JP3662362B2 - スピン偏極電子線源、その作成方法及び測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピン偏極電子線源、その作成方法及び測定装置に関し、より詳しくは、特定方向のスピンを有する電子を放出するスピン偏極電子線源、その作成方法、及びスピン偏極電子線源を備えた、物質内の電子のスピンの状態を検出する測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化や磁気記録媒体の高記録密度化等の要求と、走査型トンネル顕微鏡法（ＳＴＭ）、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）、低速電子線回折法（ＬＥＥＤ）又は光電子分光法等に用いられる測定装置の精度向上とに伴い、より微細な物質の構造を評価することが要求されるようになってきている。
【０００３】
その一つとして、物質からの電子のスピン状態を検出することにより、磁区観察を行ったり、物質からの二次電子の偏極度を調べたりする必要がある。例えば、磁気記録媒体の磁区観察を行う場合、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を用いたスピンＳＥＭがある。
この場合、通常のＳＥＭを用い、物質から放出される二次電子のスピン状態を検出するスピン検出器を取り付けることにより観察が行われる。
【０００４】
そして、電子ビームで照射された領域からの二次電子について、そのスピン偏極度をスピン検出器で検出して、磁区の違いを信号化する。このとき、電子ビームの照射径は２０ｎｍ程度であり、実際には、スピン検出器の感度（１０-4）を上げるため、２００ｎｍや、それ以上にビーム径を大きくして照射電流をかせぎ、スピン検出を行わなければ、十分な測定が出来ないものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気記録密度が増すにつれて、一記録領域は微細化してきている。しかし、従来例のスピンＳＥＭからなる磁区観察装置は通常の電子ビームを用い、低感度のスピン検出を行うため、微小領域に照射領域を絞りこむことには限界がある。このため、一記録領域内の一磁区に相当する領域は当然のこと、一記録領域にさえも、領域限定してスピン偏極電子を照射することが困難になってきつつあり、精度のよい磁区観察が困難になってきている。
【０００６】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、微細領域に限定してスピン偏極電子を照射することが可能なスピン偏極電子線源、その作成方法及びスピン偏極電子線源を備えた測定装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第１の発明である、針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されるとともに、前記スピン偏極電子励起膜は、前記針状基体上に形成されたＧａＡｓ膜と、該ＧａＡｓ膜上に形成されたボロンがドープされたＧａＡｓ膜と、該ボロンがドープされたＧａＡｓ膜上に形成されたＣｓ2Ｏ膜とからなることを特徴とするスピン偏極電子線源によって解決され、
第２の発明である、第１の発明のスピン偏極電子線源を備え、該スピン偏極電子線源から供給されるスピン偏極電子を被測定試料に照射することにより前記被測定試料内の電子のスピンの状態を検出することを特徴とする測定装置によって解決され、
第３の発明である、棒状基体の先端部分を細くし、針状基体を形成する工程と、前記針状基体の先端部分にＧａＡｓ膜を形成する工程と、前記ＧａＡｓ膜を加熱しながらＡｒプラズマに曝して前処理する工程と、前記ＧａＡｓ膜上にＣｓ2Ｏ膜を形成する工程とを有することを特徴とするスピン偏極電子線源の作成方法によって解決される。
【０００８】
本発明に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されてなる。スピン偏極電子励起膜には、特定方向のスピンを有する電子が光照射により励起される。
上記スピン偏極電子線源は、棒状基体の先端部分をエッチング等により細くして針状基体を形成し、続いて針状基体の先端部分にスピン偏極電子励起膜を被着することにより作成可能である。
【０００９】
このとき、スピン偏極電子励起膜としてＧａＡｓ膜とその上のＣｓ2 Ｏ膜とを含む多層膜を形成する場合、Ｃｓ2 Ｏ膜を形成する前にＧａＡｓ膜を加熱しながらＡｒプラズマに曝して前処理することにより、ＧａＡｓ膜表面を清浄にしてＧａＡｓ膜とＣｓ2 Ｏ膜との間で良好な接合を形成することができる。これにより、スピン偏極電子励起膜からスピン偏極電子が放出されやすくなる。
【００１０】
本発明に係るスピン偏極電子線源は、針状基体にスピン偏極電子励起膜が被着されており、先端が細くなっているため、被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することができる。
また、針状基体の材料としてサファイアを用いた場合、サファイアは透明であるため電子を励起する光照射をスピン偏極電子線源の針先と反対側から行うことができる。これにより、スピン偏極電子線源を走査型トンネル顕微鏡等の測定装置に取り付けた場合、スピン偏極電子を励起するための光照射手段を、測定の邪魔にならないようにスピン偏極電子線源の先端側及び側面側のみならず先端と反対側に取り付けることができ、装置構成の自由度を高められる。
【００１１】
スピン偏極電子励起膜としてサファイアの針状基体上に被着されたＧａＡｓ膜を有する多層膜を用いている。
ＧａＡｓ膜とＣｓ2Ｏ膜とが針状基体側から順に積層された多層膜では、Ｃｓ2Ｏ膜によりＧａＡｓ膜のエネルギバンドを曲げてＧａＡｓ膜からのスピン偏極電子のトンネル放出を容易にし、偏極度の向上を図ることができる。
【００１２】
また、ＧａＡｓ膜と、ボロンがドープされたＧａＡｓ膜と、Ｃｓ2 Ｏ膜とが針状基体側から順に積層された多層膜では、ボロンがドープされたＧａＡｓ膜中において電子と正孔との相互作用が抑制されるため、電子の寿命が長くなる。従って、特定方向のスピン偏極電子の消滅を防止してスピン偏極の割合を理論値に近く維持し、より理論値に近い偏極度でスピン偏極電子を放出させることができる。
【００１４】
本発明に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置においては、上記スピン偏極電子線源を備えている。
上記スピン偏極電子線源では被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することが可能であるので、それを備えた測定装置により物質内の電子のスピンの状態を観察してより微細な領域の物質の構造の情報を得ることが可能となる。
【００１５】
測定装置として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、低速電子線回折測定装置（ＬＥＥＤ）又は光電子分光測定装置に適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）第１の実施の形態
図１（ａ），（ｂ）を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図１（ａ），（ｂ）は斜視図である。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、濃度１×１０19ｃｍ-3のＺｎがドープされた、横幅１ｍｍ×縦幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍ寸法のＧａＡｓ棒（棒状基体）２１の先端部分をエッチング液（Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ＝３：２：２）２２に浸漬してエッチングする。
先端部分１０１ｃが直径約５０ｎｍとなったところで、エッチング液２２から取り出して、洗浄する。これにより、図１（ｂ）に示すように、針状基体２１ａが形成される。
【００１８】
なお、場合により、ウエットエッチング後に、Ａｒプラズマに曝して針状基体２１ａの先端部１０１ｃの形を微調整してもよい。
第１の実施の形態と同じようにしてスピン偏極電子のスピン偏極度を測定したところ、３０％であった。
