JP6482129B2 - Electric force / magnetic force microscope and electric / magnetic field simultaneous measurement method - Google Patents

Electric force / magnetic force microscope and electric / magnetic field simultaneous measurement method Download PDF

Info

Publication number
JP6482129B2
JP6482129B2 JP2015560054A JP2015560054A JP6482129B2 JP 6482129 B2 JP6482129 B2 JP 6482129B2 JP 2015560054 A JP2015560054 A JP 2015560054A JP 2015560054 A JP2015560054 A JP 2015560054A JP 6482129 B2 JP6482129 B2 JP 6482129B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic
electric
magnetic field
electric field
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015560054A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2015115622A1 (en
Inventor
準 齊藤
準 齊藤
哲 吉村
哲 吉村
幸則 木下
幸則 木下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Akita University NUC
Original Assignee
Akita University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Akita University NUC filed Critical Akita University NUC
Publication of JPWO2015115622A1 publication Critical patent/JPWO2015115622A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6482129B2 publication Critical patent/JP6482129B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/30Scanning potential microscopy
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/50MFM [Magnetic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. MFM probes
    • G01Q60/54Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G01Q60/56Probes with magnetic coating

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Description

本発明は、試料から発生する電場と磁場とを同時に測定することができる、電気力/磁気力顕微鏡および電場/磁場同時測定方法に関する。
本発明では、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを、励振している導電性のソフト磁性探針に印加し、前記ソフト磁性探針の振動を検出することで、前記試料から発生する電場と磁場とが同時に測定される。
The present invention relates to an electric force / magnetic force microscope and an electric field / magnetic field simultaneous measurement method capable of simultaneously measuring an electric field and a magnetic field generated from a sample.
In the present invention, an alternating electric field and an alternating magnetic field having different frequencies are applied to an excited conductive soft magnetic probe, and the electric field generated from the sample is detected by detecting the vibration of the soft magnetic probe. The magnetic field is measured simultaneously.

試料の直流磁場を測定する技術として、図1(A)に示す磁気力顕微鏡(MFM8)が知られている(特許文献1:WO2013/047537参照)。
このMFM8では、先端に探針チップ811が設けられた探針部材81(カンチレバー)が励振される。そして、バネ振動している探針チップ811により、試料82の表面を走査し、前記探針チップ811の振動を検出することで、試料82の表面の磁場を測定することができる。
A magnetic force microscope (MFM8) shown in FIG. 1A is known as a technique for measuring a DC magnetic field of a sample (see Patent Document 1: WO2013 / 047537).
In the MFM 8, a probe member 81 (cantilever) having a probe tip 811 provided at the tip is excited. Then, the surface of the sample 82 is scanned by the probe tip 811 that vibrates in spring, and the magnetic field on the surface of the sample 82 can be measured by detecting the vibration of the probe tip 811.

試料82の下方には交流磁場発生用のコイル84が設けられており、探針チップ811には、試料82が生成する直流磁場H_DCSMPLと、コイル84が生成する交流磁場H_ACとの重畳磁場が印加される。
レーザ(LASER)831とフォトダイオード(PD)832とからなる振動検出器により、探針部材81の振動(みかけ上のバネ定数が変化することによって生じた振動変調)が検出され、図示しない直流磁場測定部により試料82の表面の直流磁場が測定される。
なお、探針チップ811は、錐形のSiにソフト磁性体(例えばFe−Co、Fe−Co−B、パーマロイ(Ni−Fe)、Co−Zr−Nb等。)の薄膜を形成することで作製される。
A coil 84 for generating an alternating magnetic field is provided below the sample 82, and a superposed magnetic field of the direct magnetic field H_DC SMPL generated by the sample 82 and the alternating magnetic field H_AC generated by the coil 84 is provided on the probe tip 811. Applied.
A vibration detector composed of a laser (LASER) 831 and a photodiode (PD) 832 detects vibration of the probe member 81 (vibration modulation caused by a change in the apparent spring constant), and a DC magnetic field (not shown) A DC magnetic field on the surface of the sample 82 is measured by the measurement unit.
The probe tip 811 is formed by forming a thin film of a soft magnetic material (for example, Fe—Co, Fe—Co—B, permalloy (Ni—Fe), Co—Zr—Nb, etc.) on conical Si. Produced.

図1(A)に示した従来の磁気力顕微鏡(MFM8)の動作原理を説明する。
直流磁場勾配(∂H_DCSMPL/∂z)の計測は、試料82上の、探針チップ811に空間的に一様な交流磁場を印加して、探針チップ811の磁気モーメントを周期的に変化させることで可能となる。
図1(B)に、探針チップ811に使用されるソフト磁性体のM−H特性の一例を示す。
図1(B)では交流磁場の印加による磁化Mの時間変化を併せて示してある。
探針チップ811に、交流磁場により探針の共振周波数と異なる、非共振の交番磁気力が与えられたときのカンチレバー(探針部材81)の運動方程式は、式(1)で表される。
The operation principle of the conventional magnetic force microscope (MFM8) shown in FIG.
The DC magnetic field gradient (∂H_DC SMPL / SMz) is measured by applying a spatially uniform alternating magnetic field to the probe tip 811 on the sample 82 and periodically changing the magnetic moment of the probe tip 811. This is possible.
FIG. 1B shows an example of the MH characteristic of the soft magnetic material used for the probe tip 811.
FIG. 1B also shows the change over time of the magnetization M due to the application of an alternating magnetic field.
The equation of motion of the cantilever (probe member 81) when a non-resonant alternating magnetic force different from the probe resonance frequency is applied to the probe tip 811 by an alternating magnetic field is expressed by equation (1).

Figure 0006482129
z(t):ソフト磁性探針(探針チップ811)の変位の時間変化(ここで、z方向は、試料面に垂直な方向にとり、探針の振動方向とする)
ω0:加振角周波数
ωm:交流磁気力の角周波数
m:ソフト磁性探針(探針チップ811)の等価質量
γ:減衰係数
0:カンチレバー(探針部材81)固有のバネ定数
Δk:カンチレバー(探針部材81)のバネ定数のみかけ上の周期的変化の振幅
Δk≪k0であるので、式(1)の解は式(2)で与えられる。
Figure 0006482129
z (t): time change of displacement of the soft magnetic probe (probe tip 811) (here, the z direction is a direction perpendicular to the sample surface and is the vibration direction of the probe)
ω 0 : Excitation angular frequency ω m : AC magnetic force angular frequency m: Equivalent mass of soft magnetic probe (probe tip 811) γ: Damping coefficient k 0 : Spring constant specific to cantilever (probe member 81) Δk : Since the apparent periodic variation amplitude Δk << k 0 of the spring constant of the cantilever (probe member 81), the solution of equation (1) is given by equation (2).

Figure 0006482129
Figure 0006482129

非共振の交流磁場をソフト磁性探針(探針チップ811)に印加することにより、探針部材81のバネ定数は、式(3)のように周期的に時間変化する項を含む。
Δk(t)={qtip dc+qtip accos(ωmt)}
・[(∂H_DCSMPL/∂z)
+(∂H_AC/∂z)cos(ωmt)] (3)
H_DCSMPL:試料から発生する直流磁場
H_AC:ソフト磁性探針(探針チップ811)に印加する交流磁場の振幅
tip ac:振幅がH_ACの交流磁場により探針チップ811に生じた交流磁荷(以下、「交流磁極」と言う)の振幅
tip dc:直流電場E_DCSMPLにより探針チップ811に生じた直流の磁荷(以下、「磁極」と言う)
By applying a non-resonant alternating magnetic field to the soft magnetic probe (probe tip 811), the spring constant of the probe member 81 includes a term that periodically changes over time as shown in Equation (3).
Δk (t) = {q tip dc + q tip ac cos (ω m t)}
・ [(∂H_DC SMPL / ∂z)
+ (∂H_AC / ∂z) cos (ω m t)] (3)
H_DC SMPL : DC magnetic field generated from sample H_AC: Amplitude of AC magnetic field applied to soft magnetic probe (probe tip 811) q tip ac : AC magnetic charge generated in probe tip 811 by AC magnetic field with amplitude H_AC ( (Hereinafter referred to as “AC magnetic pole”) amplitude q tip dc : DC magnetic charge generated in the probe tip 811 by the DC electric field E_DC SMPL (hereinafter referred to as “magnetic pole”)

外部から印加する交流磁場H_ACが空間的に一様な場合、
|∂H_AC/∂z|≪1
となり、Δk(t)は、式(4)で表される。
Δk(t)≒qtip ac(∂H_DCSMPL/∂z)cos(ωmt) (4)
tip acの値は、H_ACの値を一定にすることで一定となるので、Δk(t)のcos(ωmt)で時間変化する成分を検出することで、試料82の表面の直流磁場の勾配を知ることができる。
When the AC magnetic field H_AC applied from the outside is spatially uniform,
| ∂H_AC / ∂z | << 1
Thus, Δk (t) is expressed by Equation (4).
Δk (t) ≈q tip ac (∂H_DC SMPL / ∂z) cos (ω m t) (4)
Since the value of q tip ac becomes constant when the value of H_AC is made constant, a DC magnetic field on the surface of the sample 82 is detected by detecting a component that changes over time with cos (ω m t) of Δk (t). You can know the gradient.

WO2013/047537A1WO2013 / 047537A1

ところで、磁場の発生源である電流や磁気モーメントと、電場の発生源である電荷や電気分極とが共存する、磁場と同時に電場を発生する試料においては、試料の物性や特性測定といった観点から、試料から発生する直流磁場の測定だけでなく、直流電場と直流磁場の同時測定が必要な場合が生じる。
従来、このような要請(電場と磁場の同時測定)に応える技術は提供されていない。
By the way, in the sample that generates the electric field at the same time as the magnetic field, the current and magnetic moment that are the magnetic field source and the electric charge and electric polarization that are the electric field source coexist. In addition to the measurement of the DC magnetic field generated from the sample, there are cases where simultaneous measurement of a DC electric field and a DC magnetic field is necessary.
Conventionally, a technology that meets such a requirement (simultaneous measurement of electric and magnetic fields) has not been provided.

本発明の目的は、試料から発生する電場と磁場とを同時に測定することができる電気力/磁気力顕微鏡および電場/磁場同時測定方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide an electric force / magnetic force microscope and an electric field / magnetic field simultaneous measurement method capable of simultaneously measuring an electric field and a magnetic field generated from a sample.

本発明では、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを、励振しているソフト磁性探針に印加し、ソフト磁性探針の振動を検出する。これにより、試料から発生する電場と磁場とが同時に測定される。   In the present invention, an alternating electric field and an alternating magnetic field having different frequencies are applied to the excited soft magnetic probe to detect the vibration of the soft magnetic probe. Thereby, the electric field and magnetic field which generate | occur | produce from a sample are measured simultaneously.

本発明の構成を、図面を参照しつつ説明する。
〔1〕
図2は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡の基本的な実施形態を示す全体図である。
図2において、電気力/磁気力顕微鏡1は、探針部材11と、探針励振部12、交流電場印加部131と、交流磁場印加部132と、交流電場駆動部141と、交流磁場駆動部142と、探針振動検出部15と、探針走査部16と、復調部(信号抽出部)17と、電場測定部181と、磁場測定部182とを備えている。
探針部材11は、その先端に設けられたソフト磁性探針112を有する。ソフト磁性探針112は、たとえば、表面に導電性のソフト磁性体薄膜が形成された錐形の探針チップからなる。
探針励振部12は、探針部材11を励振させることができる。
交流電場印加部131は、交流電場(角周波数ωe,振幅E_AC)を発生し当該交流電場をソフト磁性探針112に印加し、交流磁場印加部132は、交流磁場(角周波数ωm,振幅H_AC)を発生し当該交流磁場をソフト磁性探針112に印加する。
交流電場駆動部141は、交流電場印加部131を駆動し、交流磁場駆動部142は、交流磁場印加部を駆動する。
探針振動検出部15は、探針部材11の振動を検出し、振動検出信号VIBを生成する。
探針走査部16は、ソフト磁性探針112により試料SMPLを走査するために、探針部材11を空間駆動する。
復調部17は、振動検出信号VIBを取得し、試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流電気力に係る信号および交流磁気力に係る信号を復調する(図2では、これらの信号をEF/HFで示す)。
電場測定部181は、復調部17により復調された交流電気力を用いて、試料SMPLから発生する電場ESMPL(E_DCSMPLおよび/またはE_ACSMPL)を測定し、磁場測定部182は、復調部17により復調された交流磁気力を用いて、試料SMPLから発生する磁場HSMPL(H_DCSMPLおよび/またはH_ACSMPL)を測定する。
測定結果は、たとえば測定結果出力部19により画像出力することができる。
The configuration of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1]
FIG. 2 is an overall view showing a basic embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention.
2, the electric force / magnetic force microscope 1 includes a probe member 11, a probe excitation unit 12, an AC electric field application unit 131, an AC magnetic field application unit 132, an AC electric field drive unit 141, and an AC magnetic field drive unit. 142, a probe vibration detection unit 15, a probe scanning unit 16, a demodulation unit (signal extraction unit) 17, an electric field measurement unit 181, and a magnetic field measurement unit 182.
The probe member 11 has a soft magnetic probe 112 provided at the tip thereof. The soft magnetic probe 112 is made of, for example, a cone-shaped probe tip having a conductive soft magnetic thin film formed on the surface thereof.
The probe excitation unit 12 can excite the probe member 11.
The AC electric field applying unit 131 generates an AC electric field (angular frequency ω e , amplitude E_AC) and applies the AC electric field to the soft magnetic probe 112, and the AC magnetic field applying unit 132 is an AC magnetic field (angular frequency ω m , amplitude). H_AC) is generated and the AC magnetic field is applied to the soft magnetic probe 112.
The AC electric field driving unit 141 drives the AC electric field applying unit 131, and the AC magnetic field driving unit 142 drives the AC magnetic field applying unit.
The probe vibration detector 15 detects the vibration of the probe member 11 and generates a vibration detection signal VIB.
The probe scanning unit 16 spatially drives the probe member 11 in order to scan the sample SMPL with the soft magnetic probe 112.
The demodulator 17 acquires the vibration detection signal VIB and demodulates the signal related to the AC electric force and the signal related to the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe (in FIG. 2, these signals are demodulated). Is indicated by EF / HF).
The electric field measuring unit 181 measures the electric field E SMPL (E_DC SMPL and / or E_AC SMPL ) generated from the sample SMPL using the AC electric force demodulated by the demodulating unit 17, and the magnetic field measuring unit 182 Is used to measure the magnetic field H SMPL (H_DC SMPL and / or H_AC SMPL ) generated from the sample SMPL.
The measurement result can be output as an image by the measurement result output unit 19, for example.

