JP3698872B2

JP3698872B2 - スピン偏極走査型トンネル顕微鏡及びその探針、及び磁化情報評価方法

Info

Publication number: JP3698872B2
Application number: JP26899797A
Authority: JP
Inventors: 宏喜児玉; 拓也渦巻
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: JPH11108610A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡及びその探針、及び磁化情報評価方法に関する。スピン偏極走査型トンネル顕微鏡は、磁性材料の磁化の様子を観察することができ、高い分解能を有する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータの外部記憶用ハードディスク等の磁気記録媒体の記録密度が著しく向上している。その磁気的情報を評価する手法として、磁気力顕微鏡、ビッター法等が知られている。今後さらに記録密度が向上し、１つの磁区が微細になると、これらの評価方法では評価困難になると予測される。
【０００３】
微細な磁区を有する磁性表面の磁気的情報を評価する新しい装置として、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡が提案されている。スピン偏極走査型トンネル顕微鏡は、スピン偏極した伝導電子を有する探針の先端を磁性材料の表面に微小な間隔で対向させ、探針と磁性材料間にトンネル電流を流し、トンネル電流の大きさで磁気的情報を評価する装置である。
【０００４】
このスピン偏極走査型トンネル顕微鏡には、スピン偏極した電子を放出する探針が必要とされる。この探針は、試料に対して極めて接近して配置されるため、試料の磁化情報を変化させないために非磁性体で形成することが好ましい。非磁性体でスピン偏極した電子を放出し得る材料としてＧａＡｓが知られている。
【０００５】
Ｇ．ニューネス（G. Nunes）らにより、劈開法を用いて作製したＧａＡｓの探針が報告されている。この探針は、（１００）面のＧａＡｓ基板を、（１００）面と９０°の角度をなす２面で劈開し、（１００）面と２つの劈開面の交点を先端とするものである。
【０００６】
このＧａＡｓの探針に、ＧａＡｓのバンドギャップに相当する波長の円偏向レーザ光を照射することにより、価電子帯の電子を励起させ、スピン偏極した伝導電子を得ることができる。伝導電子の偏極度は５０％であり、その偏極方向は照射レーザ光の光軸に対して平行である。偏極の向きは、円偏向レーザ光の旋回方向により決まる。
【０００７】
この探針を磁性表面に対向させ、磁性表面に平行な光軸を有するレーザ光を探針に照射すると、探針内に、磁性表面に対して平行なスピン偏極を有する伝導電子が励起される。トンネル電流の大きさは、磁性表面の磁化の向きと探針内の電子のスピン偏極の向きとの関係により変化する。従って、トンネル電流の大きさを測定することにより、磁性表面の磁化の向きに関する情報を得ることができる。
【０００８】
磁性表面が、その表面に対して平行に磁化されている場合には、レーザ光の光軸を磁性表面に対して平行にする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
Ｇ．ニューネスらの探針を磁性表面に対向させると、その先端を画定する３つの錐面のすべてが磁性表面に対して斜めになり、磁性表面側を向くことになる。従って、磁性表面に平行な光軸を有するレーザ光を探針に照射すると、反射光が磁性表面に入射してしまう。磁性表面に入射した反射光が外乱となり、磁化情報の測定に悪影響を与えると思われる。
【００１０】
本発明の目的は、測定すべき磁性表面に与える外乱を極力抑制し、高精度の測定が可能なスピン偏極走査型トンネル顕微鏡及びその探針、および磁性表面の磁化情報の評価方法を提供することである。
【００１１】
本発明の一観点によると、レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起されるＧａＡｓ単結晶により形成され、多角錘の錐面の頂点を先端とし、該先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、該先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、該仮想平面に対して垂直に配置した場合に、前記先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接し、前記頂点を画定する錐面が、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面の３つの結晶面、または（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面の３つの結晶面であるスピン偏極走査型トンネル顕微鏡用の探針が提供される。
【００１２】