上記第１の実施の形態に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体２１ａの材料自体がスピン偏極電子の励起が可能なＧａＡｓである。
【００１９】
針状基体２１ａの先端が細くなっているため、被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することができる。
（２）第２の実施の形態
図２（ａ）〜（ｃ）及び図３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は斜視図であり、図３は側面図である。
【００２０】
まず、図２（ａ）に示すように、横幅１ｍｍ×縦幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍ寸法のサファイア棒（棒状基体）１の先端部分をエッチング液２に浸漬して電界研磨によりエッチングする。サファイア棒１ａがある程度細くなったところで、エッチング液２から取り出し、洗浄する。なお、エッチング液２として２０％の過塩素酸と８０％のエタノールとの混合液を用い、電界研磨の条件を電圧５〜７Ｖ，電流密度０．０５Ａ／ｃｍ2 とする。
【００２１】
続いて、図２（ｂ）に示すように、Ａｒプラズマに曝してサファイア棒１ａの先端部１０１ａの形を微調整し、先端部１０１ｂの直径をほぼ５０ｎｍ程度にする。これにより、図２（ｃ）に示すように、針状基体１ａが形成される。なお、場合により、Ａｒプラズマによるエッチングを省略してウエットエッチングのみにより所望の形状としてもよい。
【００２２】
次に、図３に示すように、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂにＧａＡｓ膜（スピン偏極電子励起膜）３を堆積する。これにより、スピン偏極電子線源１１ａの作成が完成する。
次に、スピン偏極電子線源１１ａにおける電子のスピンの偏極度Ｐを求める。以下のようにしてスピン偏極電子数（上向きスピンの電子数Ｎ↑，下向きスピンの電子数Ｎ↓）を測定し、次の式から偏極度Ｐを算出した。
【００２３】
偏極度Ｐ＝（Ｎ↑−Ｎ↓）／（Ｎ↑＋Ｎ↓）
なお、Ｎ↑とＮ↓は３対１、或いは１対３の割合で生じるため、理論上の偏極度は５０％となる。
測定装置の構成は以下のとおりである。即ち、上記スピン偏極電子線源１１ａを電子線回折法（ＬＥＥＤ）による測定装置に設置した。上記スピン偏極電子線源１１ａの周りの装置構成を図７（ａ）に示すような構成とした。上記スピン偏極電子線源１１ａの針状先端部側にレーザ光の照射手段を設置し、さらに、スピン偏極電子線源１１ａの針状先端部周囲にスピン偏極電子線源１１ａから分離して、スピン偏極電子の放出を容易にするため電界放射グリッド３１を設置した。また、レーザ光源としてＡｒレーザ（５Ｗ）励起のＴｉサファイアレーザを用い、さらに、円偏光とするため、レーザ光の光路上に偏光子（グラントムソンプリズム）３２と１／４波長板３３とを設置した。
【００２４】
この装置構成により、以下のようにして上記スピン偏極電子線源１１ａのスピン偏極度を測定した。即ち、上記スピン偏極電子線源１１ａの針状先端部側から上記スピン偏極電子線源１１ａに円偏光させた波長８３０ｎｍのレーザ光を出力５００ｍＷで照射し、さらに電界放射グリッド３１に１０ｋＶの電圧を印加して、スピン偏極電子線源１１ａと被測定試料との間に２μＡの電流を流した。そして、スピン偏極電子のスピンの向きに応じた電流に分離し、解析した。
【００２５】
そのスピン偏極度は２０％であった。理論値より小さいのは、スピン偏極電子線源１１ａの形状や構造により理論どおりの割合でスピン偏極電子が取り出せないためである。従って、偏極度の高いほうが、スピン偏極電子線源１１ａの形状や構造が優れているといえる。
（３）第３の実施の形態
図２及び図４を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図４（ａ）は側面図である。
【００２６】
まず、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を経てサファイアからなる針状基体１ａを形成する。
次に、図４（ａ）に示すように、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂにＧａＡｓ膜４を堆積する。
続いて、酸素雰囲気中でＭＢＥ法や蒸着法等によりＣｓを放出させ、ＧａＡｓ膜４上に数原子層の厚さのＣｓ2 Ｏ膜５を形成する。Ｃｓ2 Ｏ膜５の膜厚は１〜２原子層が好ましい。ＧａＡｓ膜４とＣｓ2 Ｏ膜５とがスピン偏極電子励起膜１０２ａを構成する。これにより、スピン偏極電子線源１１ｂが完成する。
【００２７】
第２の実施の形態と同じようにして、スピン偏極電子線源１１ｂのスピン偏極度を測定したところ、３５％であった。
上記により作成されたスピン偏極電子線源１１ｂでは、図４（ｂ）に示すように、Ｃｓ2 Ｏ膜５によりＧａＡｓ膜４のエネルギバンドを曲げることでＧａＡｓ膜４からスピン偏極電子が大気中にトンネルし易くなる。このため、単にＧａＡｓ膜のみを被着した場合と比べて偏極度は向上している。
【００２８】
なお、図４（ａ）に示す工程でＧａＡｓ膜４を形成した後、場合によりＧａＡｓ膜４をＡｒプラズマに曝してＧａＡｓ膜４の表面を清浄にすることも可能である。これにより、ＧａＡｓ膜４と次に形成されるＣｓ2 Ｏ膜５との接合をより完全なものにすることができる。
（４）第４の実施の形態
図２及び図５を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図５は側面図である。
【００２９】
まず、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を経てサファイアからなる針状基体１ａを形成する。
次に、図５に示すように、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂに膜厚約２μｍのＧａＡｓ膜６を堆積する。
次いで、イオン注入によりＧａＡｓ膜の表層（約１ｎｍ）に濃度５×１０18ｃｍ-3のボロンをドープし、ボロンドープ層（δドープ層）６ａを形成する。なお、この場合も、ＧａＡｓ膜６をＡｒプラズマに曝してＧａＡｓ膜６の表面を清浄にしておくことが好ましい。
【００３０】
続いて、酸素雰囲気中でＭＢＥ法や蒸着法等によりＣｓを放出させ、ＧａＡｓ膜上に数原子層の厚さのＣｓ2 Ｏ膜７を形成する。この場合も、Ｃｓ2 Ｏ膜７の膜厚は１〜２原子層が好ましい。ボロンドープ層（δドープ層）６ａが表層に形成されたＧａＡｓ膜６とＣｓ2 Ｏ膜７とがスピン偏極電子励起膜１０２ｂを構成する。
【００３１】
上記により作成されたスピン偏極電子線源１１ｃにおいて、第２の実施の形態と同じようにしてスピン偏極度を測定したところ、偏極度は４０％であった。
第４の実施の形態に係るピン偏極電子線源１１ｃでは、スピン偏極電子はδドープ層６ａ中で正孔との相互作用が抑制されて寿命が長くなる。このため、特定方向のスピン偏極電子の消滅を防止してスピン偏極の割合を理論値に近く維持したままスピン偏極電子を取り出すことができ、理論値により近いスピン偏極度を得ることができる。
【００３２】
（５）第５の実施の形態
図２及び図６を参照しながら、本発明の第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図６は側面図である。
まず、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を経てサファイアからなる針状基体１ａを形成する。
【００３３】
次に、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂに膜厚約１μｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜（半導体膜）８を堆積する。
次いで、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８上にＭＢＥ法や蒸着法等により膜厚約５０ｎｍのＧａＡｓ膜９を堆積する。なお、この場合も、ＧａＡｓ膜９をＡｒプラズマに曝してＧａＡｓ膜９の表面を清浄にしておくことが好ましい。
【００３４】
