FIG. 5 is a view showing a state where magnetic poles are aligned in a direction perpendicular to the longitudinal direction of a magnetic body provided at the tip of a cantilever used in a friction force probe microscope according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 X方向の圧電体 2 Y方向の圧電体 3 Z方向の圧電体 4 試料 5 カンチレバー 6 半導体レーザー 7 2分割フォトダイオード 8 制御信号発生回路 9 圧電体駆動装置 10 探針 11 コンピュータ 12 磁場制御機構 13 レンズ 14 固定端 15 導電性試料台 16 電圧発生装置 17 電流測定装置 18 磁性体薄膜 19 磁極の向き 20 静磁場発生装置 1 X direction piezoelectric 2 Piezoelectric body in Y direction 3 Z-direction piezoelectric body 4 samples 5 cantilevers 6 Semiconductor laser 7 Two-segment photodiode 8 Control signal generation circuit 9 Piezoelectric drive device 10 probe 11 computer 12 Magnetic field control mechanism 13 lenses 14 fixed end 15 Conductive sample table 16 Voltage generator 17 Current measuring device 18 Magnetic thin film 19 Direction of magnetic pole 20 Static magnetic field generator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 21/30 G01N 13/16 G01N 19/02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 21/30 G01N 13/16 G01N 19/02

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの撓みまたは試料−探
針間の距離を任意に制御するための磁場制御機構とを有
し、前記カンチレバー先端に具備された前記磁性体が長
手方向に対して垂直方向に磁極がそろえられていること
を特徴とするフリクション・フォース・プローブ顕微
鏡。
1. A cantilever with a probe having a magnetic material, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever, and a deflection of the cantilever. Or a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling the distance between the sample and the probe, wherein the magnetic body provided at the tip of the cantilever has magnetic poles aligned in a direction perpendicular to the longitudinal direction. Characteristic friction force probe microscope.
【請求項2】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの撓みまたは試料−探
針間の距離を任意に制御するための磁場制御機構とを有
し、前記カンチレバー先端に前記磁性体を具備する時
に、静磁場を長手方向に対して垂直方向に印加しながら
磁極をそろえたことを特徴とするフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡。
2. A cantilever with a probe having a magnetic body, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever, and a deflection of the cantilever. Or a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling the distance between the sample and the probe, and when the magnetic substance is provided at the tip of the cantilever, the magnetic pole is applied while applying a static magnetic field in the direction perpendicular to the longitudinal direction. A friction force probe microscope characterized by having
【請求項3】 前記カンチレバー先端に具備された前記
探針が電位制御可能で、かつ電流を流すことができる導
電性探針であることを特徴とする請求項1または請求項
2に記載のフリクション・フォース・プローブ顕微鏡。
3. The friction according to claim 1, wherein the probe provided at the tip of the cantilever is a conductive probe capable of controlling an electric potential and allowing a current to flow. -Force probe microscope.
【請求項4】 前記磁場制御機構がコイルを含むことを
特徴とする請求項1、2、3のいずれかに記載のフリク
ション・フォース・プローブ顕微鏡。
4. The friction force probe microscope according to claim 1, wherein the magnetic field control mechanism includes a coil.
【請求項5】 前記磁場制御機構が前記円筒型位置制御
機構内に設置される際に、試料、試料台、前記円筒型位
置制御機構のいずれとも直接接触していないことを特徴
とする請求項1、2、3、4のいずれかに記載のフリク
ション・フォース・プローブ顕微鏡。
5. The magnetic field control mechanism, when installed in the cylindrical position control mechanism, is not in direct contact with any of the sample, the sample stage, and the cylindrical position control mechanism. The friction force probe microscope according to any one of 1, 2, 3, and 4.
【請求項6】 前記カンチレバーが圧電体、圧電性薄
膜、キャパシタンスセンサーあるいはピエゾ抵抗から選
ばれるものを含んで構成されていることを特徴とする請
求項1、2、3、4、5のいずれかに記載のフリクショ
ン・フォース・プローブ顕微鏡。
6. The cantilever is configured to include one selected from a piezoelectric body, a piezoelectric thin film, a capacitance sensor, and a piezoresistor. The friction force probe microscope described in 1.
【請求項7】 静磁場発生装置を前記カンチレバーの垂
直方向に設置したことを特徴とする請求項1、2、3、
4、5、6のいずれかに記載のフリクション・フォース
・プローブ顕微鏡。
7. The static magnetic field generator is installed in the vertical direction of the cantilever, 1, 2, 3,
The friction force probe microscope according to any one of 4, 5, and 6.
