JP7134476B2 - Measuring device, near-field measuring method - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 APS March Meeting 2018、2018年3月6日 日本表面科学会第3回関東支部講演大会、2018年4月7日 2018 KPS Spring Meeting、2018年4月26日Application of Article 30,
本発明は、測定装置、および近接場の測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring device and a near-field measuring method.
試料の情報を原子レベル、分子レベルで時間分解して取得する装置として、光学的ポンプ・プローブ走査トンネル顕微鏡(Optical Pump-Probe Scanning Tunneling Microscopy、OPP-STM)が提案されている。OPP-STMでは、まずポンプ光を探針および測定対象である試料に照射し、ポンプ光により生じた光誘起ダイナミックス、たとえば試料が励起され・緩和していく過程をポンプ光とプローブ光の間の遅延時間を変化させ、対応するトンネル電流の変化を測定することで観察する。ところで、ポンプ光が照射されることにより探針と試料の間に生じる電場波形は、ポンプ光の元の波形とは一致せず、探針の形状や試料など様々な影響を受けることが知られ、様々な仮説が発表されている。しかしポンプ光が照射されることにより生じる電場波形を実際に使用する条件で、その場で直接測定し評価する方法は見出されていない。OPP-STMに関してたとえば特許文献1が挙げられるが、特許文献1にもポンプ光が照射されることにより生じる近接場を直接測定する装置や方法は開示されていない。
An Optical Pump-Probe Scanning Tunneling Microscopy (OPP-STM) has been proposed as a device for acquiring information on a sample by time-resolving it at the atomic level and the molecular level. In OPP-STM, the probe and the sample to be measured are first irradiated with the pump light, and the photoinduced dynamics caused by the pump light, such as the excitation and relaxation process of the sample, are measured between the pump light and the probe light. is observed by changing the delay time of and measuring the corresponding change in the tunneling current. By the way, it is known that the electric field waveform generated between the probe and the sample by the irradiation of the pump light does not match the original waveform of the pump light, and is affected by various factors such as the shape of the probe and the sample. , various hypotheses have been proposed. However, no method has been found to directly measure and evaluate the electric field waveform generated by the irradiation of the pump light on the spot under actual conditions. Regarding OPP-STM, for example,
通常、パルス内には数周期の電場が含まれ、その位相(キャリアエンベロプ位相、CEP)はパルス間でランダムで、また時間と伴に揺らいでいる。それが、時間分解能がパルス幅で決まる、すなわちそれ以上に良くならない理由であった。この場合、電場波形は問題にならず、これまで注目されてこなかった。しかし、最近、CEPがロックされ(時間に対して揺らがず安定で)、しかもその制御も可能になったことで、ナノスケール構造のキャリアー(電子やホール)を超高速で制御する素子の開発など、電場波形を知ることが非常に重要になってきた。特に電場一周期のパルス光が作られるようになったことで、電場を印加電圧の代わりに用いるテラヘルツ-STM(THz-STM)が開発された。こうした技術を展開するには、ナノスケールの金属構造やSTM探針直下の近接場波形をその場で測定し正しく評価する方法が必要不可欠である。従来技術では、ポンプ光が照射されることにより生じる近接場を直接測定できない。 Normally, a pulse contains an electric field of several cycles, and its phase (carrier envelope phase, CEP) is random between pulses and fluctuates with time. That was the reason why the time resolution was determined by the pulse width, ie not better. In this case, the electric field waveform does not matter and has not been paid attention so far. Recently, however, CEP has been locked (stable without fluctuations over time), and it has become possible to control it. , it has become very important to know the electric field waveform. In particular, terahertz-STM (THz-STM), which uses an electric field instead of an applied voltage, has been developed as pulsed light with one cycle of an electric field has become available. In order to develop such technology, it is indispensable to have a method to measure nanoscale metal structures and near-field waveforms right under the STM probe on the spot and evaluate them correctly. The conventional technique cannot directly measure the near-field generated by irradiation with the pump light.
本発明の第1の態様による測定装置は、キャリアエンベロプ位相がロックされた第1光を被照射物に照射し近接場を形成する第1光学系と、前記第1光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第1光よりもパルス幅が短い第2光を前記被照射物に照射する第2光学系と、前記第2光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部と、前記第1光により前記近接場が存在している期間に、前記第2光が前記被照射物に照射されるように、前記第1光および前記第2光の少なくとも一方の照射タイミングを調整するタイミング調整部とを備える。
本発明の第2の態様による近接場の測定方法は、キャリアエンベロプ位相がロックされた第1光を被照射物に照射し近接場を形成することと、前記第1光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第1光よりもパルス幅が短い第2光を前記被照射物に照射することと、前記第2光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定することと、前記第1光により前記近接場が存在している期間に、前記第2光が前記被照射物に照射されるように、前記第1光および前記第2光の少なくとも一方の照射タイミングを調整することとを含む。
A measuring apparatus according to a first aspect of the present invention comprises a first optical system that irradiates an object to be irradiated with first light whose carrier envelope phase is locked to form a near-field, and at least an irradiation range of the first light. A second optical system that irradiates the object to be irradiated with a second light having a pulse width shorter than that of the first light so as to partially overlap, and the second light is emitted when the object is irradiated. a measurement unit for measuring the photoelectrons or tunnel current generated by the first light, and the first light and the and a timing adjustment unit that adjusts irradiation timing of at least one of the second lights.