次に、酸素雰囲気中でＭＢＥ法や蒸着法等によりＣｓを放出させ、ＧａＡｓ膜９上に数原子層の厚さのＣｓ2 Ｏ膜１０を形成する。この場合も、Ｃｓ2 Ｏ膜１０の膜厚は１〜２原子層が好ましい。Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８とＧａＡｓ膜９とＣｓ2 Ｏ膜１０とがスピン偏極電子励起膜１０２ｃを構成する。
第２の実施の形態と同じようにしてスピン偏極電子線源１１ｃのスピン偏極度を測定したところ、２５％であった。
【００３５】
上記第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源１１ｃでは、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８によりＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８上のＧａＡｓ膜９には結晶歪みが生じてスピン偏極電子の放出が増える。このため、単にＧａＡｓ膜のみを被着した場合と比べてスピン偏極度が向上している。
なお、上記では、ＧａＡｓ膜９の下地にＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８を用いているが、ＧａＡｓ膜９に結晶歪みを生じさせやすい膜、例えばＩｎＧａＡｓ膜及びＧａＡｓＰ膜等を用いてもよい。
【００３６】
以上のように、上記第２乃至第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体１ａの先端に、特定方向のスピンを有する電子が光照射により励起されるスピン偏極電子励起膜３，１０２ａ〜１０２ｃが被着されてなる。
スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄの先端が細くなっているため、被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することができる。
【００３７】
また、針状基体１ａの材料はサファイアを用いている。サファイアは透明であるため電子を励起する光照射をスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄの針先と反対側から行うことができる。これにより、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄを測定装置に取り付けた場合、スピン偏極電子を励起するための光照射手段を、測定の邪魔にならないように先端側および側面側のみならず先端と反対側に取り付けることができ、このため、装置構成の自由度が増す。
【００３８】
（６）第６の実施の形態
図９、図７（ａ），（ｂ）及び図８を参照しながら、本発明の第６の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の構成について説明する。
図９は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の全体の構成を示す図であり、図９に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａが被測定試料３４ａに対向して置かれている。また、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと被測定試料３４ａの間にはトンネル電流を供給するための電源３６とトンネル電流を検出するための測定器３５が接続されている。
【００３９】
また、図７（ａ），（ｂ）及び図８はスピン偏極電子線源にスピン偏極電子を励起するためのレーザ光を照射する３種類の方法について示す側面図である。
図７（ａ）に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの先端側から、即ちスピン偏極電子励起膜３，１０２〜１０４の表面からレーザ光を照射する方法があり、図７（ｂ）に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの先端と反対側から、即ち針状基体を通過させてスピン偏極電子励起膜３，１０２ａ〜１０２ｃの裏面からレーザ光を照射する方法があり、図８に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの側面側から、即ちスピン偏極電子励起膜３，１０２ａ〜１０２ｃの側面からレーザ光を照射する方法がある。何れの場合も、レーザ光は、図示していない光ファイバによりスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａに導かれる。また、レーザ光源として、例えばＡｒレーザ励起のＴｉサファイアレーザ等が用いられる。
【００４０】
この場合、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの先端部の周囲に電界放射グリッド３１が設けられており、スピン偏極電子が放出されやすくなっている。さらに、円偏光とするため、レーザ光の光路上に偏光子（グラントムソンプリズム）３２と１／４波長板３３とが設置されている。なお、場合により、電界放射グリッド３１は設けられなくてもよい。
【００４１】
上記走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）では、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの針先先端からスピンの揃った電子を被測定試料３４ａの表面に照射し、トンネル電流測定器３５によりトンネル電流を測定する。被測定試料３４ａの表面の電子のスピンの向きに対応してトンネル電流を分離し、その大きさの違いによりスピンの状態を観察する。
【００４２】
更に、検出されたスピンの状態から被測定試料３４ａの磁区を画像化し、或いは、特定位置でのスピンの向きに由来する物質の状態密度を測定することができる。
（７）第７の実施の形態
図１０を参照しながら、本発明の第７の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成について説明する。
【００４３】
図１０は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子の照射により被測定試料３４ｂから発生した二次電子を検出するスピン検出器３８とを備えている。また、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから被測定試料３４ｂに至る電子の行程の途中にスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子の方向を調整するための磁場を発生するコイル３７が設けられている。なお、図１０では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００４４】
上記走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、被測定試料３４ｂへのスピン偏極電子の照射により二次電子を発生させ、スピン検出器３８により二次電子を検出する。スピン偏極電子及び二次電子のスピンの方向が保存されるとすると、二次電子のスピンの向きに対応した像を得ることができ、これにより、磁区観察を行うことができる。
【００４５】
（８）第８の実施の形態
図１１を参照しながら、本発明の第８の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の構成について説明する。
図１１は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子の照射により被測定試料３４ｃを透過した二次電子を検出する不図示のスピン検出器とを備えている。また、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから被測定試料３４ｃに至る電子の行程の途中にスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子の方向を調整するための磁場を発生するコイル３９を備えている。なお、図１１では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００４６】