先端を画定する錐面のうち１つの錐面が、評価対象物の表面に対して垂直になるように配置して測定を行う。評価対象物の表面に対して垂直に配置した錐面に、評価対象物の表面に平行な光軸を有するレーザ光を入射すると、その反射光の光軸も評価対象物の表面に平行になる。このため、反射光が評価対象物に入射しなくなり、反射光の入射による測定への影響を回避することができる。
【００１３】
本発明の他の観点によると、レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起されるＧａＡｓ単結晶により形成され、多角錘の錐面の頂点を先端とし、該先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、該先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、該仮想平面に対して垂直に配置した場合に、前記先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接し、前記頂点を画定する錐面が、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面の３つの結晶面、または（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面の３つの結晶面である探針と、前記探針の先端にある間隔をおいて対向する平坦な試料保持面を有する試料保持台と、前記探針の１つの錐面が前記試料保持面に垂直になるように前記探針を保持する探針保持手段と、前記探針の前記１つの錐面に、前記試料保持面に平行な光軸を有するレーザ光を照射するためのレーザ光学系とを有するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡が提供される。
【００１４】
探針に入射したレーザ光の反射光の光軸が試料保持面に平行になる。このため、反射光が試料保持面に載置した評価対象物に入射しなくなり、反射光の入射による測定への影響を回避することができる。
【００１５】
本発明の他の観点によると、レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起されるＧａＡｓ単結晶により形成され、多角錘の錐面の頂点を先端とし、該先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、該先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、該仮想平面に対して垂直に配置した場合に、前記先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接し、前記頂点を画定する錐面が、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面の３つの結晶面、または（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面の３つの結晶面である探針を、平坦な被測定表面を有する試料の該被測定表面に対向させ、該探針の先端を画定する錐面のうち１つの錐面が該被測定表面に垂直になるように配置する工程と、前記１つの錐面に、前記被測定表面に平行な光軸を有するレーザ光を照射する工程と、前記探針と前記試料との間に直流電圧を印加し、該探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する工程とを有する磁性表面の磁化情報評価方法が提供される。
【００１６】
探針に入射したレーザ光の反射光の光軸が被測定表面に平行であるため、反射光が被測定表面に入射しない。このため、反射光による測定への影響を回避することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施例によるスピン偏極走査型トンネル顕微鏡用探針の斜視図を示す。共にＧａＡｓ単結晶により形成されている。
【００１８】
図１（Ａ）に示す探針は、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面を３つの錐面とする三角錐の頂点を先端とする。（１００）面と（０１１）面とは直交し、（０１１）面と（１−１０）面とは６０°で交わり、（１−１０）面と（１００）面とは４５°で交わる。
【００１９】
この探針は、例えば（１００）面または（０１１）面が表出したＧａＡｓ基板を劈開して作製することができる。まず、ＧａＡｓ基板を〔１１０〕方向に劈開する。劈開した方向に平行にガラス板を置いてケガキながらさらに劈開し、（１−１０）面で劈開されたＧａＡｓ片を探針とする。
【００２０】
図１（Ｂ）に示す探針は、（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面を３つの錐面とする三角錐の頂点を先端とする。この探針は、（００１）面または（１−１０）面が表出したＧａＡｓ基板を劈開することにより作製できる。図１（Ｂ）に示す探針の形状は、図１（Ａ）に示す探針と同様であり、図１（Ｂ）の探針の（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面が、それぞれ図１（Ａ）の探針の（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面に対応する。
