JP3905338B2

JP3905338B2 - Stereo atomic microscope, method for observing a three-dimensional atomic arrangement, and method for measuring a three-dimensional photograph of an atomic arrangement

Info

Publication number: JP3905338B2
Application number: JP2001233651A
Authority: JP
Inventors: 寛大門
Original assignee: 国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP2002139466A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子配列の観察に関し、原子構造を立体的に観察する立体原子顕微鏡、及び立体観察方法、立体写真の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、原子構造を直接立体的に観察することが求められており、顕微鏡は原子構造の立体的観察を究極的な目的としている。現在、種々の顕微鏡が提案されているが、立体像を得ることができる顕微鏡は未だ提供されていない。例えば、電子顕微鏡は、原子配列の投影像を得ることができるが、立体像を得ることはできない。また、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は試料表面の原子配列の凹凸像を得ることができるが、表面原子と下層にある原子の位置関係を得ることはできない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来提案されている顕微鏡及び観察方法は、原子配列を平面的に観察するものであり、原子構造を立体的に直接目で観察することができないという問題がある。
原子構造を立体的に観察する一手法として、各種の測定データに基づいて各原子間の配置を測定あるいは推定し、コンピュータグラフィックによって画像化することが考えられる。しかしながら、この手法では、観察部位における全原子について正確な位置関係を得るために複数種の測定データが必要であり、データ処理に時間がかかり、リアルタイムでの観察は困難である。
【０００４】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することを目的とし、さらに詳細には、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することができる立体原子顕微鏡を提供することを目的とし、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することができる立体観察方法、及び該立体観察に好適な立体写真を測定する測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光電子回折における円２色性を用いることによって原子配列を異なる２方向から見た２つの像を求め、この２方向から見た２つの像をそれぞれ左右の目で見る像に対応させることによって、原子配列の立体的な観察を行うものである。
本発明による原子配列の立体的観察は、光電子回折における円２色性を用いることによって視差角を有した像を得ることができる点に基づいており、観察原子について異なる視点から見た２つの像を円２色性を用いて求め、該２つの像をそれぞれ左右の目で見ることによって三次元像として認識し立体的に観察する。
【０００６】
本発明は、光電子回折における円２色性を用いる手段として、円偏光を用いる。円偏光を試料に照射すると、光電子が放出され、まわりの原子によって散乱されることにより前方散乱ピークを生じるが、光電子の前方散乱ピークの放出方向は円偏光の持つ角運動量によって散乱原子の方向からずれる。この光電子がずれる方向は円偏光の回転方向（右円偏光及び左円偏光）に応じて変わり、右円偏光と左円偏光とではそれぞれ光電子は異なる方向にずれる。この円偏光でずれた２つの像を、左右の目で見たときの各像と対応づけることによって、原子配列を立体的に観察することができる。
また、本発明による立体的観察による倍率は、立体物を左右の目で見たときの視差角と光電子回折における円２色性を用いて得られる像の視差角が角度によらず定数倍だけ異なるという点に基づいて定めることができる。
【０００７】
本発明の一形態は立体原子顕微鏡である。立体原子顕微鏡は、円偏光を試料に照射する円偏光照射手段と、照射された円偏光によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークで形成される光電子回折パターンを二次元的に検出する二次元光電子検出手段とを備える構成とする。
円偏光照射手段は、試料に対して円偏光を照射して光電子を発生させる手段であり、円偏光の回転方向を右円偏光と左円偏光で切り替えることによって、異なる角運動量を持つ光電子を放出させる。異なる角運動量の光電子が形成する２つの（円２色性の）光電子回折パターンは、原子配列を異なる方向から観察したパターンに対応しており、該２つの回折パターンをそれぞれ左右の目で見ることによって立体像として観察することができる。
【０００８】
また、試料に対して浅い角度で円偏光を入射させることによって、視差角の角度依存性が実際のものと一致するようになり、歪みの少ない立体像を得ることができる。なお、円偏光照射手段として、例えば、シンクロトロンや電子蓄積リングと円偏光アンジュレータを組み合わせた左右円偏光発生装置を用いることができ、ＳＰｒｉｎｇ−８等の放射光施設で得られる十分に高エネルギーの円偏光を照射することによって、原子配列の観察精度を高めることができる。
【０００９】
二次元光電子検出手段は、光電子回折パターンを二次元的に検出する手段であり、検出した回折パターンは画像とし表示手段に表示することも、あるいは写真像として形成することもできる。なお、二次元光電子検出手段は、二次元表示型球面鏡分析器等の二次元表示型分析装置を用いることが最も簡便であるが、一次元や０次元（ある角度のみを検出するもの）の分析器を動かして二次元光電子回折パターンを測定しても良いし、一次元や０次元の分析器と試料の一次元や二次元の回転とを組み合わせて測定することもできる。