上記透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、電子が被測定試料３４ｃを透過する際、吸収や回折によって生じるコントラストを記録するものであり、電子線回折においてスピン偏極電子及び二次電子のスピンの方向が保存されるとして、被測定試料３４ｃの磁区に由来するＴＥＭ像を得ることができる。
（９）第９の実施の形態
図１２を参照しながら、本発明の第９の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた低速電子線回折測定装置（ＬＥＥＤ）の構成について説明する。
【００４７】
図１２は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子のうち所定のエネルギを有する電子だけ通過させる電子エネルギ分析器４０と、被測定試料３４ｄから発生した散乱電子を検出するスピン検出器４１とを備えている。なお、図１２では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００４８】
上記低速電子線回折測定装置では、スピンの揃った電子線を被測定試料３４ｄに照射し、被測定試料３４ｄの表面で散乱した電子線を測定することにより被測定試料３４ｄのスピン偏極度を調べることができる。
（１０）第１０の実施の形態
図１３を参照しながら、本発明の第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた光電子分光測定装置の構成について説明する。
【００４９】
図１３は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子を被測定試料３４ｅの方に向かって通過させ、かつ被測定試料３４ｅから発生した散乱電子のうち所定のエネルギを有する電子だけ通過させる円筒型エネルギ分析器４２と、円筒型エネルギ分析器４２を通過してきた散乱電子のスピン偏極度の測定が可能なスピン散乱結晶４３と、スピン散乱結晶４３から発生した散乱電子を検出するスピン散乱電子検出器４４とを備えている。スピン散乱結晶４３として、散乱電子のスピンの向きにより散乱機構が異なるタングステン（Ｗ）の（００１）面結晶が用いられる。なお、図１３では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００５０】
上記光電子分光装置では、主として、角度分解光電子分光法を用いて、スピン偏極に対応する、電子の束縛エネルギの磁気的相互作用についての情報を得ることができる。
以上のように、上記第６乃至第１０の実施の形態に係る測定装置においては、それぞれ第１乃至第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａを備えている。
【００５１】
そのスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａでは被測定試料３４ａ〜３４ｅへのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することが可能であるので、それを備えた上記第６乃至第１０の実施の形態に係る測定装置により物質内の電子のスピンの状態を観察して微細領域の物質の構造の情報を得ることが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されてなる。このように、スピン偏極電子励起膜が被着されたスピン偏極電子線源の先端が細くなっているため、微小領域に限定して被測定試料にスピン偏極電子を照射することができる。
【００５３】
また、本発明に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置においては、上記スピン偏極電子線源を備えている。上記スピン偏極電子線源では被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することが可能であるので、それを備えた測定装置により物質内の電子のスピンの状態を観察して物質の微細領域の構造の情報を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２乃至第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図であり、図４（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係るスピン偏極電子線源のスピン偏極電子励起膜からスピン偏極電子が放出される機構について示すエネルギバンド構造図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第６乃至第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置の部分構成について示す断面図（その１）である。
【図８】図８は、本発明の第６乃至第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置の部分構成について示す断面図（その２）である。
【図９】図９は、本発明の第６の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型トンネル顕微鏡の構成について示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第７の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型電子顕微鏡の構成について示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第８の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた透過型電子顕微鏡の構成について示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第９の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた電子線回折測定装置の構成について示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた光電子分光測定装置の構成について示す図である。
【符号の説明】
１ サファイア棒（棒状基体）、
１ａ 針状基体、
２ エッチング液（過塩素酸＋エタノール）、
３ ＧａＡｓ膜（スピン偏極電子励起膜）、
４，６，９ ＧａＡｓ膜、
５，７，１０ Ｃｓ2 Ｏ膜、
６ａ ボロンがドープされたＧａＡｓ膜（δドープ層）、
８ Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜（半導体膜）、
１１ａ〜１１ｄ，２１ａ スピン偏極電子線源、
２１ ＧａＡｓ棒（棒状基体）、
２２ エッチング液（Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ）、
３１ 電界放射グリッド、
３２ 偏光子（グラントムソンプリズム）、
３３ １／４波長板、
３４ａ〜３４ｅ 被測定試料、
３５ トンネル電流測定器、
３６ 電源、
３７，３９ コイル、
３８，４１ スピン検出器、
４０ 電子エネルギ分析器、
４２ 円筒型エネルギ分析器、
４３ スピン散乱結晶、
４４ スピン散乱電子検出器、
１０１ａ，１０１ｂ 針状基体の先端部、
１０１ｃ スピン偏極電子線源の先端部、
１０２ａ〜１０２ｃ スピン偏極電子励起膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピン偏極電子線源、その作成方法及び測定装置に関し、より詳しくは、特定方向のスピンを有する電子を放出するスピン偏極電子線源、その作成方法、及びスピン偏極電子線源を備えた、物質内の電子のスピンの状態を検出する測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化や磁気記録媒体の高記録密度化等の要求と、走査型トンネル顕微鏡法（ＳＴＭ）、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）、低速電子線回折法（ＬＥＥＤ）又は光電子分光法等に用いられる測定装置の精度向上とに伴い、より微細な物質の構造を評価することが要求されるようになってきている。