〔2〕
図3は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡の一の実施形態を示す全体図である。
本実施形態の電気力/磁気力顕微鏡1は、試料SMPLから発生する時間変化しない直流電場と直流磁場とを同時に測定するために好適である。
本実施形態では、電場測定部181’は、交流電気力測定部1811と、直流電場測定部1812とを備えている。
交流電気力測定部1811は、試料SMPLとソフト磁性探針112との間に生じた交流電気力を測定する。直流電場測定部1812は、交流電気力測定部1811により測定した交流電気力から、交流電場印加部131が印加する交流電場の周波数に等しい周波数成分(図3では角周波数ωe)を抽出することにより、時間変化しない直流電場E_DCSMPL(具体的には、試料SMPLから発生する直流電場:電場振幅RE_DCと位相θE_DCとの組、または同相信号XE_DCと直交信号YE_DCとの組)を測定することができる。
ここで、(RE_DC,θE_DC)と(XE_DC,YE_DC)との間には、式(5)の関係が成り立つ。
E_DCexp(iθE_DC)=XE_DC+iYE_DC (5)
ここでiは虚数単位である。
[2]
FIG. 3 is an overall view showing one embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention.
The electric force / magnetic force microscope 1 of this embodiment is suitable for simultaneously measuring a DC electric field and a DC magnetic field that are generated from the sample SMPL and do not change with time.
In the present embodiment, the electric field measurement unit 181 ′ includes an AC electric force measurement unit 1811 and a DC electric field measurement unit 1812.
The AC electric force measurement unit 1811 measures an AC electric force generated between the sample SMPL and the soft magnetic probe 112. The DC electric field measuring unit 1812 extracts a frequency component (angular frequency ω e in FIG. 3) equal to the frequency of the AC electric field applied by the AC electric field applying unit 131 from the AC electric force measured by the AC electric force measuring unit 1811. DC electric field E_DC SMPL that does not change with time (specifically, DC electric field generated from sample SMPL: a set of electric field amplitude R E_DC and phase θ E_DC or a set of in-phase signal X E_DC and quadrature signal Y E_DC ) Can be measured.
Here, the relationship of Expression (5) is established between (R E_DC , θ E_DC ) and (X E_DC , Y E_DC ).
R E_DC exp (iθ E_DC ) = X E_DC + iY E_DC (5)
Here, i is an imaginary unit.

本実施形態では、磁場測定部182’は、交流磁気力測定部1821と、直流磁場測定部1822とを備えている。
交流磁気力測定部1821は、試料SMPLとソフト磁性探針112との間に生じた交流磁気力を測定する。直流磁場測定部1822は、交流磁気力測定部1821により測定した交流磁気力から、交流磁場印加部132が印加する交流磁場の周波数に等しい周波数成分(図3では角周波数ωm)を抽出することにより、時間変化しない直流磁場H_DCSMPL(具体的には、試料SMPLから発生する直流磁場:磁場振幅RH_DCと位相θH_DCとの組、または同相信号XH_DCと直交信号YH_DCとの組)を測定することができる。
ここで、(RH_DC,θH_DC)と(XH_DC,YH_DC)との間には、式(6)の関係が成り立つ。
H_DCexp(iθH_DC)=XH_DC+iYH_DC (6)
In the present embodiment, the magnetic field measurement unit 182 ′ includes an AC magnetic force measurement unit 1821 and a DC magnetic field measurement unit 1822.
The AC magnetic force measurement unit 1821 measures AC magnetic force generated between the sample SMPL and the soft magnetic probe 112. The DC magnetic field measuring unit 1822 extracts a frequency component (angular frequency ω m in FIG. 3) equal to the frequency of the AC magnetic field applied by the AC magnetic field applying unit 132 from the AC magnetic force measured by the AC magnetic force measuring unit 1821. DC magnetic field H_DC SMPL that does not change with time (specifically, DC magnetic field generated from sample SMPL: a set of magnetic field amplitude R H_DC and phase θ H_DC or a set of in-phase signal X H_DC and quadrature signal Y H_DC ) Can be measured.
Here, the relationship of Equation (6) is established between (R H — DC , θ H — DC ) and (X H — DC , Y H — DC ).
R H_DC exp (iθ H_DC ) = X H_DC + iY H_DC (6)

〔3〕
図4は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡の他の一の実施形態を示す全体図である。
上述した〔2〕の態様では、直流電場測定部1812および直流磁場測定部1822は、試料SMPLから発生する時間変化しない直流電場および直流磁場を測定している。
[3]
FIG. 4 is an overall view showing another embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention.
In the aspect [2] described above, the DC electric field measurement unit 1812 and the DC magnetic field measurement unit 1822 measure the DC electric field and the DC magnetic field that are generated from the sample SMPL and do not change with time.

本実施形態の電気力/磁気力顕微鏡1では、試料SMPLから発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場とを同時に測定することができる。
図4の構成要素は、電場測定部181''および磁場測定部182''以外は図3に記載の構成要素と概略同じである。
図3では、電場測定部181’は交流電気力測定部1811と直流電場測定部1812とを有しているのに対し、本実施形態では図4に示すように、電場測定部181''は交流電気力測定部1811と交流電場測定部1813とを有している。
また、図3では、磁場測定部182’は交流磁気力測定部1821と直流磁場測定部1822とを有しているのに対し、本実施形態では図4に示すように、磁場測定部182''は交流磁気力測定部1821と交流磁場測定部1823とを有している。
In the electric force / magnetic force microscope 1 of the present embodiment, it is possible to simultaneously measure an alternating electric field and an alternating magnetic field which are generated from the sample SMPL and periodically change over time.
The components shown in FIG. 4 are substantially the same as those shown in FIG. 3 except for the electric field measuring unit 181 ″ and the magnetic field measuring unit 182 ″.
In FIG. 3, the electric field measurement unit 181 ′ includes an AC electric force measurement unit 1811 and a DC electric field measurement unit 1812. In the present embodiment, as shown in FIG. An AC electric force measurement unit 1811 and an AC electric field measurement unit 1813 are included.
In FIG. 3, the magnetic field measuring unit 182 ′ includes an AC magnetic force measuring unit 1821 and a DC magnetic field measuring unit 1822. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the magnetic field measuring unit 182 ′. 'Has an AC magnetic force measurement unit 1821 and an AC magnetic field measurement unit 1823.

図4において、交流電場測定部1813および交流磁場測定部1823は、試料SMPLから発生する周期的に時間変化する交流電場E_ACSMPL(具体的には、電場振幅RE_ACと位相θE_ACとの組、または同相信号XE_ACと直交信号YE_ACとの組)および交流磁場H_ACSMPL(具体的には、磁場振幅RH_ACと位相θH_ACとの組、または同相信号XH_ACと直交信号YH_ACとの組)を測定することができる。
ここで、(RE_AC,θE_AC)と(XE_AC,YE_AC)との間には
E_ACexp(iθE_AC)=XE_AC+iYE_AC
の関係が成り立ち、(RH_AC,θH_AC)と(XH_AC,YH_AC)との間には
H_ACexp(iθH_AC)=XH_AC+iYH_AC
の関係が成り立つ。
これらの測定量には、通常、高周波成分が含まれる。
In FIG. 4, an alternating electric field measuring unit 1813 and an alternating magnetic field measuring unit 1823 are arranged to generate a periodic time-varying alternating electric field E_AC SMPL generated from a sample SMPL (specifically, a set of electric field amplitude R E_AC and phase θ E_AC , Or a set of in-phase signal X E_AC and quadrature signal Y E_AC ) and AC magnetic field H_AC SMPL (specifically, a set of magnetic field amplitude R H_AC and phase θ H_AC or in-phase signal X H_AC and quadrature signal Y H_AC Can be measured.
Here, between (R E_AC , θ E_AC ) and (X E_AC , Y E_AC ), R E_AC exp (iθ E_AC ) = X E_AC + iY E_AC
This relationship holds, and between (R H_AC , θ H_AC ) and (X H_AC , Y H_AC ), R H_AC exp (iθ H_AC ) = X H_AC + iY H_AC
The relationship holds.
These measurement amounts usually include high-frequency components.

交流電場測定部1813は、交流電気力測定部1811により測定した交流電気力から、交流電場印加部131が印加する交流電場の周波数のN倍(Nは2以上の整数であり、好ましくは2、3等である。)の周波数成分(角周波数Nωe)を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定することができる。
また、交流磁場測定部1823は、交流磁気力測定部1821により測定した交流磁気力から、交流磁場印加部132が印加する交流磁場の周波数のN倍(Nは2以上の整数であり、好ましくは2、3等である。)の周波数成分(角周波数Nωm)を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定することができる。
The AC electric field measuring unit 1813 is N times the frequency of the AC electric field applied by the AC electric field applying unit 131 from the AC electric force measured by the AC electric force measuring unit 1811 (N is an integer of 2 or more, preferably 2, By extracting the frequency component (angular frequency Nω e ) of 3), it is possible to measure an alternating electric field that periodically changes over time.
The AC magnetic field measuring unit 1823 is N times the frequency of the AC magnetic field applied by the AC magnetic field applying unit 132 from the AC magnetic force measured by the AC magnetic force measuring unit 1821 (N is an integer of 2 or more, preferably By extracting the frequency component (angular frequency Nω m ) of 2, 3, etc., it is possible to measure an alternating electric field that periodically changes over time.

〔4〕
図5は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡のさらに他の一の実施形態を示す全体図である。
本実施形態の電気力/磁気力顕微鏡1では、試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場、および試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場を同時に測定することができる。
図5の構成要素は、電場測定部181'''および電場測定部182'''以外は図3または図4に記載の構成要素と概略同じである。
図3における電場測定部181’は交流電気力測定部1811と直流電場測定部1812とを有しており、図4における電場測定部181''は交流電気力測定部1811と交流電場測定部1813とを有しているのに対し、本実施形態では図5に示すように、電場測定部181'''は交流電気力測定部1811と直流電場測定部1812と交流電場測定部1813とを有している。
また、図3における磁場測定部182’は交流磁気力測定部1821と直流磁場測定部1822とを有しており、図4における磁場測定部182''は交流磁気力測定部1821と交流磁場測定部1823とを有しているのに対し、本実施形態では図5に示すように、磁場測定部182'''は、交流磁気力測定部1821と直流磁場測定部1822と交流磁場測定部1823とを有している。
[4]
FIG. 5 is an overall view showing still another embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention.
In the electric force / magnetic force microscope 1 of the present embodiment, it is possible to simultaneously measure a DC electric field and a DC magnetic field that are generated from a sample and do not change with time, and an AC electric field and an AC magnetic field that are generated from the sample and change periodically with time.
The components in FIG. 5 are substantially the same as the components described in FIG. 3 or FIG. 4 except for the electric field measurement unit 181 ′ ″ and the electric field measurement unit 182 ′ ″.
3 includes an AC electric force measurement unit 1811 and a DC electric field measurement unit 1812. An electric field measurement unit 181 ″ in FIG. 4 includes an AC electric force measurement unit 1811 and an AC electric field measurement unit 1813. In this embodiment, as shown in FIG. 5, the electric field measuring unit 181 ′ ″ has an AC electric force measuring unit 1811, a DC electric field measuring unit 1812, and an AC electric field measuring unit 1813. doing.
3 has an AC magnetic force measurement unit 1821 and a DC magnetic field measurement unit 1822, and the magnetic field measurement unit 182 ″ in FIG. 4 has an AC magnetic force measurement unit 1821 and an AC magnetic field measurement. In this embodiment, as shown in FIG. 5, the magnetic field measuring unit 182 ′ ″ includes an AC magnetic force measuring unit 1821, a DC magnetic field measuring unit 1822, and an AC magnetic field measuring unit 1823. And have.