【００２１】
次に、図２を参照して、図１（Ａ）に示す探針を用いて磁性材料の表面の磁化情報を検出する方法を説明する。なお、図１（Ｂ）に示す探針を用いる場合も同様である。
【００２２】
平坦な表面を有する磁性材料１の磁性表面に、数オングストローム程度の間隔をおいて探針２の先端を対向させる。このとき、（１００）面及び（０１１）面が磁性材料１の磁性表面に垂直になるように探針２を配置する。例えば磁性表面に垂直な光軸を有するレーザ光３を、（１００）面に入射させる。レーザ光３は、ＧａＡｓのバンドギャップに相当する波長を有する円偏向レーザ光である。
【００２３】
レーザ光３の一部はＧａＡｓの探針に吸収され、スピン偏極した電子を励起させる。この電子の偏極方向は、レーザ光３の光軸に平行であり、その向きはレーザ光３の旋回方向により決まる。磁性材料１には、探針２に対して正電圧が印加されており、探針２の先端と磁性材料１との間にトンネル電流が流れる。
【００２４】
トンネル電流の大きさは、探針２内のスピン偏極した電子の偏極の向きと磁性材料１の磁化の向きとの相対的な関係により決まる。このため、トンネル電流の大きさを測定することにより、磁性材料１の磁化の向きを評価することができる。また、磁性表面内に関して探針２を走査することにより、磁性表面の磁区の分布の様子を評価することができる。
【００２５】
レーザ光３の一部は、探針２の（１００）面により反射する。（１００）面が磁性表面に対して垂直に配置されているため、反射光の光軸も磁性表面に対して平行になり、反射光が磁性材料１に入射しない。このため、反射光による悪影響を排除し、安定した測定が可能になる。
【００２６】
なお、レーザ光の入射する面が磁性表面に対して垂直とされていることが好ましいが、反射光が実質的に磁性表面に入射しない程度の傾きであれば、レーザ光の入射する面が磁性表面の法線に対して微小に傾いていてもよい。ここで、「実質的に磁性表面に入射しない」場合とは、反射光が磁性材料の外周よりも外側を通過する場合、及び反射光が磁性材料に入射するが、その入射点が観測点から離れているため観測に影響を与えないような場合を意味する。
【００２７】
上記実施例では、ＧａＡｓを用いた探針について説明したが、ＧａＡｓ以外に、レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起される半導体材料を用いてもよい。この場合、多角錘の錐面の頂点を先端とし、この先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、仮想平面に対して垂直に配置した場合に、先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接するような形状とする。
【００２８】
図３は、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡の概略図を示す。真空チャンバ１０の中に粗動ステージ１１が配置され、その上に圧電素子１２を介して微動ステージ１３が取り付けられている。粗動ステージ１１は、粗動ステージ制御装置５３により制御され、圧電素子１２は圧電制御装置５２により制御される。微動ステージ１４の上に、評価対称の磁性材料１４が載置される。磁性材料１４の上に、図２の場合と同様に探針１６が配置されている。探針１６は探針ホルダ１５により所定の位置に保持される。
【００２９】
粗動ステージ１１により、探針１６に対する磁性材料１４の相対位置の粗い位置決めが行われ、圧電素子１２により、高精度の位置決めが行われる。また、圧電素子１２により、磁性材料１４をその面内方向に移動させることにより、２次元の走査が行われる。
【００３０】
磁性材料１４に、バイアス用電源５１から直流電圧が印加される。探針１６と磁性材料１４間に流れるトンネル電流がプリアンプ５０により増幅され、増幅された電気信号が制御装置５４に入力される。バイアス用電源５１、圧電制御装置５２、及び粗動ステージ制御装置５３は、制御装置５４により制御される。
【００３１】
レーザ発振器３０から出力されたレーザ光が、ポッケルスセル３１、λ／４板３２を通って真空チャンバ１０内に導入され、探針１６に入射する。ポッケルスセル３１は、レーザ発振器３０から出力されたレーザ光の偏光軸を旋回させる。偏光軸の旋回角は、ポッケルスセル用電源３３からポッケルスセル３１に与えられる電圧により変化する。
【００３２】
λ／４板３２は、直線偏光されたレーザ光を円偏光に変換する。円偏光の旋回の向き（右回りまたは左回り）は、ポッケルスセル３１による偏光軸の旋回角により制御される。すなわち、ポッケルスセル３１に与える電圧を調節することにより、右旋回円偏光または左旋回円偏光を発生させることができる。
【００３３】
図４は、図３に示すスピン偏極走査型トンネル顕微鏡を用いて（１１１）面の表出したシリコン基板表面の観察結果をスケッチした図である。シリコン基板に印加するバイアス電圧を１．０Ｖとし、トンネル電流は１．０ｎＡであった。なお、探針へのレーザ光の入射は行わなかった。
【００３４】
シリコン基板の（１１１）面の７×７構造が明瞭に観察されていることがわかる。探針にレーザ光を入射し、スピン偏極された電子を励起させて観察すれば、磁性材料の磁区の様子を評価することができるであろう。