【０００３】
その一つとして、物質からの電子のスピン状態を検出することにより、磁区観察を行ったり、物質からの二次電子の偏極度を調べたりする必要がある。例えば、磁気記録媒体の磁区観察を行う場合、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を用いたスピンＳＥＭがある。
この場合、通常のＳＥＭを用い、物質から放出される二次電子のスピン状態を検出するスピン検出器を取り付けることにより観察が行われる。
【０００４】
そして、電子ビームで照射された領域からの二次電子について、そのスピン偏極度をスピン検出器で検出して、磁区の違いを信号化する。このとき、電子ビームの照射径は２０ｎｍ程度であり、実際には、スピン検出器の感度（１０-4）を上げるため、２００ｎｍや、それ以上にビーム径を大きくして照射電流をかせぎ、スピン検出を行わなければ、十分な測定が出来ないものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気記録密度が増すにつれて、一記録領域は微細化してきている。しかし、従来例のスピンＳＥＭからなる磁区観察装置は通常の電子ビームを用い、低感度のスピン検出を行うため、微小領域に照射領域を絞りこむことには限界がある。このため、一記録領域内の一磁区に相当する領域は当然のこと、一記録領域にさえも、領域限定してスピン偏極電子を照射することが困難になってきつつあり、精度のよい磁区観察が困難になってきている。
【０００６】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、微細領域に限定してスピン偏極電子を照射することが可能なスピン偏極電子線源、その作成方法及びスピン偏極電子線源を備えた測定装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第１の発明である、針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されるとともに、前記スピン偏極電子励起膜は、前記針状基体上に形成されたＧａＡｓ膜と、該ＧａＡｓ膜上に形成されたボロンがドープされたＧａＡｓ膜と、該ボロンがドープされたＧａＡｓ膜上に形成されたＣｓ2Ｏ膜とからなることを特徴とするスピン偏極電子線源によって解決され、
第２の発明である、第１の発明のスピン偏極電子線源を備え、該スピン偏極電子線源から供給されるスピン偏極電子を被測定試料に照射することにより前記被測定試料内の電子のスピンの状態を検出することを特徴とする測定装置によって解決され、
第３の発明である、棒状基体の先端部分を細くし、針状基体を形成する工程と、前記針状基体の先端部分にＧａＡｓ膜を形成する工程と、前記ＧａＡｓ膜を加熱しながらＡｒプラズマに曝して前処理する工程と、前記ＧａＡｓ膜上にＣｓ2Ｏ膜を形成する工程とを有することを特徴とするスピン偏極電子線源の作成方法によって解決される。
【０００８】
本発明に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されてなる。スピン偏極電子励起膜には、特定方向のスピンを有する電子が光照射により励起される。
上記スピン偏極電子線源は、棒状基体の先端部分をエッチング等により細くして針状基体を形成し、続いて針状基体の先端部分にスピン偏極電子励起膜を被着することにより作成可能である。
【０００９】
このとき、スピン偏極電子励起膜としてＧａＡｓ膜とその上のＣｓ2 Ｏ膜とを含む多層膜を形成する場合、Ｃｓ2 Ｏ膜を形成する前にＧａＡｓ膜を加熱しながらＡｒプラズマに曝して前処理することにより、ＧａＡｓ膜表面を清浄にしてＧａＡｓ膜とＣｓ2 Ｏ膜との間で良好な接合を形成することができる。これにより、スピン偏極電子励起膜からスピン偏極電子が放出されやすくなる。
【００１０】
本発明に係るスピン偏極電子線源は、針状基体にスピン偏極電子励起膜が被着されており、先端が細くなっているため、被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することができる。
また、針状基体の材料としてサファイアを用いた場合、サファイアは透明であるため電子を励起する光照射をスピン偏極電子線源の針先と反対側から行うことができる。これにより、スピン偏極電子線源を走査型トンネル顕微鏡等の測定装置に取り付けた場合、スピン偏極電子を励起するための光照射手段を、測定の邪魔にならないようにスピン偏極電子線源の先端側及び側面側のみならず先端と反対側に取り付けることができ、装置構成の自由度を高められる。
【００１１】
スピン偏極電子励起膜としてサファイアの針状基体上に被着されたＧａＡｓ膜を有する多層膜を用いている。
ＧａＡｓ膜とＣｓ2Ｏ膜とが針状基体側から順に積層された多層膜では、Ｃｓ2Ｏ膜によりＧａＡｓ膜のエネルギバンドを曲げてＧａＡｓ膜からのスピン偏極電子のトンネル放出を容易にし、偏極度の向上を図ることができる。
【００１２】
また、ＧａＡｓ膜と、ボロンがドープされたＧａＡｓ膜と、Ｃｓ2 Ｏ膜とが針状基体側から順に積層された多層膜では、ボロンがドープされたＧａＡｓ膜中において電子と正孔との相互作用が抑制されるため、電子の寿命が長くなる。従って、特定方向のスピン偏極電子の消滅を防止してスピン偏極の割合を理論値に近く維持し、より理論値に近い偏極度でスピン偏極電子を放出させることができる。
【００１４】
本発明に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置においては、上記スピン偏極電子線源を備えている。
上記スピン偏極電子線源では被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することが可能であるので、それを備えた測定装置により物質内の電子のスピンの状態を観察してより微細な領域の物質の構造の情報を得ることが可能となる。
【００１５】
測定装置として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、低速電子線回折測定装置（ＬＥＥＤ）又は光電子分光測定装置に適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）第１の実施の形態
図１（ａ），（ｂ）を参照しながら、本発明の第１の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図１（ａ），（ｂ）は斜視図である。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、濃度１×１０19ｃｍ-3のＺｎがドープされた、横幅１ｍｍ×縦幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍ寸法のＧａＡｓ棒（棒状基体）２１の先端部分をエッチング液（Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ＝３：２：２）２２に浸漬してエッチングする。
先端部分１０１ｃが直径約５０ｎｍとなったところで、エッチング液２２から取り出して、洗浄する。これにより、図１（ｂ）に示すように、針状基体２１ａが形成される。
【００１８】
なお、場合により、ウエットエッチング後に、Ａｒプラズマに曝して針状基体２１ａの先端部１０１ｃの形を微調整してもよい。
第１の実施の形態と同じようにしてスピン偏極電子のスピン偏極度を測定したところ、３０％であった。
上記第１の実施の形態に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体２１ａの材料自体がスピン偏極電子の励起が可能なＧａＡｓである。
【００１９】
針状基体２１ａの先端が細くなっているため、被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することができる。
（２）第２の実施の形態
図２（ａ）〜（ｃ）及び図３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は斜視図であり、図３は側面図である。
【００２０】