図5において、直流電場測定部1812及び直流磁場測定部1822は、試料SMPLから発生する時間変化しない直流電場E_DCSMPL(電場振幅RE_DCと位相θE_DCとの組、または同相信号XE_DCと直交信号YE_DCとの組)および直流磁場H_DCSMPL(磁場振幅RH_DCと位相θH_DCとの組、または同相信号XH_DCと直交信号YH_DCとの組)を測定することができる。
ここで、(RE_DC,θE_DC)と(XE_DC,YE_DC)との間には、次式が成り立つ。
E_DCexp(iθE_DC)=XE_DC+iYE_DC
また、(RH_DC,θH_DC)と(XH_DC,YH_DC)との間には次式が成り立つ。
H_DCexp(iθH_DC)=XH_DC+iYH_DC
In FIG. 5, a DC electric field measuring unit 1812 and a DC magnetic field measuring unit 1822 are a DC electric field E_DC SMPL (a set of electric field amplitude R E_DC and phase θ E_DC generated by the sample SMPL or orthogonal to the in-phase signal X E_DC. Signal Y E_DC ) and DC magnetic field H_DC SMPL (magnetic field amplitude R H_DC and phase θ H_DC or in-phase signal X H_DC and quadrature signal Y H_DC ).
Here, the following equation holds between (R E_DC , θ E_DC ) and (X E_DC , Y E_DC ).
R E_DC exp (iθ E_DC ) = X E_DC + iY E_DC
Further , the following equation holds between (R H_DC , θ H_DC ) and (X H_DC , Y H_DC ).
R H_DC exp (iθ H_DC ) = X H_DC + iY H_DC

また、図5において、交流電場測定部1813及び交流磁場測定部1823は、試料SMPLから発生する周期的に時間変化する交流電場E_ACSMPL(電場振幅RE_ACと位相θE_ACとの組、または同相信号XE_ACと直交信号YE_ACとの組)および交流磁場H_ACSMPL(磁場振幅RH_ACと位相θH_ACとの組、または同相信号XH_ACと直交信号YH_ACとの組)を測定することができる。
ここで、(RE_AC,θE_AC)と(XE_AC,YE_AC)との間には、次式が成り立つ。
E_ACexp(iθE_AC)=XE_AC+iYE_AC
また、(RH_AC,θH_AC)と(XH_AC,YH_AC)との間には、次式が成り立つ。
H_ACexp(iθH_AC)=XH_AC+iYH_AC
これらの測定量には、通常、高周波成分が含まれる。
In FIG. 5, an AC electric field measurement unit 1813 and an AC magnetic field measurement unit 1823 are configured to generate an AC electric field E_AC SMPL (a set of electric field amplitude R E_AC and phase θ E_AC or in-phase generated periodically from the sample SMPL. Measuring the signal X E_AC and the quadrature signal Y E_AC ) and the alternating magnetic field H_AC SMPL (the magnetic field amplitude R H_AC and the phase θ H_AC or the in-phase signal X H_AC and the quadrature signal Y H_AC ). it can.
Here, the following equation holds between (R E_AC , θ E_AC ) and (X E_AC , Y E_AC ).
R E_AC exp (iθ E_AC ) = X E_AC + iY E_AC
Further, the following equation holds between (R H_AC , θ H_AC ) and (X H_AC , Y H_AC ).
R H_AC exp (iθ H_AC ) = X H_AC + iY H_AC
These measurement amounts usually include high-frequency components.

〔5〕
上記〔1〕〜〔4〕の実施形態において、交流電場印加部が試料に印加する交流電場の周波数ωeと、交流磁場印加部が試料に印加する交流磁場の周波数ωmとが、1以上のいかなる整数nについてもωm≠nωeかつnωm≠ωeをみたすことが好ましい。
[5]
In the embodiments [1] to [4], the frequency ω e of the AC electric field applied to the sample by the AC electric field applying unit and the frequency ω m of the AC magnetic field applied to the sample by the AC magnetic field applying unit are 1 or more. It is preferable to satisfy ω m ≠ nω e and nω m ≠ ω e for any integer n.

〔6〕
本発明の電場/磁場同時測定方法では、励振している探針部材の先端に設けたソフト磁性探針(表面に導電性のソフト磁性体薄膜が形成された探針チップからなる)に、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを印加し、ソフト磁性探針により試料を走査し、ソフト磁性探針の振動を検出することで、試料から発生する電場と磁場とを同時に測定することができる。
本発明の電場/磁場同時測定方法は、以下のステップを含む。
探針励振ステップ:探針励振部により、探針部材を励振させる。
交流電場/交流磁場印加ステップ:交流電場印加部により交流電場を発生し、当該交流電場をソフト磁性探針に印加するとともに、交流磁場印加部により交流磁場を発生し、当該交流磁場をソフト磁性探針に印加する。
探針振動検出ステップ:探針振動検出部により、探針部材の振動を検出し振動検出信号を生成する。
探針走査ステップ:探針走査部により、探針部材を空間駆動し、ソフト磁性探針により試料を走査する。
復調ステップ:復調部により、振動検出信号を用いて試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調(抽出)する。
電場測定ステップ:電場測定部により、復調ステップにおいて復調された交流電気力を用いて、試料から発生する電場を測定する。
磁場測定ステップ:磁場測定部により、復調ステップにおいて復調された交流磁気力を用いて、試料から発生する磁場を測定する。
[6]
In the electric field / magnetic field simultaneous measurement method of the present invention, a frequency is applied to a soft magnetic probe (consisting of a probe tip having a conductive soft magnetic thin film formed on the surface) provided at the tip of an excited probe member. By applying an alternating electric field and an alternating magnetic field different from each other, scanning the sample with the soft magnetic probe, and detecting the vibration of the soft magnetic probe, the electric field and magnetic field generated from the sample can be measured simultaneously.
The electric field / magnetic field simultaneous measurement method of the present invention includes the following steps.
Probe excitation step: The probe member is excited by the probe excitation unit.
AC electric field / AC magnetic field applying step: An AC electric field is generated by the AC electric field applying unit, the AC electric field is applied to the soft magnetic probe, an AC magnetic field is generated by the AC magnetic field applying unit, and the AC magnetic field is detected by the soft magnetic probe. Apply to the needle.
Probe vibration detection step: The probe vibration detector detects the vibration of the probe member and generates a vibration detection signal.
Probe scanning step: The probe member is spatially driven by the probe scanning unit, and the sample is scanned by the soft magnetic probe.
Demodulation step: The demodulating unit demodulates (extracts) the AC electric force and AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe using the vibration detection signal.
Electric field measurement step: The electric field measurement unit measures the electric field generated from the sample using the AC electric force demodulated in the demodulation step.
Magnetic field measurement step: The magnetic field generated from the sample is measured by the magnetic field measurement unit using the alternating magnetic force demodulated in the demodulation step.

〔7〕
本発明の電場/磁場同時測定方法の一の実施形態では、電場測定ステップは、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップとを含み、磁場測定ステップは、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップとを含む。
交流電気力測定ステップ:交流電気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力を測定する。
直流電場測定ステップ:直流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流電場を測定する。
交流磁気力測定ステップ:交流磁気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する。
直流磁場測定ステップ:直流磁場測定部により、交流磁気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流磁場を測定する。
[7]
In one embodiment of the simultaneous electric field / magnetic field measurement method of the present invention, the electric field measurement step includes an AC electric force measurement step and a DC electric field measurement step, and the magnetic field measurement step includes an AC magnetic force measurement step and a DC magnetic field measurement step. Including.
AC electric force measurement step: The AC electric force measurement unit measures the AC electric force generated between the sample and the soft magnetic probe.
DC electric field measurement step: The DC electric field measurement unit extracts a frequency component equal to the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field application step from the AC electric force measured in the AC electric force measurement step, thereby preventing DC electric power that does not change with time. Measure the field.
AC magnetic force measurement step: The AC magnetic force measuring unit measures the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe.
DC magnetic field measurement step: The DC magnetic field measurement unit extracts a frequency component equal to the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating magnetic force measurement step, thereby preventing time-varying direct current. Measure the magnetic field.

〔8〕
本発明の電場/磁場同時測定方法の他の一の実施形態では、電場測定ステップは、交流電気力測定ステップと交流電場測定ステップとを含み、磁場測定ステップは、交流磁気力測定ステップと交流磁場測定ステップとを含む。
交流電気力測定ステップ:交流電気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力を測定する。
交流電場測定ステップ:交流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数のN倍(Nは2以上の整数であり、好ましくは2、3等である。)の周波数成分(角周波数Nωe)を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定する。
交流磁気力測定ステップ:交流磁気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する。
交流磁場測定ステップ:交流磁場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数のN倍(Nは2以上の整数であり、好ましくは2、3等である。)の周波数成分(角周波数Nωe)を抽出することにより、周期的に時間変化する交流磁場を測定する。
[8]
In another embodiment of the simultaneous electric field / magnetic field measurement method of the present invention, the electric field measurement step includes an AC electric force measurement step and an AC electric field measurement step, and the magnetic field measurement step includes an AC magnetic force measurement step and an AC magnetic field measurement step. Measuring step.
AC electric force measurement step: The AC electric force measurement unit measures the AC electric force generated between the sample and the soft magnetic probe.
AC electric field measurement step: N times the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field application step from the AC electric force measured in the AC electric force measurement step by the AC electric field measurement unit (N is an integer of 2 or more, preferably Is a frequency component (angular frequency Nω e ) of 2), 3 etc.), and an alternating electric field that periodically changes over time is measured.
AC magnetic force measurement step: The AC magnetic force measuring unit measures the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe.
AC magnetic field measurement step: N times the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating electric force measurement step by the alternating magnetic field measurement unit (N is an integer of 2 or more, preferably Is a frequency component (angular frequency Nω e ) of 2), 3 etc.), and an alternating magnetic field that changes with time periodically is measured.

〔9〕
本発明の電場/磁場同時測定方法のさらに他の一の実施形態では、電場測定ステップは、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップと交流電場測定ステップとを含み、磁場測定ステップは、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップと交流磁場測定ステップを含む。
交流電気力測定ステップ:交流電気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力を測定する。
直流電場測定ステップ:直流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流電場を測定する。
交流電場測定ステップ:交流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数のN倍(Nは2以上の整数であり、好ましくは2、3等である。)の周波数成分(角周波数Nωe)を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定する。
交流磁気力測定ステップ:交流磁気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する。
直流磁場測定ステップ:直流磁場測定部により、交流磁気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流磁場を測定する。
交流磁場測定ステップ:交流磁場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数のN倍(Nは2以上の整数であり、好ましくは2、3等である。)の周波数成分(角周波数Nωe)を抽出することにより、周期的に時間変化する交流磁場を測定する。
[9]
In still another embodiment of the electric field / magnetic field simultaneous measurement method of the present invention, the electric field measurement step includes an AC electric force measurement step, a DC electric field measurement step, and an AC electric field measurement step, and the magnetic field measurement step includes an AC magnetic field measurement step. A force measurement step, a DC magnetic field measurement step, and an AC magnetic field measurement step.
AC electric force measurement step: The AC electric force measurement unit measures the AC electric force generated between the sample and the soft magnetic probe.
DC electric field measurement step: The DC electric field measurement unit extracts a frequency component equal to the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field application step from the AC electric force measured in the AC electric force measurement step, thereby preventing DC electric power that does not change with time. Measure the field.
AC electric field measurement step: N times the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field application step from the AC electric force measured in the AC electric force measurement step by the AC electric field measurement unit (N is an integer of 2 or more, preferably Is a frequency component (angular frequency Nω e ) of 2), 3 etc.), and an alternating electric field that periodically changes over time is measured.
AC magnetic force measurement step: The AC magnetic force measuring unit measures the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe.
DC magnetic field measurement step: The DC magnetic field measurement unit extracts a frequency component equal to the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating magnetic force measurement step, thereby preventing time-varying direct current. Measure the magnetic field.
AC magnetic field measurement step: N times the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating electric force measurement step by the alternating magnetic field measurement unit (N is an integer of 2 or more, preferably Is a frequency component (angular frequency Nω e ) of 2), 3 etc.), and an alternating magnetic field that changes with time periodically is measured.

〔10〕
上記〔6〕〜〔9〕の実施形態において、交流電場印加部が試料に印加する交流電場の周波数ωeと、交流磁場印加部が試料に印加する交流磁場の周波数ωmとが、1以上のいかなる整数nについてもωm≠nωeかつnωm≠ωeをみたすことが好ましい。
[10]
In the above embodiments [6] to [9], the frequency ω e of the AC electric field applied to the sample by the AC electric field applying unit and the frequency ω m of the AC magnetic field applied to the sample by the AC magnetic field applying unit are 1 or more. It is preferable to satisfy ω m ≠ nω e and nω m ≠ ω e for any integer n.

本発明によれば、試料の表面の電場と磁場とを同時に測定することができる。   According to the present invention, an electric field and a magnetic field on the surface of a sample can be measured simultaneously.