【００１０】
また、円偏光照射手段による左右円偏光の切替えを高速で行うことによって、原子配列の実時間測定が可能となる。このとき、二次元光電子検出手段において２つの光電子回折パターンを円偏光の切り替えと同期して検出し、画像表示することによって、原子配列の変化を実時間で観察することができる。
【００１１】
本発明の他の形態は原子配列の立体観察方法である。本発明の原子配列の立体観察方法は、回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射し、該円偏光照射によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークによって、形成方向を異にする２つの光電子回折パターンを形成し、該２つの光電子回折パターンを左右の視差角の原子配列画像とすることによって、原子配列を立体的に観察するものである。
原子配列の観察は、光電子回折パターンを画像として表示手段に表示したり、あるいは写真像によって行うことができる。また、円偏光を高速で切替えることによって、原子配列を実時間で測定することができる。
【００１２】
また、本発明の別の形態は原子配列の立体写真測定方法である。本発明の原子配列の立体写真測定方法は、回転方向が異なる２つの円偏光を試料に照射し、該円偏光照射によって生じる円２色性の光電子前方散乱ピークによって、形成方向を異にする２つの光電子回折パターンを形成し、該２つの光電子回折パターンの画像を左右の視差角に対応する写真像として測定することによって、原子配列の立体写真を測定するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の立体原子顕微鏡を説明するための概略図である。立体原子顕微鏡１は、円偏光照射手段２、及び二次元光電子検出手段３を備え、さらに、撮影手段４、画像処理手段５、表示手段６、及び制御手段７を備える。
円偏光照射手段２は、回転方向の異なる２つの円偏光（右円偏光及び左円偏光）を形成して試料Ｓに照射する。２つの円偏光の試料Ｓへの照射は、切り替えて行うことができる。二次元光電子検出手段３は、円偏光照射によって発生した光電子を二次元的に検出して光電子パターンを得る。この光電子パターンは円偏光の照射位置における原子配列を表しており、光電子パターンによって原子配列を観察することができる。
【００１４】
本発明の立体原子顕微鏡１は、円偏光照射手段２からの回転方向の異なる２つの円偏光によって得られる２つの光電子パターンを二次元光電子検出手段３で検出し、この２つの光電子パターンを右目及び左目で観察する各像に対応させることによって、原子配列を立体的に観察する。
立体原子顕微鏡１が備える撮影手段４、画像処理手段５、表示手段６、及び制御手段７は、二次元光電子検出手段３で検出した２つの光電子パターンを画像あるいは写真として出力する構成である。
撮影手段４は、検出した２つの光電子パターンを写真像とする手段であり、観察者はこの２つの光電子パターンの写真像を左目及び右目でそれぞれ見ることによって、原子配列を立体的に観察することができる。
【００１５】
また、画像処理手段５、表示手段６、及び制御手段７は、検出した２つの光電子パターンを画像処理して画像データとし記録や表示を行う構成である。画像処理手段５は、二次元光電子検出手段３等による像の歪みを補正する画像処理を含むことができる。制御手段７は、円偏光照射手段２における円偏光の回転方向の切替えを制御したり、回転方向の切替えに応じて画像処理手段５を制御する。
円偏光照射手段２としては、例えば、シンクロトロンや電子蓄積リングと円偏光アンジュレータを組み合わせた左右円偏光発生装置を用いることができる。また、ＳＰｒｉｎｇ−８等の放射光施設によれば、高エネルギーの円偏光を得ることができ、原子配列の観察精度を高めることができる。
【００１６】
また、二次元光電子検出手段３としては、例えば、二次元表示型球面鏡分析器等の二次元表示型分析装置を用いることができる。二次元表示型球面鏡分析器を用いる場合には、像の歪みが無いため、歪みを補正することなく、立体画像及び立体写真を得ることができる。
【００１７】
次に、本発明による原子配列の立体的観察の手順を、図２のフローチャートに従って説明する。
はじめに、円偏光照射手段２によって円偏光を形成する。このとき、いずれか一方の回転方向の円偏光を形成し（ステップＳ１）、形成した円偏光を試料Ｓに照射する。照射する円偏光は、例えば８００ｅＶ〜１ｋｅＶ程度のエネルギーを持ち、試料Ｓの原子（放出原子）に吸収されることによって、数百ｅＶ以上（例えば、４００ｅＶ〜５００ｅＶ）の運動エネルギーを持つ光電子を放出する（ステップＳ２）。
【００１８】
放出された光電子は、原子配列中の周囲の原子によって散乱され、光電子回折パターンを形成する。この光電子回折パターンは、放出角度分布パターンを表しており、光電子を放出した放出原子とその周囲の散乱原子とを結ぶ方向に前方散乱ピークと呼ばれる鋭いピークが観察される。
このとき、放出される光電子は、円偏光から角運動量をもらって回転しながら放射されるため、原子配列の散乱原子に対して所定のずれ角度で入射することになり、光電子回折パターンは該ずれ角だけずれたパターンとなる。二次元光電子検出手段３によって、この光電子回折パターンを検出し（ステップＳ３）、検出した光電子回折パターンを画像あるいは写真によって測定する（ステップＳ４）。
【００１９】
次に、ステップＳ１で形成した円偏光と逆の回転方向の円偏光を形成する（ステップＳ５，６）。逆の回転方向の円偏光を用いて、前記ステップＳ２〜ステップＳ４を繰り返し、回転方向が逆の円偏光による光電子回折パターンを検出して、回転方向を異にする円偏光で得られる２つの光電子回折パターンの画像あるいは写真を測定する。回転方向を逆とする円偏光によって得られる光電子回折パターンは、前記ずれ角のずれ方向を逆とするものである。したがって、回転方向を異にする円偏光で得られる２つの光電子回折パターンは、原子配列の散乱原子に対してそれぞれ反対方向から所定のずれ角度で入射して得られるパターンとなる。
【００２０】
得られた２つの像（写真）は、左用画像（左用写真）と右用画像（右用写真）に対応しており、これら画像（写真）を表示（配置）して立体画像（立体写真）を形成する。表示（配置）された立体画像（立体写真）は、原子配列を左右にずれた方向から観察した画像（写真）に対応するものであり、それぞれの画像（写真）を右目及び左目で見ることによって、原子配列を立体的に観察することができる（ステップＳ７）。