まず、図２（ａ）に示すように、横幅１ｍｍ×縦幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍ寸法のサファイア棒（棒状基体）１の先端部分をエッチング液２に浸漬して電界研磨によりエッチングする。サファイア棒１ａがある程度細くなったところで、エッチング液２から取り出し、洗浄する。なお、エッチング液２として２０％の過塩素酸と８０％のエタノールとの混合液を用い、電界研磨の条件を電圧５〜７Ｖ，電流密度０．０５Ａ／ｃｍ2 とする。
【００２１】
続いて、図２（ｂ）に示すように、Ａｒプラズマに曝してサファイア棒１ａの先端部１０１ａの形を微調整し、先端部１０１ｂの直径をほぼ５０ｎｍ程度にする。これにより、図２（ｃ）に示すように、針状基体１ａが形成される。なお、場合により、Ａｒプラズマによるエッチングを省略してウエットエッチングのみにより所望の形状としてもよい。
【００２２】
次に、図３に示すように、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂにＧａＡｓ膜（スピン偏極電子励起膜）３を堆積する。これにより、スピン偏極電子線源１１ａの作成が完成する。
次に、スピン偏極電子線源１１ａにおける電子のスピンの偏極度Ｐを求める。以下のようにしてスピン偏極電子数（上向きスピンの電子数Ｎ↑，下向きスピンの電子数Ｎ↓）を測定し、次の式から偏極度Ｐを算出した。
【００２３】
偏極度Ｐ＝（Ｎ↑−Ｎ↓）／（Ｎ↑＋Ｎ↓）
なお、Ｎ↑とＮ↓は３対１、或いは１対３の割合で生じるため、理論上の偏極度は５０％となる。
測定装置の構成は以下のとおりである。即ち、上記スピン偏極電子線源１１ａを電子線回折法（ＬＥＥＤ）による測定装置に設置した。上記スピン偏極電子線源１１ａの周りの装置構成を図７（ａ）に示すような構成とした。上記スピン偏極電子線源１１ａの針状先端部側にレーザ光の照射手段を設置し、さらに、スピン偏極電子線源１１ａの針状先端部周囲にスピン偏極電子線源１１ａから分離して、スピン偏極電子の放出を容易にするため電界放射グリッド３１を設置した。また、レーザ光源としてＡｒレーザ（５Ｗ）励起のＴｉサファイアレーザを用い、さらに、円偏光とするため、レーザ光の光路上に偏光子（グラントムソンプリズム）３２と１／４波長板３３とを設置した。
【００２４】
この装置構成により、以下のようにして上記スピン偏極電子線源１１ａのスピン偏極度を測定した。即ち、上記スピン偏極電子線源１１ａの針状先端部側から上記スピン偏極電子線源１１ａに円偏光させた波長８３０ｎｍのレーザ光を出力５００ｍＷで照射し、さらに電界放射グリッド３１に１０ｋＶの電圧を印加して、スピン偏極電子線源１１ａと被測定試料との間に２μＡの電流を流した。そして、スピン偏極電子のスピンの向きに応じた電流に分離し、解析した。
【００２５】
そのスピン偏極度は２０％であった。理論値より小さいのは、スピン偏極電子線源１１ａの形状や構造により理論どおりの割合でスピン偏極電子が取り出せないためである。従って、偏極度の高いほうが、スピン偏極電子線源１１ａの形状や構造が優れているといえる。
（３）第３の実施の形態
図２及び図４を参照しながら、本発明の第３の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図４（ａ）は側面図である。
【００２６】
まず、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を経てサファイアからなる針状基体１ａを形成する。
次に、図４（ａ）に示すように、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂにＧａＡｓ膜４を堆積する。
続いて、酸素雰囲気中でＭＢＥ法や蒸着法等によりＣｓを放出させ、ＧａＡｓ膜４上に数原子層の厚さのＣｓ2 Ｏ膜５を形成する。Ｃｓ2 Ｏ膜５の膜厚は１〜２原子層が好ましい。ＧａＡｓ膜４とＣｓ2 Ｏ膜５とがスピン偏極電子励起膜１０２ａを構成する。これにより、スピン偏極電子線源１１ｂが完成する。
【００２７】
第２の実施の形態と同じようにして、スピン偏極電子線源１１ｂのスピン偏極度を測定したところ、３５％であった。
上記により作成されたスピン偏極電子線源１１ｂでは、図４（ｂ）に示すように、Ｃｓ2 Ｏ膜５によりＧａＡｓ膜４のエネルギバンドを曲げることでＧａＡｓ膜４からスピン偏極電子が大気中にトンネルし易くなる。このため、単にＧａＡｓ膜のみを被着した場合と比べて偏極度は向上している。
【００２８】
なお、図４（ａ）に示す工程でＧａＡｓ膜４を形成した後、場合によりＧａＡｓ膜４をＡｒプラズマに曝してＧａＡｓ膜４の表面を清浄にすることも可能である。これにより、ＧａＡｓ膜４と次に形成されるＣｓ2 Ｏ膜５との接合をより完全なものにすることができる。
（４）第４の実施の形態
図２及び図５を参照しながら、本発明の第４の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図５は側面図である。
【００２９】
まず、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を経てサファイアからなる針状基体１ａを形成する。
次に、図５に示すように、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂに膜厚約２μｍのＧａＡｓ膜６を堆積する。
次いで、イオン注入によりＧａＡｓ膜の表層（約１ｎｍ）に濃度５×１０18ｃｍ-3のボロンをドープし、ボロンドープ層（δドープ層）６ａを形成する。なお、この場合も、ＧａＡｓ膜６をＡｒプラズマに曝してＧａＡｓ膜６の表面を清浄にしておくことが好ましい。
【００３０】
続いて、酸素雰囲気中でＭＢＥ法や蒸着法等によりＣｓを放出させ、ＧａＡｓ膜上に数原子層の厚さのＣｓ2 Ｏ膜７を形成する。この場合も、Ｃｓ2 Ｏ膜７の膜厚は１〜２原子層が好ましい。ボロンドープ層（δドープ層）６ａが表層に形成されたＧａＡｓ膜６とＣｓ2 Ｏ膜７とがスピン偏極電子励起膜１０２ｂを構成する。
【００３１】
上記により作成されたスピン偏極電子線源１１ｃにおいて、第２の実施の形態と同じようにしてスピン偏極度を測定したところ、偏極度は４０％であった。
第４の実施の形態に係るピン偏極電子線源１１ｃでは、スピン偏極電子はδドープ層６ａ中で正孔との相互作用が抑制されて寿命が長くなる。このため、特定方向のスピン偏極電子の消滅を防止してスピン偏極の割合を理論値に近く維持したままスピン偏極電子を取り出すことができ、理論値により近いスピン偏極度を得ることができる。
【００３２】
（５）第５の実施の形態
図２及び図６を参照しながら、本発明の第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について説明する。図６は側面図である。
まず、図２（ａ）〜（ｃ）の工程を経てサファイアからなる針状基体１ａを形成する。
【００３３】
次に、ＭＢＥ法や蒸着法等により針状基体１ａの先端部分１０１ｂに膜厚約１μｍのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜（半導体膜）８を堆積する。
次いで、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８上にＭＢＥ法や蒸着法等により膜厚約５０ｎｍのＧａＡｓ膜９を堆積する。なお、この場合も、ＧａＡｓ膜９をＡｒプラズマに曝してＧａＡｓ膜９の表面を清浄にしておくことが好ましい。
【００３４】
次に、酸素雰囲気中でＭＢＥ法や蒸着法等によりＣｓを放出させ、ＧａＡｓ膜９上に数原子層の厚さのＣｓ2 Ｏ膜１０を形成する。この場合も、Ｃｓ2 Ｏ膜１０の膜厚は１〜２原子層が好ましい。Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８とＧａＡｓ膜９とＣｓ2 Ｏ膜１０とがスピン偏極電子励起膜１０２ｃを構成する。
第２の実施の形態と同じようにしてスピン偏極電子線源１１ｃのスピン偏極度を測定したところ、２５％であった。
【００３５】
上記第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源１１ｃでは、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８によりＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８上のＧａＡｓ膜９には結晶歪みが生じてスピン偏極電子の放出が増える。このため、単にＧａＡｓ膜のみを被着した場合と比べてスピン偏極度が向上している。