図1(A)は、直流磁場を測定するための磁気力顕微鏡(MFM)を示す図である。 図1(B)は、ソフト磁性体のM−H特性の例を示す図である。FIG. 1A is a diagram showing a magnetic force microscope (MFM) for measuring a DC magnetic field. FIG. 1B is a diagram illustrating an example of the MH characteristic of the soft magnetic material. 図2は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡の基本的な実施形態を示す全体図である。FIG. 2 is an overall view showing a basic embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention. 図3は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡の一の実施形態を示す全体図である。FIG. 3 is an overall view showing one embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention. 図4は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡の他の一の実施形態を示す全体図である。FIG. 4 is an overall view showing another embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention. 図5は、本発明の電気力/磁気力顕微鏡のさらに他の一の実施形態を示す全体図である。FIG. 5 is an overall view showing still another embodiment of the electric / magnetic force microscope of the present invention. 図6は本発明の電気力/磁気力顕微鏡の一実施形態を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory view showing an embodiment of the electric force / magnetic force microscope of the present invention. 図7は、外部から印加する交流電場および交流磁場と、試料から発生する電場および磁場との関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an AC electric field and an AC magnetic field applied from the outside and an electric field and a magnetic field generated from the sample. 図8は、図6に示した電気力/磁気力顕微鏡を用いた電場/磁場同時測定方法の処理を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing processing of the electric field / magnetic field simultaneous measurement method using the electric force / magnetic force microscope shown in FIG. 図9は、測定結果出力部により出力された画像を示す図である。 図9(A)は直流電場測定部の振幅出力から作成した画像である。 図9(B)は直流電場測定部の位相角出力から作成した画像である。 図9(C)は直流磁場測定部の振幅出力から作成した画像である。 図9(D)は直流磁場測定部の位相角出力から作成した画像である。 図9(E)は図9(A)の切断ラインL1における直流電場測定部の振幅出力信号を示す図である。 図9(F)は図9(B)の切断ラインL2における直流電場測定部の位相角出力信号を示す図である。図9(G)は図9(C)の切断ラインL3における直流磁場測定部の振幅出力信号を示す図である。 図9(H)は図9(D)の切断ラインL4における直流磁場測定部の位相角出力信号を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an image output by the measurement result output unit. FIG. 9A is an image created from the amplitude output of the DC electric field measurement unit. FIG. 9B is an image created from the phase angle output of the DC electric field measurement unit. FIG. 9C is an image created from the amplitude output of the DC magnetic field measurement unit. FIG. 9D is an image created from the phase angle output of the DC magnetic field measurement unit. FIG. 9 (E) is a diagram showing an amplitude output signal of the DC electric field measurement unit in the cutting line L1 in FIG. 9 (A). FIG. 9F is a diagram showing a phase angle output signal of the DC electric field measurement unit in the cutting line L2 in FIG. 9B. FIG. 9G is a diagram illustrating an amplitude output signal of the DC magnetic field measurement unit in the cutting line L3 in FIG. 9C. FIG. 9H is a diagram showing a phase angle output signal of the DC magnetic field measurement unit in the cutting line L4 in FIG. 9D.

《発明の原理》
本発明の原理を以下に示す。
交流電場(振幅:E_AC)と交流磁場(振幅:H_AC)とを、導電性を有するソフト磁性探針(探針チップ)に、同時に外部から印加する。
これにより、探針チップの先端に、交流変化する電荷(振幅:qe ac)と交流変化する磁極(振幅:qm ac)が発生する。
<< Principle of invention >>
The principle of the present invention is shown below.
An alternating electric field (amplitude: E_AC) and an alternating magnetic field (amplitude: H_AC) are simultaneously applied to the soft magnetic probe (probe tip) having conductivity from the outside.
As a result, an alternating charge (amplitude: q e ac ) and an alternating change magnetic pole (amplitude: q m ac ) are generated at the tip of the probe tip.

これらの外部から印加する交流電場と交流磁場により、試料の直流電場の発生源である電荷あるいは電気分極、および試料の直流磁場の発生源である電流あるいは磁気モーメントが変化しない場合には、試料からは直流電場および直流磁場が発生し、交流電場および交流磁場は発生しない。この場合、探針装置(カンチレバー)のバネ定数は、みかけ上変化し、式(7)で与えられる。以下、Δk(t)を「みかけ上のバネ定数」と称する。   If the externally applied AC electric field and AC magnetic field do not change the charge or electric polarization that is the source of the sample's DC electric field, and the current or magnetic moment that is the source of the sample's DC magnetic field, Generates a DC electric field and a DC magnetic field, and does not generate an AC electric field and an AC magnetic field. In this case, the spring constant of the probe device (cantilever) apparently changes and is given by equation (7). Hereinafter, Δk (t) is referred to as “apparent spring constant”.

Δk(t)={qe dc+qe accos(ωet)}
・[(∂E_DCSMPL/∂z)
+(∂E_AC/∂z)cos(ωet)]
+{qm dc+qm accos(ωet)}
・[(∂H_DCSMPL/∂z)
+(∂H_AC/∂z)cos(ωmt)] (7)
E_DCSMPL:試料から発生する直流電場
E_AC:探針チップに印加する交流電場の振幅
ωe:交流電場E_ACの角周波数
e dc:試料から発生する直流電場E_DCSMPLにより探針チップに生じた直流電荷
e ac:交流電場E_ACにより探針チップに生じた交流電荷の振幅
H_DCSMPL:試料から発生する直流磁場
H_AC:探針チップに印加する交流磁場の振幅
ωe:交流磁場H_ACの角周波数
m dc:試料から発生する直流磁場H_DCSMPLにより探針チップに生じた直流磁極
m ac:交流磁場H_ACにより探針チップに生じた交流磁極の振幅
Δk (t) = {q e dc + q e ac cos (ω e t)}
・ [(∂E_DC SMPL / ∂z)
+ (∂E_AC / ∂z) cos (ω e t)]
+ {Q m dc + q m ac cos (ω e t)}
・ [(∂H_DC SMPL / ∂z)
+ (∂H_AC / ∂z) cos (ω m t)] (7)
E_DC SMPL : DC electric field generated from the sample E_AC: Amplitude of AC electric field applied to the probe tip ω e : Angular frequency of AC electric field E_AC q e dc : DC electric field generated on the probe tip by the DC electric field E_DC SMPL generated from the sample Charge q e ac : Amplitude of AC charge generated in probe tip by AC electric field E_AC H_DC SMPL : DC magnetic field generated from sample H_AC: Amplitude of AC magnetic field applied to probe tip ω e : Angular frequency of AC magnetic field H_AC q m dc : DC magnetic pole generated in the probe tip by the DC magnetic field H_DC SMPL generated from the sample q m ac : Amplitude of the AC magnetic pole generated in the probe tip by the AC magnetic field H_AC

外部から印加する交流電場E_ACおよび交流磁場H_ACが空間的に一様な場合、次の関係が成立する。
|∂E_AC/∂z|≪1
および、
|∂H_AC/∂z|≪1
このとき、探針チップの見かけ上のバネ定数Δk(t)は、式(8)で与えられる。
Δk(t)≒qe ac(∂E_DCSMPL/∂z)cos(ωet)
+qm ac(∂H_DCSMPL/∂z)cos(ωmt) (8)
When the AC electric field E_AC and the AC magnetic field H_AC applied from the outside are spatially uniform, the following relationship is established.
| ∂E_AC / ∂z | << 1
and,
| ∂H_AC / ∂z | << 1
At this time, the apparent spring constant Δk (t) of the probe tip is given by equation (8).
Δk (t) ≈q e ac (∂E_DC SMPL / ∂z) cos (ω e t)
+ Q m ac (∂H_DC SMPL / ∂z) cos (ω m t) (8)

したがって、Δk(t)のωe成分(すなわち式(6)の第1項)を検出すれば、(∂E_DCSMPL/∂z)(すなわち、試料の直流電場の勾配)を求めることができる。
また、Δk(t)のωm成分(すなわち式(6)の第2項)を検出すれば、(∂H_DCSMPL/∂z)(すなわち、試料の直流磁場の勾配)を求めることができる。
Therefore, (∂E_DC SMPL / す な わ ち z) (that is, the gradient of the DC electric field of the sample) can be obtained by detecting the ω e component of Δk (t) (that is, the first term of Equation (6)).
Further, by detecting the ω m component of Δk (t) (that is, the second term of Expression (6)), (∂H_DC SMPL / ∂z) (that is, the gradient of the DC magnetic field of the sample) can be obtained.

外部から印加する交流電場と交流磁場により、試料の直流電場の発生源である電荷あるいは電気分極、および試料の直流磁場の発生源である電流あるいは磁気モーメントが変化する場合には、試料からも交流電場と交流磁場が発生する。
以下の説明には、試料から発生する交流電場および交流磁場が、試料に印加する交流電場および交流磁場に対して飽和等で非線形に変化する場合も含まれる。
この場合、試料から発生する交流電場および交流磁場はフーリエ級数で式(9)のように展開できる。
E_ACSMPL(t)
=E_ACSMPL 1cos(ωet)
+E_ACSMPL 2cos(2ωet)
+E_ACSMPL 3cos(3ωet)
+・・・
H_ACSMPL(t)
=H_ACSMPL 1cos(ωet)
+H_ACSMPL 2cos(2ωet)
+H_ACSMPL 3cos(3ωet)
+・・・
(9)
When the electric charge or electric polarization that is the source of the DC electric field of the sample and the current or magnetic moment that is the source of the DC magnetic field of the sample change due to the AC electric field and AC magnetic field applied from the outside, the AC also from the sample An electric field and an alternating magnetic field are generated.
The following description includes a case where the AC electric field and AC magnetic field generated from the sample change nonlinearly with saturation or the like with respect to the AC electric field and AC magnetic field applied to the sample.
In this case, the alternating electric field and alternating magnetic field generated from the sample can be expanded as shown in Equation (9) by Fourier series.
E_AC SMPL (t)
= E_AC SMPL 1 cos (ω e t)
+ E_AC SMPL 2 cos (2ω e t)
+ E_AC SMPL 3 cos (3ω e t)
+ ...
H_AC SMPL (t)
= H_AC SMPL 1 cos (ω e t)
+ H_AC SMPL 2 cos (2ω e t)
+ H_AC SMPL 3 cos (3ω e t)
+ ...
(9)

このとき、探針チップの見かけ上のバネ定数Δk(t)は、式(10)で与えられる。
Δk(t)={qe dc+qe accos(ωet)}
・[(∂E_DCSMPL/∂z)
+(∂E_AC/∂z)cos(ωet)
+(∂E_ACSMPL 1/∂z)cos(ωet)
+(∂E_ACSMPL 2/∂z)cos(2ωet)
+(∂E_ACSMPL 3/∂z)cos(3ωet)
+・・・]
+{qm ac+qm accos(ωmt)}
・[(∂H_DCSMPL/∂z)
+(∂H_AC/∂z)cos(ωmt)
+(∂H_ACSMPL 1/∂z)cos(ωmt)
+(∂H_ACSMPL 2/∂z)cos(2ωmt)
+(∂H_ACSMPL 3/∂z)cos(3ωmt)
+・・・] (10)
At this time, the apparent spring constant Δk (t) of the probe tip is given by equation (10).
Δk (t) = {q e dc + q e ac cos (ω e t)}
・ [(∂E_DC SMPL / ∂z)
+ (∂E_AC / ∂z) cos (ω e t)
+ (∂E_AC SMPL 1 / ∂z) cos (ω e t)
+ (∂E_AC SMPL 2 / ∂z) cos (2ω e t)
+ (∂E_AC SMPL 3 / ∂z) cos (3ω e t)
+ ...]
+ {Q m ac + q m ac cos (ω m t)}
・ [(∂H_DC SMPL / ∂z)
+ (∂H_AC / ∂z) cos (ω m t)
+ (∂H_AC SMPL 1 / ∂z) cos (ω m t)
+ (∂H_AC SMPL 2 / ∂z) cos (2ω m t)
+ (∂H_AC SMPL 3 / ∂z) cos (3ω m t)
+ ...] (10)