【００２１】
次に、本発明によって得られる２つの画像（写真）が原子配列を立体的に表すものであることを、図３〜図６を用いて説明する。
図３は、立体を左右の目で見たときの視差角を説明するための図である。立体を左右の目で見るとき、それぞれの目が捕らえる像は、観測者から立体までの距離によって視差角を異にする２つの像となる。この一組の像は立体像あるいは立体写真を形成し、左右それぞれの目で各像を見ることによって、立体までの距離及び方向を三次元的に認識する。
【００２２】
ここで、視差角（±Δ）は、観測者から立体までの距離Ｒに逆比例する。図３において、ｚ軸方向を頭上とし、ｘ軸方向（θ＝９０°，φ＝０°）に顔が向いているとし、ｙ軸上にある右の目Ｅ（Ｒ＝ｂ，θ＝９０°，φ＝−９０°）及び左の目Ｆ（Ｒ＝ｂ，θ＝９０°，φ＝９０°）から、極座標表示で（Ｒ，θ，０）にある物体Ａを見ると、視差角Δ１は、
Δ１＝arctan（ｂ／（Ｒ・sinθ）） …（１）
で表される。ここで、両目の間隔は２ｂとしている。
【００２３】
一方、図４は、原子配列において放出原子から放出された光電子の散乱原子に対する視差角を説明するための図である。
図４において、点Ｏにある放出原子Ｂに対してｚ軸方向に円偏光を照射すると、放出原子Ｂから光電子が放出される。ここで、放出原子から（θ＝θ，φ＝０°）の方向に放出された光電子が散乱原子Ｃによって散乱され、放出原子Ｂと散乱原子Ｃと結ぶ方向に形成される前方散乱を考える。
【００２４】
放出原子Ｂから放出された光電子は、円偏光から角運動量をもらって回転しながら放射され、散乱原子Ｃに対してずれ角Δ２（ｘ，ｙ面上の角度）で入射し、このずれ角Δ２の方向は円偏光の回転方向によって逆となり、光電子の前方散乱ピークの方向における２色性を示す。このずれ角Δ２は、以下の式で表される。

ここで、ｍは光電子の角運動量のｚ成分を表す量子数（磁気量子数）、ｋは波数、ｒは放出原子から散乱原子までの距離、θは円偏光の進行方向と放出原子から散乱原子を向く方向との成す角である。
【００２５】
立体を左右の目で見たときの視差角Δ１と、散乱原子に対する光電子のずれ角Δ２とを比較すると、距離Ｒ，ｒに反比例する点で共通し、ｋ，ｂの定数、磁気量子数ｍ、及びsinθの次数の点で相違している。ここで、相違点について検討すると、ｋ，ｂは角度θによらない定数である。一方、磁気量子数ｍは角度θに依存し、例えば、Ｗ４ｆ（タングステンの一エネルギー軌道）ではsinθにほぼ比例している。
【００２６】
したがって、磁気量子数ｍを（α・sinθ）と表すと（αを比例係数とする）、ずれ角Δ２は以下の式で表される。
Δ２＝arctan（α／（ｋ・ｒ・sinθ）） …（３）
したがって、式（１）のΔ１と式（３）のΔ２とを比較すると、比例倍だけ異なる等価な式であって、ずれ角Δ２は立体視の際の視差角Δ１として扱えることを表している。
このことは、２つの光電子回折パターンのそれぞれのずれ角Δ２を視差角Δ２として左右の目で見ることによって、光電子回折パターンに寄与している散乱原子配列を立体像として観察することができることを意味している。
なお、図３中のＨは物体Ａのｘｙ平面に投影した位置を示し、図４中のＨは散乱原子Ｃのｘｙ平面に投影した位置を示している。
【００２７】
図５を用いて、ずれ角を視差角とすることによる立体像の観察、及び立体像の倍率について説明する。
図５（ａ）は，円偏光の２色性による光電子回折のずれ角を模式的に示している。放出原子Ｂから放出された光電子は、角運動量を持つことによって散乱原子Ｃに対してずれ角Δ２で入射する。光電子回折パターンは、主に散乱原子Ｃの前方散乱ピークから形成されており、該光電子回折パターン像の中のピークのずれ角もΔ２となる。
【００２８】
図５（ｂ）は、求めた光電子回折パターン像を目によって観察する状態を示している。光電子回折パターン像による原子配列の観察は、光電子回折パターン像を目Ｅ，Ｆから距離Ｒだけ離し、視差角Δ２の角度で配置することによって行うことができる。
【００２９】
光電子回折パターン像を目で観察したときの倍率は、例えば、図５（ｂ）中で示されるＲと、図５（ａ）で示されるＢＣ間の距離ｒとの比率によって表すことができる。後で例示するＷ４ｆの原子配列の場合には、この倍率は２×１０^１０倍となる。
なお、視差角Δ１の正接は前記式（１）からtanΔ１＝ｂ／（Ｒ・sinθ）で表され、ずれ角Δ２の正接は前記式（３）からtanΔ２＝α／（ｋ・ｒ・sinθ）で表され、倍率は（ｋ・ｂ）／αで表される。
【００３０】
光電子回折パターン像の画像あるいは写真を目で観察する際において視差角を測定時のずれ角に合わせるには、図５（ｂ）に示すように、２ｂを右目及び左目との間隔として、右用画像（写真）と左用画像（写真）をそれぞれ右目及び左目と対向して、光電子回折パターンの測定角度範囲がそのパターンを目で見たときの角度範囲と一致するように配置する。画像（写真）中の原子Ｃの像が重なるように目を動かすと、その像は目との間隔Ｒ＝ｂ／（tanΔ２・sinθ）を満たす位置に認識される。このようにして視差角を測定時のずれ角と合わせることによって、光電子パターンにおける角度関係と画像（写真）及び目との角度関係を合わせることができ、原子配列を立体的に観察することができる。異なるＲを持つ原子の像は、視差角がΔ２からΔ３に変化しているため、両目の視差角をΔ３にしたときに像が重なり倍率がΔ２／Δ３倍だけ変化して、原子の相対位置関係はそのまま保たれて立体的に観察される。画像（写真）と目との位置関係が上記のものと異なっていても、倍率が異なるが立体的に観察される。
【００３１】
図６は、本発明による測定例を示すものである。図６（ａ），（ｂ）は、Ｗの（１１０）面から放出された、運動エネルギーが８００ｅＶのＷ４ｆ光電子の光電子回折パターンであり、図６（ａ）と図６（ｂ）は円偏光の回転方向が反対の場合を示している。
また、図６（ｃ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に対応する結晶軸方向を模式的に示しており、図６（ａ）及び図６（ｂ）では［１００］，［１１１］，［３１１］，［２１０］等の結晶軸の方向に前方散乱ピークが観察されている。