なお、上記では、ＧａＡｓ膜９の下地にＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜８を用いているが、ＧａＡｓ膜９に結晶歪みを生じさせやすい膜、例えばＩｎＧａＡｓ膜及びＧａＡｓＰ膜等を用いてもよい。
【００３６】
以上のように、上記第２乃至第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体１ａの先端に、特定方向のスピンを有する電子が光照射により励起されるスピン偏極電子励起膜３，１０２ａ〜１０２ｃが被着されてなる。
スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄの先端が細くなっているため、被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することができる。
【００３７】
また、針状基体１ａの材料はサファイアを用いている。サファイアは透明であるため電子を励起する光照射をスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄの針先と反対側から行うことができる。これにより、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄを測定装置に取り付けた場合、スピン偏極電子を励起するための光照射手段を、測定の邪魔にならないように先端側および側面側のみならず先端と反対側に取り付けることができ、このため、装置構成の自由度が増す。
【００３８】
（６）第６の実施の形態
図９、図７（ａ），（ｂ）及び図８を参照しながら、本発明の第６の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の構成について説明する。
図９は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の全体の構成を示す図であり、図９に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａが被測定試料３４ａに対向して置かれている。また、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと被測定試料３４ａの間にはトンネル電流を供給するための電源３６とトンネル電流を検出するための測定器３５が接続されている。
【００３９】
また、図７（ａ），（ｂ）及び図８はスピン偏極電子線源にスピン偏極電子を励起するためのレーザ光を照射する３種類の方法について示す側面図である。
図７（ａ）に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの先端側から、即ちスピン偏極電子励起膜３，１０２〜１０４の表面からレーザ光を照射する方法があり、図７（ｂ）に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの先端と反対側から、即ち針状基体を通過させてスピン偏極電子励起膜３，１０２ａ〜１０２ｃの裏面からレーザ光を照射する方法があり、図８に示すように、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの側面側から、即ちスピン偏極電子励起膜３，１０２ａ〜１０２ｃの側面からレーザ光を照射する方法がある。何れの場合も、レーザ光は、図示していない光ファイバによりスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａに導かれる。また、レーザ光源として、例えばＡｒレーザ励起のＴｉサファイアレーザ等が用いられる。
【００４０】
この場合、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの先端部の周囲に電界放射グリッド３１が設けられており、スピン偏極電子が放出されやすくなっている。さらに、円偏光とするため、レーザ光の光路上に偏光子（グラントムソンプリズム）３２と１／４波長板３３とが設置されている。なお、場合により、電界放射グリッド３１は設けられなくてもよい。
【００４１】
上記走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）では、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａの針先先端からスピンの揃った電子を被測定試料３４ａの表面に照射し、トンネル電流測定器３５によりトンネル電流を測定する。被測定試料３４ａの表面の電子のスピンの向きに対応してトンネル電流を分離し、その大きさの違いによりスピンの状態を観察する。
【００４２】
更に、検出されたスピンの状態から被測定試料３４ａの磁区を画像化し、或いは、特定位置でのスピンの向きに由来する物質の状態密度を測定することができる。
（７）第７の実施の形態
図１０を参照しながら、本発明の第７の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成について説明する。
【００４３】
図１０は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子の照射により被測定試料３４ｂから発生した二次電子を検出するスピン検出器３８とを備えている。また、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから被測定試料３４ｂに至る電子の行程の途中にスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子の方向を調整するための磁場を発生するコイル３７が設けられている。なお、図１０では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００４４】
上記走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、被測定試料３４ｂへのスピン偏極電子の照射により二次電子を発生させ、スピン検出器３８により二次電子を検出する。スピン偏極電子及び二次電子のスピンの方向が保存されるとすると、二次電子のスピンの向きに対応した像を得ることができ、これにより、磁区観察を行うことができる。
【００４５】
（８）第８の実施の形態
図１１を参照しながら、本発明の第８の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の構成について説明する。
図１１は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子の照射により被測定試料３４ｃを透過した二次電子を検出する不図示のスピン検出器とを備えている。また、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから被測定試料３４ｃに至る電子の行程の途中にスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子の方向を調整するための磁場を発生するコイル３９を備えている。なお、図１１では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００４６】
上記透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、電子が被測定試料３４ｃを透過する際、吸収や回折によって生じるコントラストを記録するものであり、電子線回折においてスピン偏極電子及び二次電子のスピンの方向が保存されるとして、被測定試料３４ｃの磁区に由来するＴＥＭ像を得ることができる。
（９）第９の実施の形態
図１２を参照しながら、本発明の第９の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた低速電子線回折測定装置（ＬＥＥＤ）の構成について説明する。
【００４７】