外部から印加する交流電場E_ACおよび交流磁場H_ACが空間的に一様な場合、式(11a)及び(11b)の関係が成立する。
|∂E_AC/∂z|≪1 (11a)
|∂H_AC/∂z|≪1 (11b)
このとき、探針チップの見かけ上のバネ定数Δk(t)は、式(12)で与えられる。
Δk(t)
≒{qe ac(∂E_DCSMPL/∂z)
+qe dc(∂E_ACSMPL 1/∂z)
+(qe ac/2)(∂E_ACSMPL 1/∂z)}cos(ωet)
+{(qe ac/2)(∂E_ACSMPL 1/∂z)
+qe dc(∂E_ACSMPL 2/∂z)
+(qe ac/2)(∂E_ACSMPL 3/∂z)}cos(2ωet)
+{(qe ac/2)(∂E_ACSMPL 2/∂z)
+(qe dc/2)(∂E_ACSMPL 3/∂z)}cos(3ωet)
+{qm ac(∂H_DCSMPL/∂z)
+qm dc(∂H_ACSMPL 1/∂z)
+(qm ac/2)(∂H_ACSMPL 1/∂z)}cos(ωmt)
+{(qm ac/2)(∂H_ACSMPL 1/∂z)
+qm dc(∂H_ACSMPL 2/∂z)
+(qm ac/2)(∂H_ACSMPL 3/∂z)}cos(2ωmt)
+{(qm ac/2)(∂H_ACSMPL 2/∂z)
+(qm dc/2)(∂H_ACSMPL 3/∂z)}cos(3ωmt)
+・・・
(12)
ここで、電場と磁場とを分離して検出するために、印加する交流磁場の周波数ωmおよび印加する交流電場の周波数ωeには、異なる周波数を選択する。好ましくは、印加する交流磁場の周波数ωmは印加する交流電場の周波数ωeの整数倍ではなく、且つ、印加する交流電場の周波数ωeは印加する交流磁場の周波数ωmの整数倍ではないように、印加する交流磁場の周波数ωmおよび印加する交流電場の周波数ωeを選ぶ。すなわち、ωmおよびωeを、1以上のいかなる整数nについてもωm≠nωeかつnωm≠ωeを満たすように選ぶ。
When the AC electric field E_AC and the AC magnetic field H_AC applied from the outside are spatially uniform, the relationship of Expressions (11a) and (11b) is established.
| ∂E_AC / ∂z | << 1 (11a)
| ∂H_AC / ∂z | << 1 (11b)
At this time, the apparent spring constant Δk (t) of the probe tip is given by equation (12).
Δk (t)
≒ {q e ac (∂E_DC SMPL / ∂z)
+ Q e dc (∂E_AC SMPL 1 / ∂z)
+ (Q e ac / 2) (∂E_AC SMPL 1 / ∂z)} cos (ω e t)
+ {(Q e ac / 2) (∂E_AC SMPL 1 / ∂z)
+ Q e dc (∂E_AC SMPL 2 / ∂z)
+ (Q e ac / 2) (∂E_AC SMPL 3 / ∂z)} cos (2ω e t)
+ {(Q e ac / 2) (∂E_AC SMPL 2 / ∂z)
+ (Q e dc / 2) (∂E_AC SMPL 3 / ∂z)} cos (3ω e t)
+ {Q m ac (∂H_DC SMPL / ∂z)
+ Q m dc (∂H_AC SMPL 1 / ∂z)
+ (Q m ac / 2) (∂H_AC SMPL 1 / ∂z)} cos (ω m t)
+ {(Q m ac / 2) (∂H_AC SMPL 1 / ∂z)
+ Q m dc (∂H_AC SMPL 2 / ∂z)
+ (Q m ac / 2) (∂H_AC SMPL 3 / ∂z)} cos (2ω m t)
+ {(Q m ac / 2) (∂H_AC SMPL 2 / ∂z)
+ (Q m dc / 2) (∂H_AC SMPL 3 / ∂z)} cos (3ω m t)
+ ...
(12)
Here, in order to detect the electric field and the magnetic field separately, different frequencies are selected as the frequency ω m of the applied AC magnetic field and the frequency ω e of the applied AC electric field. Preferably, the frequency omega m of the alternating magnetic field to be applied is not an integer multiple of the frequency omega e of the alternating field applied, and the frequency omega e of the alternating field applied is not an integer multiple of the frequency omega m of the alternating magnetic field applied Thus, the frequency ω m of the applied AC magnetic field and the frequency ω e of the applied AC electric field are selected. That is, ω m and ω e are selected so that ω m ≠ nω e and nω m ≠ ω e for any integer n greater than or equal to 1.

以上より、外部から印加する交流電場と交流磁場により、試料から交流電場と交流磁場が発生する場合には、Δk(t)に、2ωe成分以上の高次項、および2ωm成分以上の高次項が発生することがわかる。
したがって、Δk(t)の2ωe成分以上の高次項、および2ωm成分以上の高次項の存在により、試料から発生する交流電場の勾配および交流磁場の勾配の大きさや線形性を評価することができる。なお実際上は、Δk(t)のNωe成分およびNωm成分(いずれもNは2以上の整数)の強度は、次数Nが増大するにつれて急激に減少する。
ただし、試料が強誘電性・強磁性共存物質等の、電気分極と磁気モーメントが相互作用により強く結合している物質の場合には、交流電場(角周波数ωe)による電気分極の変化と交流磁場(角周波数ωm)による磁気モーメントの変化が競合し、これらの内、相互作用が強い方の角周波数で、電気分極と磁気モーメントが変化することになる。
From the above, when an AC electric field and an AC magnetic field are generated from a sample by an AC electric field and an AC magnetic field applied from the outside, Δk (t) has a higher-order term of 2ω e component or higher and a higher-order term of 2ω m component or higher. It turns out that occurs.
Accordingly, it is possible to evaluate the magnitude and linearity of the gradient of the AC electric field generated from the sample and the gradient of the AC magnetic field due to the presence of the higher-order term of Δk (t) higher than the 2ω e component and the higher-order term higher than 2ω m component. it can. Incidentally practice, the strength of Enuomega e component and Enuomega m components (both N is an integer of 2 or more) of .DELTA.k (t) decreases rapidly as the order N is increased.
However, if the sample is a substance in which electrical polarization and magnetic moment are strongly coupled by interaction, such as a ferroelectric / ferromagnetic coexisting substance, the change in electrical polarization due to the alternating electric field (angular frequency ω e ) and alternating current Changes in the magnetic moment due to the magnetic field (angular frequency ω m ) compete, and among these, the electric polarization and the magnetic moment change at the angular frequency with the stronger interaction.

図6は本発明の電気力/磁気力顕微鏡の一実施形態を示す説明図である。
図6において、電気力/磁気力顕微鏡1は、探針部材11、探針励振部12、交流電場印加部131、交流磁場印加部132、交流電場駆動部141、交流磁場駆動部142、探針振動検出部15、探針走査部16、復調部17、電場測定部181、磁場測定部182および測定結果出力部19とを有している。
なお、本実施形態では、探針部材11、試料SMPL、交流電場印加部131、交流磁場印加部132等は、説明の便宜上、実際のサイズとは異なるように記載してある。
FIG. 6 is an explanatory view showing an embodiment of the electric force / magnetic force microscope of the present invention.
6, the electric force / magnetic force microscope 1 includes a probe member 11, a probe excitation unit 12, an AC electric field application unit 131, an AC magnetic field application unit 132, an AC electric field drive unit 141, an AC magnetic field drive unit 142, and a probe. The vibration detection unit 15, the probe scanning unit 16, the demodulation unit 17, the electric field measurement unit 181, the magnetic field measurement unit 182, and the measurement result output unit 19 are included.
In the present embodiment, the probe member 11, the sample SMPL, the AC electric field application unit 131, the AC magnetic field application unit 132, and the like are described so as to be different from the actual size for convenience of explanation.

探針部材11は、先端にソフト磁性探針112を有している。ソフト磁性探針112は、導電性を有するソフト磁性体薄膜が表面に形成された探針チップである。
探針部材11は、シリコンにより構成されたカンチレバーを母材として作製され、アーム111の先端に、表面にソフト磁性体薄膜(後述する、図7の符号113参照)が形成された円錐形の探針チップ(ソフト磁性探針112)が備えられている。ソフト磁性体薄膜113を構成するソフト磁性体としては、たとえば、Fe−Co、Fe−Co−B、パーマロイ(Ni−Fe)、Co−Zr−Nb等を好ましく採用できる。
探針励振部12は、探針部材11を励振させることができる。探針励振部12は、交流電源121と、探針部材11に振動を与える圧電素子122とからなる。
The probe member 11 has a soft magnetic probe 112 at the tip. The soft magnetic probe 112 is a probe tip on which a conductive soft magnetic thin film is formed.
The probe member 11 is manufactured using a cantilever made of silicon as a base material, and a conical probe having a soft magnetic thin film (see reference numeral 113 in FIG. A needle tip (soft magnetic probe 112) is provided. As the soft magnetic material constituting the soft magnetic thin film 113, for example, Fe—Co, Fe—Co—B, permalloy (Ni—Fe), Co—Zr—Nb and the like can be preferably employed.
The probe excitation unit 12 can excite the probe member 11. The probe excitation unit 12 includes an AC power source 121 and a piezoelectric element 122 that applies vibration to the probe member 11.

交流電場印加部131は、交流電場E_ACを発生し、交流電場E_ACがソフト磁性探針112に印加される。ソフト磁性探針112は導電性を有するので、静電誘導によりソフト磁性探針112の表面(ソフト磁性体薄膜113)に交流電荷が発生する。
交流磁場印加部132は、交流磁場H_ACを発生し、交流磁場H_ACがソフト磁性探針112に印加される。ソフト磁性探針112はソフト磁性を有するので、ソフト磁性探針112の表面に交流磁極が発生する。
交流電場印加部131は、板状または薄膜状の電極であり、試料台を兼ねることもできる。電極は、導電性の材料(Al,Au,Pt,Ta等の非磁性体金属、Ni,Co,Fe,パーマロイ等の高透磁率を有する合金,等の強磁性体金属、あるいはこれらの積層体)から構成することができる。なお、試料SMPLが、導電性を有する場合には、試料SMPL自体を電極とすることができる。また,試料SMPLが、導電性の下地層を有する場合には、下地層を電極とすることができる。通常、導電性を有するソフト磁性探針112は接地されており(後述する図6の「GND」参照)、交流電場印加部131とソフト磁性探針112間に交流電場が発生する。
交流磁場印加部132は、交流電流ACにより駆動される交流コイルからなり、交流電場印加部131は、交流磁場印加部132の中央に配置することができる。
The AC electric field application unit 131 generates an AC electric field E_AC, and the AC electric field E_AC is applied to the soft magnetic probe 112. Since the soft magnetic probe 112 has conductivity, an alternating charge is generated on the surface of the soft magnetic probe 112 (soft magnetic thin film 113) by electrostatic induction.
The AC magnetic field application unit 132 generates an AC magnetic field H_AC, and the AC magnetic field H_AC is applied to the soft magnetic probe 112. Since the soft magnetic probe 112 has soft magnetism, an AC magnetic pole is generated on the surface of the soft magnetic probe 112.
The AC electric field application unit 131 is a plate-like or thin-film electrode, and can also serve as a sample stage. The electrode is made of a conductive material (nonmagnetic metal such as Al, Au, Pt, Ta, etc., ferromagnetic metal such as an alloy having high magnetic permeability such as Ni, Co, Fe, permalloy, or a laminate thereof. ). Note that when the sample SMPL has conductivity, the sample SMPL itself can be used as an electrode. Further, when the sample SMPL has a conductive underlayer, the underlayer can be used as an electrode. Normally, the soft magnetic probe 112 having conductivity is grounded (see “GND” in FIG. 6 described later), and an AC electric field is generated between the AC electric field applying unit 131 and the soft magnetic probe 112.
The AC magnetic field application unit 132 includes an AC coil driven by an AC current AC, and the AC electric field application unit 131 can be disposed at the center of the AC magnetic field application unit 132.

交流電場駆動部141は、角周波数ωeの駆動電圧を出力する交流電源であり交流電場印加部131を駆動する。
交流磁場駆動部142は、角周波数ωmの駆動電流を出力する交流電源であり交流磁場印加部132を駆動する。
ωmおよびωeは互いに異なる周波数である。ωmおよびωeは、いかなる自然数n(n≧1)についてもωm≠nωeかつnωm≠ωeをみたしていることが好ましく、これにより試料から発生する直流磁場の測定に際して電場由来の成分を分離して測定することができ、且つ、試料から発生する直流電場の測定に際して磁場由来の成分を分離して測定することができる。
The AC electric field driving unit 141 is an AC power source that outputs a driving voltage having an angular frequency ω e and drives the AC electric field applying unit 131.
The AC magnetic field driving unit 142 is an AC power source that outputs a driving current having an angular frequency ω m and drives the AC magnetic field applying unit 132.
ω m and ω e are different frequencies. omega m and omega e, it is preferable that satisfies even ω m ≠ nω e and nω mω e for any natural number n (n ≧ 1), thereby the electric field derived for the measurement of the DC magnetic field generated from the sample Can be measured separately, and the component derived from the magnetic field can be separated and measured when measuring the DC electric field generated from the sample.

図7に、交流電場駆動部141が発生する交流電場E_ACと、交流磁場駆動部142が発生する交流磁場H_ACと、試料SMPLから発生する電場(図7のESMPL参照)と、試料SMPLから発生する磁場(図7のHSMPL参照)との関係を示す。FIG. 7 shows the AC electric field E_AC generated by the AC electric field driving unit 141, the AC magnetic field H_AC generated by the AC magnetic field driving unit 142, the electric field generated from the sample SMPL (see E SMPL in FIG. 7), and the sample SMPL. The relationship with the magnetic field (refer to HSMPL in FIG. 7) is shown.

探針振動検出部15は、探針部材11の振動(すなわち、ソフト磁性探針112の振動)を検出し振動検出信号VIBを生成する。
探針振動検出部15は、レーザ(LSR)151とフォトディテクタ(PD)152とを有している。ソフト磁性探針112の先端上面には反射ミラーが形成されている。LSR151から出射されたレーザビームLBは探針部材11の先端上面で反射されてPD152に入射される。
探針走査部16は、ソフト磁性探針112が試料SMPLの表面を走査できるように、探針部材11を空間駆動(XY駆動)する。図6では、試料SMPLがセットされたステージSTGを移動させることで、ソフト磁性探針112により試料SMPLの表面を走査する例を示しているが、ソフト磁性探針112を試料SMPLに対して相対的に移動させることで、ソフト磁性探針112により試料SMPLの上面を走査することもできる。
The probe vibration detection unit 15 detects the vibration of the probe member 11 (that is, the vibration of the soft magnetic probe 112) and generates a vibration detection signal VIB.
The probe vibration detection unit 15 includes a laser (LSR) 151 and a photo detector (PD) 152. A reflection mirror is formed on the top surface of the tip of the soft magnetic probe 112. The laser beam LB emitted from the LSR 151 is reflected by the top surface of the tip of the probe member 11 and enters the PD 152.
The probe scanning unit 16 drives the probe member 11 in space (XY drive) so that the soft magnetic probe 112 can scan the surface of the sample SMPL. FIG. 6 shows an example in which the surface of the sample SMPL is scanned by the soft magnetic probe 112 by moving the stage STG on which the sample SMPL is set, but the soft magnetic probe 112 is relative to the sample SMPL. Therefore, the upper surface of the sample SMPL can be scanned by the soft magnetic probe 112.