【００３２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）の実測されるピーク位置と、図６（ｃ）のピーク位置と比較すると、実測されるピーク位置は左右にずれて観察されている。このずれが、立体像（立体写真）の視差角と同じになっており、これらの立体像（立体写真）を左右の目で見ることによって、立体的に観察することができる。
また、図６（ｄ）は、［０１０］方向から（１１０）面に円偏光を照射したときの、［１００］，［１１１］，［３１１］，［２１０］方向等に対する関係を模式的に示している。
【００３３】
また、図７は、二次元光電子検出手段の一例である二次元表示型球面鏡分析器の概略構成を示している。二次元表示型球面鏡分析器は、光電子回折された光電子を仮想的な球面鏡で反射させた状態で、光電子回折パターンを二次元検出面（スクリーン）に表示させるものである。この二次元表示型球面鏡分析器では、試料に対して円偏光をすれすれとなる浅い角度で入射させる。これによって、磁気量子数ｍの放出角依存性がほぼsinθに比例し、歪みの無い立体像を得ることができる。
本発明の実施の形態によれば、左右の目で原子配列を見ると同等の観察を行うことができる。
また、円偏光の回転方向の切替えを高速で行うことによって、実時間測定を行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の立体原子顕微鏡、立体観察方法によれば、原子配列の立体構造を立体的に直接目で観察することができる。また、本発明の測定方法によれば、立体観察に好適な立体写真を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体原子顕微鏡を説明するための概略図である。
【図２】本発明による原子配列の立体的観察の手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】立体を左右の目で見たときの視差角を説明するための図である。
【図４】原子配列において放出原子から放出された光電子の散乱原子に対する視差角を説明するための図である。
【図５】ずれ角を視差角とすることによる立体像の観察、及び立体像の倍率を説明するための図である。
【図６】本発明による測定例を示すものである。
【図７】二次元表示型球面鏡分析器の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１…立体原子顕微鏡、２…円偏光照射手段、３…二次元光電子検出手段、４…撮影手段、５…画像処理手段、６…表示手段、７…制御手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to observation of an atomic arrangement, and relates to a stereo atomic microscope that stereoscopically observes an atomic structure, a stereo observation method, and a method of measuring a stereo photograph.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been demanded to directly observe the atomic structure in three dimensions, and the microscope has the ultimate purpose of three-dimensional observation of the atomic structure. Currently, various microscopes have been proposed, but a microscope capable of obtaining a stereoscopic image has not yet been provided. For example, an electron microscope can obtain a projected image of an atomic arrangement, but cannot obtain a stereoscopic image. A scanning tunneling microscope (STM) can obtain an uneven image of the atomic arrangement on the sample surface, but cannot obtain the positional relationship between the surface atoms and the atoms in the lower layer.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventionally proposed microscope and observation method are for observing the atomic arrangement in a planar manner, and there is a problem in that the atomic structure cannot be directly observed three-dimensionally.
As a technique for observing the atomic structure in three dimensions, it is conceivable to measure or estimate the arrangement between the atoms based on various measurement data, and to image it by computer graphics. However, this method requires a plurality of types of measurement data in order to obtain an accurate positional relationship with respect to all atoms at the observation site, and it takes time to process the data, and real-time observation is difficult.