図１２は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子のうち所定のエネルギを有する電子だけ通過させる電子エネルギ分析器４０と、被測定試料３４ｄから発生した散乱電子を検出するスピン検出器４１とを備えている。なお、図１２では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００４８】
上記低速電子線回折測定装置では、スピンの揃った電子線を被測定試料３４ｄに照射し、被測定試料３４ｄの表面で散乱した電子線を測定することにより被測定試料３４ｄのスピン偏極度を調べることができる。
（１０）第１０の実施の形態
図１３を参照しながら、本発明の第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた光電子分光測定装置の構成について説明する。
【００４９】
図１３は装置構成図であり、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａと、スピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａから放出された電子を被測定試料３４ｅの方に向かって通過させ、かつ被測定試料３４ｅから発生した散乱電子のうち所定のエネルギを有する電子だけ通過させる円筒型エネルギ分析器４２と、円筒型エネルギ分析器４２を通過してきた散乱電子のスピン偏極度の測定が可能なスピン散乱結晶４３と、スピン散乱結晶４３から発生した散乱電子を検出するスピン散乱電子検出器４４とを備えている。スピン散乱結晶４３として、散乱電子のスピンの向きにより散乱機構が異なるタングステン（Ｗ）の（００１）面結晶が用いられる。なお、図１３では省略されているが、この場合にも、図７（ａ），（ｂ）又は図８に示すように、レーザ光照射手段や電界放射グリッド３１を設けてもよい。
【００５０】
上記光電子分光装置では、主として、角度分解光電子分光法を用いて、スピン偏極に対応する、電子の束縛エネルギの磁気的相互作用についての情報を得ることができる。
以上のように、上記第６乃至第１０の実施の形態に係る測定装置においては、それぞれ第１乃至第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａを備えている。
【００５１】
そのスピン偏極電子線源１１ａ〜１１ｄ，２１ａでは被測定試料３４ａ〜３４ｅへのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することが可能であるので、それを備えた上記第６乃至第１０の実施の形態に係る測定装置により物質内の電子のスピンの状態を観察して微細領域の物質の構造の情報を得ることが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るスピン偏極電子線源においては、針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されてなる。このように、スピン偏極電子励起膜が被着されたスピン偏極電子線源の先端が細くなっているため、微小領域に限定して被測定試料にスピン偏極電子を照射することができる。
【００５３】
また、本発明に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置においては、上記スピン偏極電子線源を備えている。上記スピン偏極電子線源では被測定試料へのスピン偏極電子の照射領域を微小領域に限定することが可能であるので、それを備えた測定装置により物質内の電子のスピンの状態を観察して物質の微細領域の構造の情報を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２乃至第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図であり、図４（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係るスピン偏極電子線源のスピン偏極電子励起膜からスピン偏極電子が放出される機構について示すエネルギバンド構造図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施の形態に係るスピン偏極電子線源の作成方法について示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第６乃至第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置の部分構成について示す断面図（その１）である。
【図８】図８は、本発明の第６乃至第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた測定装置の部分構成について示す断面図（その２）である。
【図９】図９は、本発明の第６の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型トンネル顕微鏡の構成について示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第７の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた走査型電子顕微鏡の構成について示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第８の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた透過型電子顕微鏡の構成について示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第９の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた電子線回折測定装置の構成について示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１０の実施の形態に係るスピン偏極電子線源を備えた光電子分光測定装置の構成について示す図である。
【符号の説明】
１ サファイア棒（棒状基体）、
１ａ 針状基体、
２ エッチング液（過塩素酸＋エタノール）、
３ ＧａＡｓ膜（スピン偏極電子励起膜）、
４，６，９ ＧａＡｓ膜、
５，７，１０ Ｃｓ2 Ｏ膜、
６ａ ボロンがドープされたＧａＡｓ膜（δドープ層）、
８ Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ膜（半導体膜）、
１１ａ〜１１ｄ，２１ａ スピン偏極電子線源、
２１ ＧａＡｓ棒（棒状基体）、
２２ エッチング液（Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ）、
３１ 電界放射グリッド、
３２ 偏光子（グラントムソンプリズム）、
３３ １／４波長板、
３４ａ〜３４ｅ 被測定試料、
３５ トンネル電流測定器、
３６ 電源、
３７，３９ コイル、
３８，４１ スピン検出器、
４０ 電子エネルギ分析器、
４２ 円筒型エネルギ分析器、
４３ スピン散乱結晶、
４４ スピン散乱電子検出器、
１０１ａ，１０１ｂ 針状基体の先端部、
１０１ｃ スピン偏極電子線源の先端部、
１０２ａ〜１０２ｃ スピン偏極電子励起膜。
Claims (3)
- 針状基体の先端にスピン偏極電子励起膜が被着されるとともに、前記スピン偏極電子励起膜は、前記針状基体上に形成されたＧａＡｓ膜と、該ＧａＡｓ膜上に形成されたボロンがドープされたＧａＡｓ膜と、該ボロンがドープされたＧａＡｓ膜上に形成されたＣｓ2Ｏ膜とからなることを特徴とするスピン偏極電子線源。
- 請求項１記載のスピン偏極電子線源を備え、該スピン偏極電子線源から供給されるスピン偏極電子を被測定試料に照射することにより前記被測定試料内の電子のスピンの状態を検出することを特徴とする測定装置。
- 棒状基体の先端部分を細くし、針状基体を形成する工程と、
前記針状基体の先端部分にＧａＡｓ膜を形成する工程と、
前記ＧａＡｓ膜を加熱しながらＡｒプラズマに曝して前処理する工程と、
前記ＧａＡｓ膜上にＣｓ2Ｏ膜を形成する工程とを有することを特徴とするスピン偏極電子線源の作成方法。
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