復調部17は、探針振動検出部15により検出された振動検出信号VIBを取得し復調信号を出力する。
本実施形態では、振動検出信号VIBの変調成分の分離にはPLL(Phase Locked Loop)回路が使用されている。図6では、復調部17の出力信号をEF/HFで示す。
The demodulator 17 acquires the vibration detection signal VIB detected by the probe vibration detector 15 and outputs a demodulated signal.
In the present embodiment, a PLL (Phase Locked Loop) circuit is used for separating the modulation component of the vibration detection signal VIB. In FIG. 6, the output signal of the demodulator 17 is indicated by EF / HF.

電場測定部181は、復調部17からの復調信号に基づき、試料SMPLの表面の電場勾配(電気特性)を測定する。本実施形態では電場測定部181はロックインアンプであり、復調信号の強度REおよび位相θEの組、または復調信号の同相信号XEおよび直交信号YEの組を検出することで、試料SMPLの表面の電場勾配(電気特性)を測定することができる。
磁場測定部182は、復調部17からの復調信号に基づき、試料SMPLの表面の磁場勾配(磁気特性)を測定する。本実施形態では磁場測定部182はロックインアンプであり、復調信号の強度RHおよび位相θHの組、または復調信号の同相信号XHおよび直交信号YHの組を検出することで、試料SMPLの表面の磁場勾配(磁気特性)を測定することができる。
The electric field measuring unit 181 measures the electric field gradient (electric characteristic) on the surface of the sample SMPL based on the demodulated signal from the demodulating unit 17. In the present embodiment, the electric field measuring unit 181 is a lock-in amplifier, and by detecting a set of the demodulated signal intensity R E and the phase θ E or a set of the in-phase signal X E and the quadrature signal Y E of the demodulated signal, The electric field gradient (electric property) on the surface of the sample SMPL can be measured.
The magnetic field measurement unit 182 measures the magnetic field gradient (magnetic property) on the surface of the sample SMPL based on the demodulated signal from the demodulation unit 17. Magnetic field measuring unit 182 in the present embodiment is a lock-in amplifier and detecting the set of in-phase signal X H and the quadrature signal Y H of the intensity R H and the phase theta H sets or demodulated signal, the demodulated signal, The magnetic field gradient (magnetic property) on the surface of the sample SMPL can be measured.

測定結果出力部19は、電場測定部181により測定された電場勾配(電気特性)を画像化することができ、磁場測定部182により測定された磁場勾配(磁気特性)を画像化することができる。   The measurement result output unit 19 can image the electric field gradient (electric characteristic) measured by the electric field measurement unit 181, and can image the magnetic field gradient (magnetic characteristic) measured by the magnetic field measurement unit 182. .

以上のように、本実施形態では、電気力/磁気力顕微鏡1は、励振しているソフト磁性探針112に、周波数が異なる交流電場E_ACと交流磁場H_ACとを印加し、ソフト磁性探針112により試料SMPLの表面を走査し、ソフト磁性探針112の振動を検出する。
試料SMPLが、交流電場E_ACと交流磁場H_ACの印加により、交流電場および交流磁場を発生しない場合には、試料SMPLの表面の直流電場E_DCSMPLおよび直流磁場H_DCSMPLを同時に測定することができる。
また、試料SMPLが、交流電場E_ACと交流磁場H_ACの印加により、交流電場および交流磁場を発生する場合には、試料SMPLから発生する交流電場E_ACSMPLの勾配および交流磁場H_ACSMPLの勾配の、大きさや線形性も評価することができる。
As described above, in the present embodiment, the electric force / magnetic force microscope 1 applies the alternating electric field E_AC and the alternating magnetic field H_AC having different frequencies to the excited soft magnetic probe 112, and the soft magnetic probe 112. By scanning the surface of the sample SMPL, the vibration of the soft magnetic probe 112 is detected.
Sample SMPL is by application of the alternating electric field E_AC the alternating magnetic field H_AC, when not generating an alternating electric field and an AC magnetic field can be measured DC field E_DC SMPL and DC magnetic field H_DC SMPL of the surface of the sample SMPL simultaneously.
When the sample SMPL generates an AC electric field and an AC magnetic field by applying the AC electric field E_AC and the AC magnetic field H_AC, the gradient of the AC electric field E_AC SMPL generated from the sample SMPL and the gradient of the AC magnetic field H_AC SMPL are large. Sheath linearity can also be evaluated.

図8は、図6に示した電気力/磁気力顕微鏡1を用いた本発明の電場・磁場同時測定方法の処理を示すフローチャートである。   FIG. 8 is a flowchart showing the process of the electric field / magnetic field simultaneous measurement method of the present invention using the electric force / magnetic force microscope 1 shown in FIG.

探針励振ステップS110: 探針励振部12により、アーム111の先端に設けられた導電性を有するソフト磁性探針112(導電性を有するソフト磁性体薄膜が表面に形成された探針チップ)を励振させる。   Probe Excitation Step S110: Conductive soft magnetic probe 112 (probe tip having a conductive soft magnetic thin film formed on the surface) provided at the tip of arm 111 by probe excitation unit 12 is used. Excited.

交流電場/交流磁場印加ステップS120: 交流電場印加部131および交流磁場印加部132により、周波数が異なる交流電場E_ACと交流磁場H_ACとをソフト磁性探針112に印加し、探針部材11の振動(ソフト磁性探針112の振動)に、変調を生じさせる。   AC electric field / AC magnetic field applying step S120: The AC electric field applying unit 131 and the AC magnetic field applying unit 132 apply the AC electric field E_AC and the AC magnetic field H_AC having different frequencies to the soft magnetic probe 112, and the probe member 11 vibrates ( The vibration of the soft magnetic probe 112 is modulated.

探針振動検出ステップS130: 探針部材11の振動(ソフト磁性探針112の振動)を検出し振動検出信号VIBを生成する。   Probe vibration detection step S130: The vibration of the probe member 11 (vibration of the soft magnetic probe 112) is detected to generate a vibration detection signal VIB.

復調ステップS140: 探針振動検出ステップS130において検出された振動検出信号VIBを用いて、試料SMPLとソフト磁性探針112との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調(抽出)する。   Demodulation step S140: Using the vibration detection signal VIB detected in the probe vibration detection step S130, the AC electric force and AC magnetic force generated between the sample SMPL and the soft magnetic probe 112 are demodulated (extracted).

電場測定ステップ151: 復調ステップS140において復調した信号(復調信号)に基づき、試料SMPLの表面の電場勾配(電気特性)を測定する。
磁場測定ステップ152: 復調ステップS140において復調した信号(復調信号)に基づき、試料SMPLの表面の磁場勾配(磁気特性)を測定する。
なお、電場測定ステップ151は、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップとを含むことができ、磁場測定ステップ152は、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップとを含むことができる。
また、電場測定ステップ151は、交流電気力測定ステップと交流電場測定ステップとを含むことができ、磁場測定ステップ152は、交流磁気力測定ステップと交流磁場測定ステップとを含むことができる。
さらに、電場測定ステップ151は、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップと交流電場測定ステップとを含むことができ、磁場測定ステップ152は、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップと交流磁場測定ステップとを含むことができる。
Electric field measurement step 151: Based on the signal (demodulation signal) demodulated in the demodulation step S140, the electric field gradient (electrical characteristic) on the surface of the sample SMPL is measured.
Magnetic field measurement step 152: Based on the signal (demodulation signal) demodulated in the demodulation step S140, the magnetic field gradient (magnetic characteristic) of the surface of the sample SMPL is measured.
The electric field measurement step 151 can include an AC electric force measurement step and a DC electric field measurement step, and the magnetic field measurement step 152 can include an AC magnetic force measurement step and a DC magnetic field measurement step.
The electric field measurement step 151 can include an AC electric force measurement step and an AC electric field measurement step, and the magnetic field measurement step 152 can include an AC magnetic force measurement step and an AC magnetic field measurement step.
Further, the electric field measurement step 151 can include an AC electric force measurement step, a DC electric field measurement step, and an AC electric field measurement step, and the magnetic field measurement step 152 includes an AC magnetic force measurement step, a DC magnetic field measurement step, and an AC magnetic field measurement. Steps.

データ蓄積ステップ160: 電場測定ステップ151および磁場測定ステップ152において測定されたデータを、測定結果出力部19に含まれる記憶装置191に記憶する。   Data accumulation step 160: The data measured in the electric field measurement step 151 and the magnetic field measurement step 152 are stored in the storage device 191 included in the measurement result output unit 19.

走査続行判断ステップ170: S130〜S160の処理の後、試料SMPLの表面の他の場所について、電場勾配(電気特性)および磁場勾配(磁気特性)の測定を行うかを判断する(すなわち、走査を続行するか終了するかを判断する。)。他の場所について測定を行う場合には、処理をS130に戻し、測定を終了する場合には、処理をS180に進める。
このようにして、ソフト磁性探針112を走査(XY駆動)して、多数の観察点(観察場所)について電場勾配(電気特性)および磁場勾配(磁気特性)の測定が行われる。
Scan Continuation Determination Step 170: After the processing of S130 to S160, it is determined whether to measure the electric field gradient (electric property) and the magnetic field gradient (magnetic property) at other locations on the surface of the sample SMPL (that is, scan is performed). Determine whether to continue or finish.) If measurement is to be performed for another location, the process returns to S130, and if the measurement is to be terminated, the process proceeds to S180.
In this way, the soft magnetic probe 112 is scanned (XY drive), and the electric field gradient (electrical characteristic) and magnetic field gradient (magnetic characteristic) are measured at a large number of observation points (observation places).

測定結果出力ステップ180: 測定結果出力部19により、測定された電場勾配(電気特性)および磁場勾配(磁気特性)を画像化して出力する。   Measurement result output step 180: The measurement result output unit 19 images and outputs the measured electric field gradient (electrical characteristic) and magnetic field gradient (magnetic characteristic).

以上のようにして、励振しているソフト磁性探針112により試料SMPLの表面を走査し、ソフト磁性探針112の振動を検出することで、試料SMPLの表面の直流電場E_DCSMPL及び直流磁場H_DCSMPLを同時に測定すること、交流電場E_ACSMPL及び交流磁場H_ACSMPLを同時に測定すること、または、直流電場E_DCSMPL、直流磁場H_DCSMPL、交流電場E_ACSMPL、及び交流磁場H_ACSMPLを同時に測定することができる。As described above, the surface of the sample SMPL is scanned by the excited soft magnetic probe 112 and the vibration of the soft magnetic probe 112 is detected, so that the DC electric field E_DC SMPL and the DC magnetic field H_DC on the surface of the sample SMPL are detected. Measuring SMPL simultaneously, measuring AC electric field E_AC SMPL and AC magnetic field H_AC SMPL simultaneously, or measuring DC electric field E_DC SMPL , DC magnetic field H_DC SMPL , AC electric field E_AC SMPL , and AC magnetic field H_AC SMPL simultaneously it can.

本発明に関する上記説明では、試料SMPLに印加する外部磁場が交流磁場H_ACである形態の電気力/磁気力顕微鏡1、及びこれを用いた電場/磁場同時測定方法を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、試料から発生する直流磁場によってソフト磁性探針の磁化が飽和するために磁場検出感度が低下し、磁場測定が困難になるような場合には、交流磁場だけでなく、試料から発生する直流磁場とは逆の方向を有する空間的に一様な直流磁場をソフト磁性探針に印加することで、ソフト磁性探針の磁化の飽和を防止する形態の電気力/磁気力顕微鏡および電場/磁場同時測定方法とすることも可能である。   In the above description regarding the present invention, the electric force / magnetic force microscope 1 in the form in which the external magnetic field applied to the sample SMPL is the alternating magnetic field H_AC and the electric field / magnetic field simultaneous measurement method using the electric force / magnetic force microscope 1 are exemplified. The form is not limited. For example, when the magnetic field detection sensitivity is reduced due to saturation of the soft magnetic probe magnetization caused by the DC magnetic field generated from the sample, it becomes difficult to measure the magnetic field. An electric / magnetic force microscope and an electric / magnetic field in a form that prevents saturation of the magnetization of the soft magnetic probe by applying a spatially uniform DC magnetic field having a direction opposite to the magnetic field to the soft magnetic probe. A simultaneous measurement method can also be used.