[0004]
Therefore, the present invention aims to solve the above-mentioned conventional problems and to directly observe the three-dimensional structure of the atomic arrangement with a three-dimensional direct eye. A stereoscopic observation method capable of directly observing a three-dimensional structure of an atomic arrangement three-dimensionally with the eyes, and a three-dimensional photograph suitable for the three-dimensional observation. An object is to provide a measurement method.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention obtains two images obtained by viewing the atomic arrangement from two different directions by using circular dichroism in photoelectron diffraction, and associates the two images viewed from the two directions with images seen by the left and right eyes, respectively. In this way, three-dimensional observation of the atomic arrangement is performed.
The three-dimensional observation of the atomic arrangement according to the present invention is based on the point that an image having a parallax angle can be obtained by using circular dichroism in photoelectron diffraction, and two images of the observed atom viewed from different viewpoints. Is obtained by using circular dichroism, and the two images are recognized by the left and right eyes, respectively, and are recognized as a three-dimensional image and observed three-dimensionally.
[0006]
The present invention uses circularly polarized light as means for using circular dichroism in photoelectron diffraction. When the sample is irradiated with circularly polarized light, photoelectrons are emitted and scattered by surrounding atoms, resulting in a forward scattering peak. The emission direction of the forward scattering peak of photoelectrons is from the direction of the scattered atoms due to the angular momentum of circularly polarized light. Shift. The direction in which the photoelectrons shift depends on the rotation direction of the circularly polarized light (right circularly polarized light and left circularly polarized light), and the photoelectrons shift in different directions in the right circularly polarized light and the left circularly polarized light. By associating the two images shifted by the circularly polarized light with the images when viewed with the left and right eyes, the atomic arrangement can be observed in three dimensions.
In addition, the magnification by stereoscopic observation according to the present invention is such that the parallax angle when viewing a three-dimensional object with the left and right eyes and the parallax angle of an image obtained using circular dichroism in photoelectron diffraction are only a constant multiple regardless of the angle. It can be determined on the basis of differences.
[0007]
One embodiment of the present invention is a stereo atomic microscope. The stereo atomic microscope is a two-dimensional detector that two-dimensionally detects a photoelectron diffraction pattern formed by a circularly polarized light irradiation means for irradiating a sample with circularly polarized light and a circular dichroic photoelectron forward scattering peak generated by the irradiated circularly polarized light. It is set as a structure provided with a photoelectron detection means.
Circularly polarized light irradiation means is a means to generate photoelectrons by irradiating a sample with circularly polarized light. By switching the rotation direction of circularly polarized light between right circularly polarized light and left circularly polarized light, photoelectrons having different angular momentum are emitted. Let The two (circular dichroic) photoelectron diffraction patterns formed by photoelectrons with different angular momentums correspond to patterns observed from different directions of the atomic arrangement, and the two diffraction patterns can be viewed with the left and right eyes, respectively. Can be observed as a stereoscopic image.
[0008]
In addition, by making circularly polarized light incident on the sample at a shallow angle, the angle dependence of the parallax angle matches the actual one, and a stereoscopic image with less distortion can be obtained. As the circularly polarized light irradiation means, for example, a left and right circularly polarized light generating device combining a synchrotron or an electron storage ring and a circularly polarized undulator can be used, and a sufficiently high energy obtained at a synchrotron radiation facility such as SPring-8. By irradiating with circularly polarized light, the observation accuracy of the atomic arrangement can be increased.
[0009]
The two-dimensional photoelectron detection means is a means for two-dimensionally detecting the photoelectron diffraction pattern, and the detected diffraction pattern can be displayed as an image on the display means or can be formed as a photographic image. As the two-dimensional photoelectron detection means, it is simplest to use a two-dimensional display type analyzer such as a two-dimensional display type spherical mirror analyzer, but one-dimensional or zero-dimensional (one that detects only a certain angle) analysis. The two-dimensional photoelectron diffraction pattern may be measured by moving the instrument, or the one-dimensional or zero-dimensional analyzer and the one-dimensional or two-dimensional rotation of the sample may be combined.
[0010]
Further, the real-time measurement of the atomic arrangement becomes possible by switching the left and right circularly polarized light by the circularly polarized light irradiation means at a high speed. At this time, the two-dimensional photoelectron detection means detects the two photoelectron diffraction patterns in synchronization with the switching of the circularly polarized light, and displays the image, whereby the change in the atomic arrangement can be observed in real time.
[0011]
Another embodiment of the present invention is a method for stereoscopic observation of an atomic arrangement. The method for stereoscopic observation of an atomic arrangement according to the present invention irradiates a sample with two circularly polarized light beams having different rotation directions, and has two different formation directions by circular dichroic photoelectron forward scattering peaks generated by the circularly polarized light irradiation. By forming a photoelectron diffraction pattern and using the two photoelectron diffraction patterns as an atomic arrangement image with right and left parallax angles, the atomic arrangement is observed three-dimensionally.
The atomic arrangement can be observed by displaying the photoelectron diffraction pattern as an image on the display means or by using a photographic image. In addition, the atomic arrangement can be measured in real time by switching the circularly polarized light at high speed.