【請求項8】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの撓みまたは試料−探
針間の距離を任意に制御するための磁場制御機構とを有
するフリクション・フォース・プローブ顕微鏡を用い、
前記探針又は前記試料を走査中に、前記カンチレバーの
長手方向に対して垂直方向の撓みを前記磁場制御機構か
ら発生する外部磁場でフィードバック制御することによ
り垂直方向に働く力を磁場で検出することを特徴とする
フリクション・フォース・プローブ顕微鏡を用いた原子
種や材料の同定方法。
8. A cantilever with a probe having a magnetic body, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever, and a deflection of the cantilever. Or, using a friction force probe microscope having a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling the distance between the sample and the probe,
While scanning the probe or the sample, the force acting in the vertical direction is detected by the magnetic field by feedback-controlling the bending in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever with the external magnetic field generated from the magnetic field control mechanism. A method for identifying atomic species and materials using a friction force probe microscope.
【請求項9】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの長手方向に対して垂
直の撓みを制御するための磁場制御機構とを有するフリ
クション・フォース・プローブ顕微鏡を用い、前記磁場
制御機構から発生する交流外部磁場で前記カンチレバー
を長手方向に対して垂直方向に振動させ、前記カンチレ
バーの減衰の度合いを測定することを特徴とするフリク
ション・フォース・プローブ顕微鏡を用いた原子種や材
料の同定方法。
9. A cantilever with a probe having a magnetic body, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of bending of the cantilever, and a longitudinal direction of the cantilever. Using a friction force probe microscope having a magnetic field control mechanism for controlling deflection perpendicular to the direction, the cantilever is vibrated in a direction perpendicular to the longitudinal direction by an alternating external magnetic field generated from the magnetic field control mechanism. And measuring the degree of attenuation of the cantilever, a method for identifying atomic species and materials using a friction force probe microscope.
【請求項10】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの撓みまたは試料−探
針間の距離を任意に制御するための磁場制御機構とを有
するフリクション・フォース・プローブ顕微鏡を用い、
前記探針又は前記試料を走査中に、前記磁場制御機構を
用いて前記カンチレバーを垂直方向に振動させ、磁場の
発生に要する電圧または電流を前記磁場制御機構に直接
フィードバック制御することにより横方向に常に前記カ
ンチレバーの長手方向に対して垂直方向の振動の大きさ
が一定になるようにすることにより剪断応力を測定する
ことを特徴とするフリクション・フォース・プローブ顕
微鏡を用いた原子種や材料の同定方法。
10. A cantilever with a probe having a magnetic body, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever, and a deflection of the cantilever. Or, using a friction force probe microscope having a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling the distance between the sample and the probe,
While scanning the probe or the sample, the cantilever is oscillated in the vertical direction by using the magnetic field control mechanism, and the voltage or current required to generate the magnetic field is directly feedback-controlled to the magnetic field control mechanism to laterally move. Identification of atomic species and materials using a friction force probe microscope characterized by measuring shear stress by making the magnitude of vibration in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever always constant Method.
【請求項11】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの撓みを任意に制御す
るための磁場制御機構とを有するフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡を用い、前記カンチレバーを機械的
に共振周波数で制御しながら前記試料表面を走査中に、
前記カンチレバーに発生する長手方向に対して垂直方向
の撓みを零にするように磁場フィードバック制御するこ
とを特徴とするフリクション・フォース・プローブ顕微
鏡を用いた原子種や材料の同定方法。
11. A cantilever with a probe having a magnetic body, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever, and a deflection of the cantilever. While using a friction force probe microscope having a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling, while scanning the sample surface while mechanically controlling the cantilever at a resonance frequency,
A method for identifying atomic species and materials using a friction force probe microscope, characterized in that magnetic field feedback control is performed so that the bending of the cantilever in the direction perpendicular to the longitudinal direction is zero.
【請求項12】 磁性体を有する探針付きカンチレバー
と、試料の位置を制御するための円筒型位置制御機構
と、前記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変
位計測機構と、前記カンチレバーの撓みを任意に制御す
るための磁場制御機構とを有するフリクション・フォー
ス・プローブ顕微鏡を用い、前記カンチレバーを機械的
に共振周波数で制御しながら前記試料表面を走査中に、
前記カンチレバーに発生する長手方向に対して垂直方向
の撓みを零にするように磁場フィードバック制御し、前
記カンチレバーの撓み量を計測するための微小変位計測
機構を円弧回転させることにより結晶方向・結晶軸のそ
れぞれに対する剪断応力を測定することを特徴とするフ
リクション・フォース・プローブ顕微鏡を用いた原子種
や材料の同定方法。
12. A cantilever with a probe having a magnetic body, a cylindrical position control mechanism for controlling the position of a sample, a minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of deflection of the cantilever, and a deflection of the cantilever. While using a friction force probe microscope having a magnetic field control mechanism for arbitrarily controlling, while scanning the sample surface while mechanically controlling the cantilever at a resonance frequency,
Magnetic field feedback control is performed so that the bending of the cantilever in the direction perpendicular to the longitudinal direction becomes zero, and the minute displacement measuring mechanism for measuring the amount of bending of the cantilever is rotated in an arc to form a crystal direction / crystal axis. A method for identifying atomic species and materials using a friction force probe microscope, which is characterized by measuring the shear stress for each of the.
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