以下の条件・構成で電気力/磁気力顕微鏡1により、本発明の効果の検証を行った。
試料SMPL: SiO2基板上に、Ta/Pt/(Bi0.6Ba0.4)FeO3の薄膜を形成した。Ta/Ptが交流電場印加部131として機能する。
本試料SMPLは、外部からの交流電場および交流磁場の印加により、交流電場および交流磁場を発生させない。したがって本試料SMPLにおいては、電場測定部は直流電場測定部として動作し、磁場測定部は直流磁場測定部として動作する。
ソフト磁性探針(探針チップ)112: Co‐Zr‐Nbのソフト磁性体を、探針部材11の先端の円錐形のSiO2の表面に、膜厚30nmで形成することにより構成した。
バイアス電圧VBIAS:試料SMPLの3×3μmの領域にDC12Vを与え、走査領域の中央の1×1μmの領域に−12Vを与えた。これにより、電場書き込みによって長方形領域に電気的分域と磁気的分域(磁区)を形成した。
交流電場E_AC:周波数300Hz(fe)、ピーク間の電圧0.2V(振幅0.2Vp−p)の交流電場をソフト磁性探針112と交流電場印加部131との間に発生させた。
交流磁場H_AC:周波数78Hz(fm)、強度200Oeの交流磁場を交流磁場印加部132から発生させた。
なお、試料の電気分極モーメントおよび磁気モーメントは試料面に垂直方向(上向き、下向き)の成分を有する。
The effect of the present invention was verified with the electric force / magnetic force microscope 1 under the following conditions and configuration.
Sample SMPL: A thin film of Ta / Pt / (Bi 0.6 Ba 0.4 ) FeO 3 was formed on a SiO 2 substrate. Ta / Pt functions as the AC electric field applying unit 131.
This sample SMPL does not generate an AC electric field and an AC magnetic field by applying an AC electric field and an AC magnetic field from the outside. Therefore, in this sample SMPL, the electric field measurement unit operates as a DC electric field measurement unit, and the magnetic field measurement unit operates as a DC magnetic field measurement unit.
Soft magnetic probe (probe tip) 112: A Co—Zr—Nb soft magnetic material was formed on the surface of the conical SiO 2 at the tip of the probe member 11 with a film thickness of 30 nm.
Bias voltage V BIAS : DC12V was applied to the 3 × 3 μm region of the sample SMPL, and −12V was applied to the 1 × 1 μm region in the center of the scanning region. Thereby, an electric domain and a magnetic domain (magnetic domain) were formed in the rectangular area by electric field writing.
AC electric field E_AC: An AC electric field having a frequency of 300 Hz (f e ) and a peak-to-peak voltage of 0.2 V (amplitude 0.2 V p-p ) was generated between the soft magnetic probe 112 and the AC electric field applying unit 131.
AC magnetic field H_AC: An AC magnetic field having a frequency of 78 Hz (f m ) and an intensity of 200 Oe was generated from the AC magnetic field application unit 132.
Note that the electric polarization moment and magnetic moment of the sample have components in the direction perpendicular to the sample surface (upward and downward).

以上の条件・構成の下、探針走査部16により、3×3μmの領域を走査し、測定結果出力部19により画像を作成した。
図9に測定結果出力部19により出力された画像を示す。
測定結果出力部19による直流電場E_DCSMPLの出力結果を図9(A),(B)に示す。図9(A)は電場測定部181の振幅出力から作成した画像であり、図9(B)は電場測定部181の位相角出力から作成した画像である。
測定結果出力部19による直流磁場H_DCSMPLの出力結果を図9(C),(D)に示す。図9(C)は磁場測定部182の振幅出力から作成した画像であり、図9(D)は磁場測定部182の位相角出力から作成した画像である。
図9(E)は図9(A)の切断ラインL1における電場測定部182の振幅出力信号を示す図であり、図9(F)は図9(B)の切断ラインL2における電場測定部181の位相角出力信号を示す図である。
図9(G)は図9(C)の切断ラインL3における磁場測定部182の振幅出力信号を示す図であり、図9(H)は図9(D)の切断ラインL4における磁場測定部182の位相角出力信号を示す図である。
Under the above conditions and configuration, the probe scanning unit 16 scanned a 3 × 3 μm region, and the measurement result output unit 19 created an image.
FIG. 9 shows an image output by the measurement result output unit 19.
The output result of the DC electric field E_DC SMPL by the measurement result output unit 19 is shown in FIGS. 9A is an image created from the amplitude output of the electric field measurement unit 181, and FIG. 9B is an image created from the phase angle output of the electric field measurement unit 181.
The output result of the direct-current magnetic field H_DC SMPL by the measurement result output unit 19 is shown in FIGS. FIG. 9C is an image created from the amplitude output of the magnetic field measurement unit 182, and FIG. 9D is an image created from the phase angle output of the magnetic field measurement unit 182.
FIG. 9E is a diagram showing an amplitude output signal of the electric field measuring unit 182 in the cutting line L1 in FIG. 9A, and FIG. 9F is an electric field measuring unit 181 in the cutting line L2 in FIG. 9B. It is a figure which shows the phase angle output signal of.
9G is a diagram showing an amplitude output signal of the magnetic field measurement unit 182 in the cutting line L3 in FIG. 9C, and FIG. 9H is a magnetic field measurement unit 182 in the cutting line L4 in FIG. 9D. It is a figure which shows the phase angle output signal of.

図9(A),図9(C)の強度像、および図9(E),図9(G)の振幅出力信号のラインプロファイルでは、書き込み領域の境界で信号強度が極小となっており、書込み領域の境界における場の方向は概ね試料面に対して平行な方向になっていることがわかる。
図9(B),図9(D)の位相像、および図9(F),図9(H)の位相角出力信号のラインプロファイルでは、書き込み領域の境界で位相が反転(位相角が180度変化)しており、場の垂直成分が書込み領域の境界で上向きから下向きに変化していることがわかる。
以上の結果より、本発明によれば、電場と磁場の同時イメージングが実現できていることがわかる。
In the intensity images of FIGS. 9A and 9C and the line profile of the amplitude output signal of FIGS. 9E and 9G, the signal intensity is minimal at the boundary of the writing area. It can be seen that the direction of the field at the boundary of the writing region is substantially parallel to the sample surface.
In the phase images of FIGS. 9B and 9D and the line profile of the phase angle output signal of FIGS. 9F and 9H, the phase is inverted at the boundary of the writing area (the phase angle is 180). It can be seen that the vertical component of the field changes from upward to downward at the boundary of the writing area.
From the above results, it can be seen that according to the present invention, simultaneous imaging of an electric field and a magnetic field can be realized.

1 電気力/磁気力顕微鏡
11 探針部材
111 アーム
112 ソフト磁性探針
113 ソフト磁性体薄膜
12 探針励振部
121 交流電源
122 圧電素子
131 交流電場印加部
132 交流磁場印加部
141 交流電場駆動部
142 交流磁場駆動部
15 探針振動検出部
151 LSR(レーザ)
152 PD(フォトディテクタ)
16 探針走査部
17 復調部
181 電場測定部
1811 交流電気力測定部
1812 直流電場測定部
1813 交流電場測定部
182 磁場測定部
1821 交流磁気力測定部
1822 直流磁場測定部
1823 交流磁場測定部
19 測定結果出力部
191 記憶装置
811 探針チップ
82 試料
84 コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric force / Magnetic force microscope 11 Probe member 111 Arm 112 Soft magnetic probe 113 Soft magnetic thin film 12 Probe excitation part 121 AC power supply 122 Piezoelectric element 131 AC electric field application part 132 AC magnetic field application part 141 AC electric field drive part 142 AC magnetic field drive unit 15 Probe vibration detection unit 151 LSR (laser)
152 PD (Photodetector)
16 Probe scanning unit 17 Demodulating unit 181 Electric field measuring unit 1811 AC electric force measuring unit 1812 DC electric field measuring unit 1813 AC electric field measuring unit 182 Magnetic field measuring unit 1821 AC magnetic force measuring unit 1822 DC magnetic field measuring unit 1823 AC magnetic field measuring unit 19 measurement Result output unit 191 Storage device 811 Probe tip 82 Sample 84 Coil

Claims (10)