[0012]
Another embodiment of the present invention is a method for measuring a stereoscopic photograph of an atomic arrangement. The method for measuring a three-dimensional photograph of an atomic arrangement according to the present invention irradiates a sample with two circularly polarized light beams having different rotation directions, and makes the formation direction different depending on the circular dichroic photoelectron forward scattering peak generated by the circularly polarized light irradiation. A stereophotograph of an atomic arrangement is measured by forming two photoelectron diffraction patterns and measuring the images of the two photoelectron diffraction patterns as photographic images corresponding to the left and right parallax angles.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view for explaining a stereo atomic microscope of the present invention. The stereo atomic microscope 1 includes a circularly polarized light irradiation unit 2 and a two-dimensional photoelectron detection unit 3, and further includes an imaging unit 4, an image processing unit 5, a display unit 6, and a control unit 7.
The circularly polarized light irradiation means 2 irradiates the sample S by forming two circularly polarized light (right circularly polarized light and left circularly polarized light) having different rotation directions. Irradiation of the two circularly polarized samples S can be performed by switching. The two-dimensional photoelectron detector 3 obtains a photoelectron pattern by two-dimensionally detecting photoelectrons generated by circularly polarized light irradiation. This photoelectron pattern represents an atomic arrangement at the irradiation position of circularly polarized light, and the atomic arrangement can be observed by the photoelectron pattern.
[0014]
The stereo atomic microscope 1 of the present invention detects two photoelectron patterns obtained by two circularly polarized lights having different rotational directions from the circularly polarized light irradiating means 2 by the two-dimensional photoelectron detecting means 3, and these two photoelectron patterns are detected by the right eye and The atomic arrangement is observed three-dimensionally by corresponding to each image observed with the left eye.
The photographing means 4, the image processing means 5, the display means 6, and the control means 7 included in the stereo atomic microscope 1 are configured to output two photoelectron patterns detected by the two-dimensional photoelectron detection means 3 as images or photographs.
The photographing means 4 is a means for making two detected photoelectron patterns into a photographic image, and an observer observes the atomic arrangement in a three-dimensional manner by viewing the photographic images of the two photoelectron patterns with the left eye and the right eye, respectively. Can do.
[0015]
The image processing unit 5, the display unit 6, and the control unit 7 are configured to perform image processing on the two detected photoelectron patterns to record and display as image data. The image processing means 5 can include image processing for correcting image distortion by the two-dimensional photoelectron detection means 3 or the like. The control means 7 controls the switching of the rotational direction of the circularly polarized light in the circularly polarized light irradiating means 2 and controls the image processing means 5 in accordance with the switching of the rotational direction.
As the circularly polarized light irradiation means 2, for example, a left and right circularly polarized light generating device combining a synchrotron or an electron storage ring and a circularly polarized undulator can be used. Further, according to the synchrotron radiation facility such as SPring-8, high-energy circularly polarized light can be obtained, and the observation accuracy of the atomic arrangement can be improved.
[0016]
Further, as the two-dimensional photoelectron detection means 3, for example, a two-dimensional display type analyzer such as a two-dimensional display type spherical mirror analyzer can be used. When a two-dimensional display type spherical mirror analyzer is used, since there is no image distortion, a stereoscopic image and a stereoscopic photograph can be obtained without correcting the distortion.
[0017]
Next, the procedure for stereoscopic observation of the atomic arrangement according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, circularly polarized light is formed by the circularly polarized light irradiation means 2. At this time, circularly polarized light in one of the rotation directions is formed (step S1), and the sample S is irradiated with the formed circularly polarized light. The irradiated circularly polarized light has an energy of, for example, about 800 eV to 1 keV, and is absorbed by atoms (emitted atoms) of the sample S to emit photoelectrons having a kinetic energy of several hundred eV or more (for example, 400 eV to 500 eV). (Step S2).
[0018]
The emitted photoelectrons are scattered by surrounding atoms in the atomic arrangement, forming a photoelectron diffraction pattern. This photoelectron diffraction pattern represents an emission angle distribution pattern, and a sharp peak called a forward scattering peak is observed in the direction connecting the emitting atom emitting the photoelectron and the surrounding scattering atoms.
At this time, the emitted photoelectrons are emitted while rotating with an angular momentum from the circularly polarized light, so that they are incident on the scattered atoms of the atomic arrangement at a predetermined deviation angle, and the photoelectron diffraction pattern has the deviation angle. The pattern is shifted by only The two-dimensional photoelectron detection means 3 detects this photoelectron diffraction pattern (step S3), and the detected photoelectron diffraction pattern is measured by an image or a photograph (step S4).
[0019]
Next, circularly polarized light having a rotation direction opposite to the circularly polarized light formed in step S1 is formed (steps S5 and S6). Steps S2 to S4 are repeated using circularly polarized light in the reverse rotational direction, and two photoelectrons obtained by circularly polarized light having different rotational directions are detected by detecting a photoelectron diffraction pattern by circularly polarized light having the reverse rotational direction. Measure the image or photograph of the diffraction pattern. The photoelectron diffraction pattern obtained by circularly polarized light with the rotation direction reversed has the displacement direction of the displacement angle reversed. Therefore, the two photoelectron diffraction patterns obtained by circularly polarized light having different rotation directions are patterns obtained by entering the scattered atoms in the atomic arrangement at predetermined deviation angles from opposite directions.
[0020]
The obtained two images (photos) correspond to a left image (left photo) and a right image (right photo). These images (photos) are displayed (arranged) to form a stereoscopic image (stereophoto). Form. The displayed (arranged) stereoscopic image (stereophotograph) corresponds to an image (photograph) observed from the direction in which the atomic arrangement is shifted to the left and right, and by viewing each image (photograph) with the right eye and the left eye The atomic arrangement can be observed three-dimensionally (step S7).