【００３５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡の探針に入射するレーザ光が反射して、評価対象の試料に入射することを防止できる。このため、外乱を抑制し、安定した観察を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるスピン偏極走査型トンネル顕微鏡用探針の斜視図である。
【図２】探針、磁性材料、レーザ光の相対位置関係を示すためのこれらの斜視図である。
【図３】スピン偏極走査型トンネル顕微鏡の概略図である。
【図４】スピン偏極走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン表面の観察結果をスケッチした図である。
【符号の説明】
１磁性材料
２探針
３レーザ光
１０真空チャンバ
１１粗動ステージ
１２圧電素子
１３微動ステージ
１４磁性材料
１５探針ホルダ
１６探針
３０レーザ発振器
３１ポッケルスセル
３２ λ／４板
３３ポッケルスセル用電源
５０プリアンプ
５１バイアス用電源
５２圧電制御装置
５３粗動ステージ制御装置
５４制御装置

Claims

レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起されるＧａＡｓ単結晶により形成され、多角錘の錐面の頂点を先端とし、該先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、該先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、該仮想平面に対して垂直に配置した場合に、前記先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接し、前記頂点を画定する錐面が、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面の３つの結晶面、または（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面の３つの結晶面であるスピン偏極走査型トンネル顕微鏡用の探針。
レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起されるＧａＡｓ単結晶により形成され、多角錘の錐面の頂点を先端とし、該先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、該先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、該仮想平面に対して垂直に配置した場合に、前記先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接し、前記頂点を画定する錐面が、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面の３つの結晶面、または（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面の３つの結晶面である探針と、
前記探針の先端にある間隔をおいて対向する平坦な試料保持面を有する試料保持台と、
前記探針の１つの錐面が前記試料保持面に垂直になるように前記探針を保持する探針保持手段と、
前記探針の前記１つの錐面に、前記試料保持面に平行な光軸を有するレーザ光を照射するためのレーザ光学系と
を有するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
レーザ光の照射によってスピン偏極した電子が励起されるＧａＡｓ単結晶により形成され、多角錘の錐面の頂点を先端とし、該先端をある間隔をおいてある仮想平面に対向させ、該先端を画定する複数の錐面のうち１つの錐面を、該仮想平面に対して垂直に配置した場合に、前記先端のみにおいて前記仮想平面に最も近接し、前記頂点を画定する錐面が、（１００）面、（０１１）面、及び（１−１０）面の３つの結晶面、または（００１）面、（１−１０）面、及び（０−１１）面の３つの結晶面である探針を、平坦な被測定表面を有する試料の該被測定表面に対向させ、該探針の先端を画定する錐面のうち１つの錐面が該被測定表面に垂直になるように配置する工程と、
前記１つの錐面に、前記被測定表面に平行な光軸を有するレーザ光を照射する工程と、
前記探針と前記試料との間に直流電圧を印加し、該探針と試料間に流れるトンネル電流を検出する工程と
を有する磁性表面の磁化情報評価方法。
（１００）面または（０１１）面が表出したＧａＡｓ基板を〔１１０〕方向に劈開する工程と、
さらに、（１−１０）面で劈開する工程と
を有するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の探針の製造方法。
（００１）面または（１−１０）面が表出したＧａＡｓ基板を劈開し、（００１）面、（１−１０）面、（０−１１）面からなる錘面により先端が構成された頂点がスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の探針の製造方法。