励振している探針部材の先端に設けた導電性のソフト磁性探針に周波数が異なる交流電場と交流磁場とを印加し、前記ソフト磁性探針により試料を走査し、前記探針部材の振動を検出することで、前記試料から発生する電場と磁場とを同時に測定する電気力/磁気力顕微鏡であって、
前記探針部材と、
前記探針部材を励振させる探針励振部と、
前記交流電場を発生し当該交流電場を前記ソフト磁性探針に印加する交流電場印加部と、
前記交流磁場を発生し当該交流磁場を前記ソフト磁性探針に印加する交流磁場印加部と、
前記交流電場印加部を駆動する交流電場駆動部と、
前記交流磁場印加部を駆動する交流磁場駆動部と、
前記探針部材の振動を検出し、振動検出信号を生成する探針振動検出部と、
前記ソフト磁性探針により前記試料を走査するために、前記探針部材を空間駆動する探針走査部と、
前記振動検出信号を取得し、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調する復調部と、
前記復調部により復調された前記交流電気力を用いて、前記試料から発生する前記電場を測定する電場測定部と、
前記復調部により復調された前記交流磁気力を用いて、前記試料から発生する前記磁場を測定する磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力/磁気力顕微鏡。
An AC electric field and an AC magnetic field having different frequencies are applied to a conductive soft magnetic probe provided at the tip of an excited probe member, the sample is scanned by the soft magnetic probe, and the probe member is vibrated. An electric force / magnetic force microscope that simultaneously measures an electric field and a magnetic field generated from the sample by detecting
The probe member;
A probe exciter for exciting the probe member;
An alternating electric field application unit that generates the alternating electric field and applies the alternating electric field to the soft magnetic probe;
An alternating magnetic field application unit that generates the alternating magnetic field and applies the alternating magnetic field to the soft magnetic probe;
An AC electric field driving unit for driving the AC electric field applying unit;
An alternating magnetic field drive unit for driving the alternating magnetic field application unit;
A probe vibration detector that detects vibration of the probe member and generates a vibration detection signal;
A probe scanning unit that spatially drives the probe member to scan the sample with the soft magnetic probe;
A demodulator that acquires the vibration detection signal and demodulates an alternating current electric force and an alternating magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe;
An electric field measurement unit that measures the electric field generated from the sample using the alternating current electric power demodulated by the demodulation unit;
A magnetic field measurement unit for measuring the magnetic field generated from the sample using the alternating magnetic force demodulated by the demodulation unit;
An electric / magnetic force microscope characterized by comprising:
試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場とを同時に測定するための請求項1に記載の電気力/磁気力顕微鏡であって、
前記電場測定部は、
前記試料と前記導電性のソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定部と、
を備え、
前記磁場測定部は、
前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力/磁気力顕微鏡。
The electric / magnetic force microscope according to claim 1, for simultaneously measuring a DC electric field and a DC magnetic field generated from a sample which do not change with time,
The electric field measuring unit is
An AC electric force measurement unit that measures the AC electric force generated between the sample and the conductive soft magnetic probe;
By measuring a frequency component equal to the frequency of the AC electric field applied by the AC electric field applying unit from the AC electric force measured by the AC electric force measuring unit, the DC electric field that does not change over time generated from the sample is measured. A direct current electric field measuring unit,
With
The magnetic field measurement unit includes:
An AC magnetic force measurement unit that measures the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe;
The time-varying DC magnetic field generated from the sample is measured by extracting a frequency component equal to the frequency of the AC magnetic field applied by the AC magnetic field application unit from the AC magnetic force measured by the AC magnetic force measurement unit. A direct current magnetic field measurement unit,
An electric / magnetic force microscope characterized by comprising:
試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場とを同時に測定するための請求項1に記載の電気力/磁気力顕微鏡であって、
前記電場測定部は、
前記試料と前記導電性のソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定部と、
を備え、
前記磁場測定部は、
前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する交流磁気力測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力/磁気力顕微鏡。
The electric / magnetic force microscope according to claim 1, for simultaneously measuring a periodic time-varying alternating electric field and alternating magnetic field generated from a sample,
The electric field measuring unit is
An AC electric force measurement unit that measures the AC electric force generated between the sample and the conductive soft magnetic probe;
By extracting a frequency component more than twice the frequency of the AC electric field applied by the AC electric field applying unit from the AC electric force measured by the AC electric force measuring unit, the time variation generated periodically from the sample is changed. An alternating electric field measuring unit for measuring the alternating electric field;
With
The magnetic field measurement unit includes:
An AC magnetic force measurement unit that measures an AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe;
By extracting a frequency component that is twice or more the frequency of the AC magnetic field applied by the AC magnetic field application unit from the AC magnetic force measured by the AC magnetic force measurement unit, the time variation generated periodically from the sample is changed. An alternating magnetic field measurement unit for measuring the alternating magnetic field;
An electric / magnetic force microscope characterized by comprising:
試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場、および前記試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場を同時に測定するための請求項1に記載の電気力/磁気力顕微鏡であって、
前記電場測定部は、
前記試料と前記導電性のソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定部と、
を備え、
前記磁場測定部は、
前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力/磁気力顕微鏡。
The electric force / magnetic force microscope according to claim 1 for simultaneously measuring a DC electric field and a DC magnetic field generated from a sample that do not change with time, and an AC electric field and an AC magnetic field generated from the sample that change periodically with time. And
The electric field measuring unit is
An AC electric force measurement unit that measures the AC electric force generated between the sample and the conductive soft magnetic probe;
By measuring a frequency component equal to the frequency of the AC electric field applied by the AC electric field applying unit from the AC electric force measured by the AC electric force measuring unit, the DC electric field that does not change over time generated from the sample is measured. A direct current electric field measuring unit,
By extracting a frequency component more than twice the frequency of the AC electric field applied by the AC electric field applying unit from the AC electric force measured by the AC electric force measuring unit, the time variation generated periodically from the sample is changed. An alternating electric field measuring unit for measuring the alternating electric field;
With
The magnetic field measurement unit includes:
An AC magnetic force measurement unit that measures the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe;
The time-varying DC magnetic field generated from the sample is measured by extracting a frequency component equal to the frequency of the AC magnetic field applied by the AC magnetic field application unit from the AC magnetic force measured by the AC magnetic force measurement unit. A direct current magnetic field measurement unit,
By extracting a frequency component that is twice or more the frequency of the AC magnetic field applied by the AC magnetic field application unit from the AC magnetic force measured by the AC magnetic force measurement unit, the time variation generated periodically from the sample is changed. An alternating magnetic field measurement unit for measuring the alternating magnetic field;
An electric / magnetic force microscope characterized by comprising:
前記交流電場印加部が前記試料に印加する前記交流電場の周波数ωeと、前記交流磁場印加部が前記試料に印加する前記交流磁場の周波数ωmとが、1以上のいかなる整数nについてもωm≠nωeかつnωm≠ωeをみたす、請求項1〜4のいずれかに記載の電気力/磁気力顕微鏡。The frequency ω e of the AC electric field applied to the sample by the AC electric field applying unit and the frequency ω m of the AC magnetic field applied to the sample by the AC magnetic field applying unit are ω for any integer n of 1 or more. m e and satisfying nω m ≠ ω e, electric force / magnetic force microscope according to claim 1. 励振している探針部材の先端に設けた導電性のソフト磁性探針に、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを印加し、前記ソフト磁性探針により試料を走査し、前記ソフト磁性探針の振動を検出することで、前記試料から発生する電場と磁場を同時に測定する電場/磁場同時測定方法であって、
探針励振部により、前記探針部材を励振させる探針励振ステップと、
交流電場印加部により、前記交流電場を発生し、当該交流電場を前記ソフト磁性探針に印加するとともに、交流磁場印加部により、前記交流磁場を発生し、当該交流磁場を前記ソフト磁性探針に印加する交流電場/交流磁場印加ステップと、
探針振動検出部により、前記探針部材の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出ステップと、
探針走査部により、前記探針部材を空間駆動し、前記ソフト磁性探針により前記試料を走査する探針走査ステップと、
復調部により、前記振動検出信号を用いて前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調する復調ステップと、
電場測定部により、前記復調ステップにおいて復調された前記交流電気力を用いて、前記試料から発生する前記電場を測定する電場測定ステップと、
磁場測定部により、前記復調ステップにおいて復調された前記交流磁気力を用いて、前記試料から発生する前記磁場を測定する磁場測定ステップと、
を有することを特徴とする電場/磁場同時測定方法。
An AC electric field and an AC magnetic field having different frequencies are applied to a conductive soft magnetic probe provided at the tip of an excited probe member, the sample is scanned by the soft magnetic probe, and the soft magnetic probe is scanned. By simultaneously detecting an electric field and a magnetic field generated from the sample by detecting vibration of the electric field / magnetic field,
A probe excitation step for exciting the probe member by a probe excitation unit;
The alternating electric field application unit generates the alternating electric field, applies the alternating electric field to the soft magnetic probe, and the alternating magnetic field application unit generates the alternating magnetic field, and the alternating magnetic field is applied to the soft magnetic probe. An AC electric field / AC magnetic field applying step to be applied;
A probe vibration detection step for detecting vibration of the probe member and generating a vibration detection signal by a probe vibration detection unit;
A probe scanning step of spatially driving the probe member by a probe scanning unit and scanning the sample with the soft magnetic probe;
Demodulating step of demodulating AC electric force and AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe using the vibration detection signal by a demodulator;
An electric field measurement step for measuring the electric field generated from the sample by using the AC electric force demodulated in the demodulation step by an electric field measurement unit;
A magnetic field measurement step for measuring the magnetic field generated from the sample using the AC magnetic force demodulated in the demodulation step by a magnetic field measurement unit;
A method for simultaneous measurement of an electric field / magnetic field, comprising:
試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場とを同時に測定するための請求項6に記載の電場/磁場同時測定方法であって、
前記電場測定ステップは、
交流電気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定ステップと、
直流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定ステップを有し、かつ、
前記磁場測定ステップは、
交流磁気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定ステップと、
直流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定ステップと、
を有する、
ことを特徴とする電場/磁場同時測定方法。
The method for simultaneously measuring an electric field / magnetic field according to claim 6 for simultaneously measuring a DC electric field and a DC magnetic field generated from a sample which do not change with time,
The electric field measuring step includes
AC electric force measurement step of measuring the AC electric force generated between the sample and the soft magnetic probe by an AC electric force measuring unit;
Time generated from the sample by extracting a frequency component equal to the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field application step from the AC electric force measured in the AC electric force measurement step by a DC electric field measurement unit A DC electric field measurement step for measuring the DC electric field that does not change, and
The magnetic field measuring step includes
AC magnetic force measurement step of measuring the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe by an AC magnetic force measurement unit;
The time generated from the sample by extracting a frequency component equal to the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating magnetic force measurement step by a direct magnetic field measurement unit. DC magnetic field measurement step for measuring the DC magnetic field that does not change;
Having
An electric field / magnetic field simultaneous measurement method characterized by the above.
試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場とを同時に測定するための請求項6に記載の電場/磁場同時測定方法であって、
前記電場測定ステップは、
交流電気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定ステップと、
交流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定ステップと、
を含み、かつ、
前記磁場測定ステップは、
交流磁気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定ステップと、
交流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定ステップと、
を含むことを特徴とする電場/磁場同時測定方法。
The method of simultaneously measuring an electric field / magnetic field according to claim 6 for simultaneously measuring a periodic time-varying alternating electric field and alternating magnetic field generated from a sample,
The electric field measuring step includes
AC electric force measurement step of measuring the AC electric force generated between the sample and the soft magnetic probe by an AC electric force measuring unit;
By extracting a frequency component more than twice the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field applying step from the AC electric force measured in the AC electric force measuring step by the AC electric field measuring unit, from the sample An alternating electric field measuring step for measuring the alternating electric field generated periodically and time-varying;
Including, and
The magnetic field measuring step includes
AC magnetic force measurement step of measuring the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe by an AC magnetic force measurement unit;
By extracting a frequency component more than twice the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating magnetic force measurement step by the alternating magnetic field measurement unit, from the sample An alternating magnetic field measuring step for measuring the alternating magnetic field generated periodically and time-varying;
An electric field / magnetic field simultaneous measurement method comprising:
試料から発生する、時間変化しない直流電場と直流磁場および周期的に時間変化する交流電場と交流磁場を同時に測定するための請求項6に記載の電場/磁場同時測定方法であって、
前記電場測定ステップは、
交流電気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定ステップと、
直流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定ステップと、
交流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定ステップと、を含み、かつ、
前記磁場測定ステップは、
交流磁気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定ステップと、
直流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定ステップと、
交流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数の2倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定ステップと、
を含むことを特徴とする電場/磁場同時測定方法。
The method of simultaneously measuring an electric field / magnetic field according to claim 6 for simultaneously measuring a DC electric field and a DC magnetic field generated from a sample, which do not change with time, and an AC electric field and an AC magnetic field which change with time periodically.
The electric field measuring step includes
AC electric force measurement step of measuring the AC electric force generated between the sample and the soft magnetic probe by an AC electric force measuring unit;
Time generated from the sample by extracting a frequency component equal to the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field application step from the AC electric force measured in the AC electric force measurement step by a DC electric field measurement unit A DC electric field measuring step for measuring the DC electric field not changing;
By extracting a frequency component more than twice the frequency of the AC electric field applied in the AC electric field applying step from the AC electric force measured in the AC electric force measuring step by the AC electric field measuring unit, from the sample An alternating electric field measuring step for measuring the alternating electric field generated periodically and time-varying, and
The magnetic field measuring step includes
AC magnetic force measurement step of measuring the AC magnetic force generated between the sample and the soft magnetic probe by an AC magnetic force measurement unit;
The time generated from the sample by extracting a frequency component equal to the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating magnetic force measurement step by a direct magnetic field measurement unit. DC magnetic field measurement step for measuring the DC magnetic field that does not change;
By extracting a frequency component more than twice the frequency of the alternating magnetic field applied in the alternating magnetic field application step from the alternating magnetic force measured in the alternating magnetic force measurement step by the alternating magnetic field measurement unit, from the sample An alternating magnetic field measuring step for measuring the alternating magnetic field generated periodically and time-varying;
An electric field / magnetic field simultaneous measurement method comprising:
前記交流電場印加部が前記試料に印加する前記交流電場の周波数ωeと、前記交流磁場印加部が前記試料に印加する前記交流磁場の周波数ωmとが、1以上のいかなる整数nについてもωm≠nωeかつnωm≠ωeをみたす、請求項6〜9のいずれかに記載の電場/磁場同時測定方法。The frequency ω e of the AC electric field applied to the sample by the AC electric field applying unit and the frequency ω m of the AC magnetic field applied to the sample by the AC magnetic field applying unit are ω for any integer n of 1 or more. m satisfies ≠ nω e and nω m ≠ ω e, electric / magnetic field simultaneous measurement method according to any one of claims 6-9.
JP2015560054A 2014-01-30 2015-01-30 Electric force / magnetic force microscope and electric / magnetic field simultaneous measurement method Active JP6482129B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014016131 2014-01-30
JP2014016131 2014-01-30
PCT/JP2015/052766 WO2015115622A1 (en) 2014-01-30 2015-01-30 Electric force and magnetic force microscope and simultaneous electric field and magnetic field measurement method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2015115622A1 JPWO2015115622A1 (en) 2017-03-23
JP6482129B2 true JP6482129B2 (en) 2019-03-13

Family

ID=53757189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015560054A Active JP6482129B2 (en) 2014-01-30 2015-01-30 Electric force / magnetic force microscope and electric / magnetic field simultaneous measurement method

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6482129B2 (en)
WO (1) WO2015115622A1 (en)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3070216B2 (en) * 1992-01-13 2000-07-31 株式会社日立製作所 Surface microscope and microscopic method
WO2009101991A1 (en) * 2008-02-12 2009-08-20 Akita University Surface state measuring device, and surface state measuring method using the device
JP4769918B1 (en) * 2010-09-03 2011-09-07 国立大学法人秋田大学 Magnetic field observation apparatus and magnetic field observation method
WO2013047537A1 (en) * 2011-09-26 2013-04-04 国立大学法人秋田大学 Dc magnetic field magnetic profile measuring device and magnetic profile measuring method
JP5975535B2 (en) * 2011-09-26 2016-08-23 国立大学法人秋田大学 AC magnetic field magnetic profile measuring apparatus and magnetic profile measuring method
JP2013213707A (en) * 2012-03-31 2013-10-17 Tohoku Univ High frequency magnetic field detection apparatus
JP5958895B2 (en) * 2012-03-31 2016-08-02 国立大学法人東北大学 High frequency magnetic field detector

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015115622A1 (en) 2015-08-06
JPWO2015115622A1 (en) 2017-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4769918B1 (en) Magnetic field observation apparatus and magnetic field observation method
JP5424404B2 (en) Surface state measuring apparatus and surface state measuring method using the apparatus
JP2007232596A (en) Magnetic resonance force microscope
CN103443632B (en) Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measuring method
US9222914B2 (en) Magnetic profile measuring device and method for measuring magnetic profile for alternating-current magnetic field
JP4913242B2 (en) Dynamic mode AFM device
JP6167265B2 (en) Apparatus for evaluating magnetic properties of magnetic fine particles and method for evaluating magnetic properties
JP6482129B2 (en) Electric force / magnetic force microscope and electric / magnetic field simultaneous measurement method
JPH0659004A (en) Scanning type surface magnetic microscope
EP2762896B1 (en) Dc magnetic field magnetic profile measuring device and magnetic profile measuring method
JP2005164544A (en) Probe apparatus, scanning probe microscope, and sample display method
JP6358788B2 (en) AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method
JP2003248911A (en) Measuring apparatus of magnetic head and measuring method used in the apparatus
JP6481191B2 (en) AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method
WO2015182564A1 (en) Evaluation device and evaluation method for magnetic force microscope probe, magnetic force microscope, and method of adjusting magnetic field for control of magnetic force microscope
JP2003085717A (en) Magnetic recording head measuring device and measuring method applied to the device
JP3376374B2 (en) Method of creating image of sample surface in probe microscope
JP3597787B2 (en) Magnetic recording head measuring device and magnetic recording head measuring method
JP2004279099A (en) External magnetic field sweep magnetic force microscope and measuring method
JP4344812B2 (en) Scanning probe microscope and measurement method
JP2010071674A (en) Scanning probe microscope
JPH04116401A (en) Device and method of observing magnetic field
JP2012047689A (en) Scanning prove microscope

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180118

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190115

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190208

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6482129

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150