[0021]
Next, it will be described with reference to FIGS. 3 to 6 that the two images (photographs) obtained by the present invention represent the atomic arrangement three-dimensionally.
FIG. 3 is a diagram for explaining the parallax angle when the solid is viewed with the left and right eyes. When viewing the solid with the left and right eyes, the images captured by the eyes are two images with different parallax angles depending on the distance from the observer to the solid. This set of images forms a three-dimensional image or a three-dimensional photograph, and the distance and direction to the three-dimensional are recognized three-dimensionally by viewing each image with the left and right eyes.
[0022]
Here, the parallax angle (± Δ) is inversely proportional to the distance R from the observer to the solid. In FIG. 3, it is assumed that the z-axis direction is overhead, the face is facing in the x-axis direction (θ = 90 °, φ = 0 °), and the right eye E (R = b, θ = 90) on the y-axis. When viewing the object A at (R, θ, 0) in the polar coordinate display from the left eye F (R = b, θ = 90 °, φ = 90 °) from the left eye F (R, θ = −90 °), the parallax angle Δ1 is
Δ1 = arctan (b / (R · sin θ)) (1)
It is represented by Here, the distance between the eyes is 2b.
[0023]
On the other hand, FIG. 4 is a diagram for explaining the parallax angle of the photoelectrons emitted from the emitted atoms in the atomic arrangement with respect to the scattered atoms.
In FIG. 4, when the emitted atom B at the point O is irradiated with circularly polarized light in the z-axis direction, photoelectrons are emitted from the emitted atom B. Consider forward scattering in which photoelectrons emitted in the direction of (θ = θ, φ = 0 °) from the emitted atoms are scattered by the scattered atoms C and formed in the direction connecting the emitted atoms B and C.
[0024]
The photoelectrons emitted from the emission atoms B are emitted while rotating with an angular momentum from the circularly polarized light, and are incident on the scattering atoms C with a deviation angle Δ2 (an angle on the x, y plane). The direction is reversed depending on the rotation direction of the circularly polarized light, and shows dichroism in the direction of the forward scattering peak of photoelectrons. This deviation angle Δ2 is expressed by the following equation.

Here, m is the quantum number (magnetic quantum number) representing the z component of the angular momentum of the photoelectron, k is the wave number, r is the distance from the emitting atom to the scattering atom, θ is the traveling direction of circularly polarized light and the emitting atom to the scattering atom. The angle formed by the direction facing
[0025]
When the parallax angle Δ1 when the solid is viewed with the left and right eyes and the shift angle Δ2 of the photoelectron with respect to the scattered atom are compared, they are common in that they are inversely proportional to the distances R and r, and the constants k and b, the magnetic quantum number m , And the order of sinθ. Here, considering the difference, k and b are constants independent of the angle θ. On the other hand, the magnetic quantum number m depends on the angle θ. For example, in W4f (tungsten energy trajectory), it is substantially proportional to sin θ.
[0026]
Therefore, when the magnetic quantum number m is expressed as (α · sin θ) (α is a proportional coefficient), the deviation angle Δ2 is expressed by the following equation.
Δ2 = arctan (α / (k · r · sinθ)) (3)
Therefore, comparing Δ1 in equation (1) and Δ2 in equation (3) is an equivalent equation that differs by a proportional multiple, and indicates that the deviation angle Δ2 can be treated as a parallax angle Δ1 in stereoscopic viewing. .
This means that the scattered atom arrangement contributing to the photoelectron diffraction pattern can be observed as a three-dimensional image by observing with the left and right eyes the disparity angle Δ2 between the two photoelectron diffraction patterns. is doing.
3 indicates the position projected on the xy plane of the object A, and H in FIG. 4 indicates the position projected on the xy plane of the scattering atom C.
[0027]
With reference to FIG. 5, a description will be given of the observation of a stereoscopic image and the magnification of the stereoscopic image by using the deviation angle as the parallax angle.
FIG. 5A schematically shows the shift angle of photoelectron diffraction due to dichroism of circularly polarized light. The photoelectrons emitted from the emission atoms B are incident on the scattering atoms C with a deviation angle Δ2 by having an angular momentum. The photoelectron diffraction pattern is formed mainly from the forward scattering peak of the scattering atom C, and the deviation angle of the peak in the photoelectron diffraction pattern image is Δ2.
[0028]
FIG. 5B shows a state in which the obtained photoelectron diffraction pattern image is observed with the eyes. The observation of the atomic arrangement by the photoelectron diffraction pattern image can be performed by disposing the photoelectron diffraction pattern image from the eyes E and F by a distance R and arranging the parallax angle Δ2.
[0029]
The magnification when the photoelectron diffraction pattern image is observed with the eyes can be represented by, for example, the ratio of R shown in FIG. 5B and the distance r between BC shown in FIG. In the case of the atomic arrangement of W4f exemplified later, this magnification is 2 × 10 ¹⁰ times.
The tangent of the parallax angle Δ1 is expressed by tan Δ1 = b / (R · sin θ) from the equation (1), and the tangent of the deviation angle Δ2 is calculated by tan Δ2 = α / (k · r · sin θ) from the equation (3). The magnification is represented by (k · b) / α.
[0030]
In order to adjust the parallax angle to the deviation angle at the time of measurement when observing the image or photograph of the photoelectron diffraction pattern image with the eyes, as shown in FIG. 5B, 2b is used as the distance between the right eye and the left eye. The image (photo) and the left image (photo) are opposed to the right eye and the left eye, respectively, and are arranged so that the measurement angle range of the photoelectron diffraction pattern matches the angle range when the pattern is viewed with the eyes. When the eyes are moved so that the images of the atoms C in the image (photo) overlap, the images are recognized at positions satisfying the distance R = b / (tan Δ2 · sin θ) from the eyes. By matching the parallax angle with the deviation angle at the time of measurement in this manner, the angular relationship in the photoelectron pattern can be matched with the angular relationship between the image (photograph) and the eyes, and the atomic arrangement can be observed in three dimensions. . Since an image of an atom having a different R has a parallax angle changed from Δ2 to Δ3, when the parallax angle of both eyes is set to Δ3, the image overlaps and the magnification changes by Δ2 / Δ3 times, and the relative position of the atoms The relationship is kept as it is and is observed in three dimensions. Even if the positional relationship between the image (photograph) and the eyes is different from the above, the magnification is different, but the image is photographed stereoscopically.
[0031]
FIG. 6 shows a measurement example according to the present invention. 6A and 6B are photoelectron diffraction patterns of W4f photoelectrons emitted from the (110) plane of W and having a kinetic energy of 800 eV. FIGS. 6A and 6B are circularly polarized light. The case where the rotation direction is opposite is shown.
FIG. 6C schematically shows the crystal axis direction corresponding to FIGS. 6A and 6B. In FIGS. 6A and 6B, [100], Forward scattering peaks are observed in the directions of crystal axes such as [111], [311], and [210].
[0032]
Compared with the actually measured peak position in FIGS. 6A and 6B and the peak position in FIG. 6C, the actually measured peak position is observed to be shifted to the left and right. This shift is the same as the parallax angle of the stereoscopic image (stereophotograph), and the stereoscopic image (stereophotograph) can be observed stereoscopically by viewing with the left and right eyes.
FIG. 6D schematically shows the relationship with respect to the [100], [111], [311], [210] directions and the like when the (110) plane is irradiated with circularly polarized light from the [010] direction. Show.
[0033]
FIG. 7 shows a schematic configuration of a two-dimensional display type spherical mirror analyzer which is an example of a two-dimensional photoelectron detection means. The two-dimensional display type spherical mirror analyzer displays a photoelectron diffraction pattern on a two-dimensional detection surface (screen) in a state where photoelectrons diffracted by photoelectrons are reflected by a virtual spherical mirror. In this two-dimensional display type spherical mirror analyzer, circularly polarized light is incident on the sample at a shallow angle that causes a slight glare. Thereby, the emission angle dependence of the magnetic quantum number m is almost proportional to sin θ, and a stereoscopic image without distortion can be obtained.
According to the embodiment of the present invention, the same observation can be performed when the atomic arrangement is viewed with the left and right eyes.
Moreover, real-time measurement can be performed by switching the rotational direction of circularly polarized light at high speed.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the three-dimensional atomic microscope and the three-dimensional observation method of the present invention, the three-dimensional structure of the atomic arrangement can be directly observed three-dimensionally. Moreover, according to the measuring method of the present invention, a stereoscopic photograph suitable for stereoscopic observation can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view for explaining a stereo atomic microscope of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a procedure for stereoscopic observation of an atomic arrangement according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a parallax angle when a solid is viewed with left and right eyes;
FIG. 4 is a diagram for explaining a parallax angle of photoelectrons emitted from emitted atoms in an atomic arrangement with respect to scattered atoms.
FIG. 5 is a diagram for explaining observation of a stereoscopic image by setting a deviation angle as a parallax angle and a magnification of the stereoscopic image.
FIG. 6 shows a measurement example according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a two-dimensional display type spherical mirror analyzer.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stereo atomic microscope, 2 ... Circularly polarized light irradiation means, 3 ... Two-dimensional photoelectron detection means, 4 ... Imaging means, 5 ... Image processing means, 6 ... Display means, 7 ... Control means.

Claims

Circularly polarized light irradiating means for irradiating the sample with two circularly polarized light having different rotation directions;
Two-dimensional photoelectron detection means for two-dimensionally detecting photoelectron diffraction patterns having different formation directions formed by circular dichroic photoelectron forward scattering peaks generated by irradiated circularly polarized light;
A stereoscopic electron microscope comprising: an image forming unit that forms both the photoelectron diffraction patterns as an atomic arrangement image of right and left parallax angles.

Irradiate the sample with two circularly polarized lights with different rotation directions,
Two photoelectron diffraction patterns having different formation directions are formed by circular dichroic photoelectron forward scattering peaks generated by the circularly polarized light irradiation,
A method for stereoscopic observation of an atomic arrangement, wherein the two photoelectron diffraction patterns are used as an atomic arrangement image with right and left parallax angles.

Irradiate the sample with two circularly polarized lights with different rotation directions,
Two photoelectron diffraction patterns having different formation directions are formed by circular dichroic photoelectron forward scattering peaks generated by the circularly polarized light irradiation,
A method for measuring a three-dimensional photo of an atomic arrangement, wherein the image of both photoelectron diffraction patterns is measured as a photographic image corresponding to left and right parallax angles.