A near-field measuring method according to a second aspect of the present invention comprises irradiating an object to be irradiated with first light whose carrier envelope phase is locked to form a near-field; irradiating the object to be irradiated with a second light having a pulse width shorter than that of the first light so as to partially overlap; and photoelectrons emitted by irradiating the object to be irradiated with the second light. Alternatively, measuring a tunnel current, and the first light and the second light so that the object is irradiated with the second light while the near-field is present due to the first light. and adjusting the irradiation timing of at least one of
本発明によれば、CEP制御されたポンプ光が照射されることにより生じる近接場の波形を直接測定できる。 According to the present invention, it is possible to directly measure the near-field waveform generated by irradiation with CEP-controlled pump light.
―第1の実施の形態―
以下、図1~図10を参照して、本発明に係る測定装置である電子顕微鏡の第1の実施の形態を説明する。
-First Embodiment-
A first embodiment of an electron microscope, which is a measuring apparatus according to the present invention, will be described below with reference to FIGS. 1 to 10. FIG.
(第1の実施の形態の概要)
第1の実施の形態では、光電子を計測することにより、ポンプ光が照射されることで生じる近接場を観察する。
(Outline of the first embodiment)
In the first embodiment, the near field generated by irradiation with pump light is observed by measuring photoelectrons.
(構成)
図1は、第1の実施の形態にかかる電子顕微鏡1の構成概要図である。電子顕微鏡1は、ポンプ光出力部2と、観察光出力部3と、プローブ光出力部4と、探針5と、計測部6と、印加部7とを備える。電子顕微鏡1は、試料900をポンプ・プローブ法により観察する。本実施の形態では、試料900はグラファイト(Highly oriented pyrolytic graphite:HOPG)である。
(Constitution)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
電子顕微鏡1の概要は以下のとおりである。ポンプ光出力部2はポンプ光21を出力する。観察光出力部3は観察光31を出力する。プローブ光出力部4はプローブ光41を出力する。ポンプ光21およびプローブ光41は、いわゆるポンプ・プローブ法により試料900を観察するためのポンプ光およびプローブ光である。観察光31は、近接場の観察のために用いられる。次に各構成を説明する。
The outline of the
ポンプ光出力部2は、任意の方法で生成されたCEPが制御されたポンプ光21を出力する。詳しくは後述するが、ポンプ光21の波長の長さが観察光31の波長を制限するものの、ポンプ光21の周波数などに特に制限はない。ポンプ光出力部2は、たとえば波長1034ナノメートル、300フェムト秒幅のIRパルス光をLiNiO3結晶に照射して得られる、1周期であり幅が約1ピコ秒のTHzパルスを出力する。本実施の形態におけるポンプ光21のスポット径は約1ミリメートルである。ポンプ光21はCEPが制御され、一定の位相で出力される。
The pump
観察光出力部3は、任意の方法で生成された観察光31であって、パルス幅はポンプ光21よりも十分に短く、1周期のパルス光である観察光31を出力する。観察光出力部3は、たとえば波長1035ナノメートル、幅300フェムト秒のIR光をBBO(β-Ba2BO4)結晶により波長517ナノメートルの第2次高調波に変換したパルス光を観察光31として出力する。本実施の形態における観察光31のスポット径は約10マイクロメートルである。なお観察光31もCEPが制御されていることが望ましく、CEPが制御されることで時間分解能を高めることができる。
The observation
観察光出力部3は、遅延時間調整部3Aおよび照射位置調整部3Bを備える。遅延時間調整部3Aは、観察光31が探針5に照射されるタイミングをポンプ光21が照射されるタイミングを基準として複数とおりに変化させる。遅延時間調整部3Aが調整するタイミングを遅延時間tdと呼ぶ。たとえば遅延時間調整部3Aは、1回目はポンプ光21よりも0.1ピコ秒遅く観察光31が探針に照射されるようにタイミングを調整し、2回目はポンプ光21よりも0.2ピコ秒遅く観察光31が探針に照射されるようにタイミングを調整し、以下同様にタイミングをずらしてゆく。遅延時間調整部3Aはたとえば、光路長を変化させる光路長調整装置である。
The observation
図2は、遅延時間tdを説明する図であり、上段はポンプ光21の時間変化を表し、下段は観察光31の時間変化を表す。図2では図示左から右に向かって時間が経過している。ただし図2は遅延時間tdを変化させる順番を示すものではなく、遅延時間tdをどのような順番で変化させてもよい。図2の上段と下段は左右方向の位置が同一ならば同一時刻を示している。本実施の形態における遅延時間tdの定義は、強度のピークが照射されはじめるタイミングの差であり、観察光31が先に探針5に到達する場合を負とする。
2A and 2B are diagrams for explaining the delay time td, where the upper graph shows the time change of the
一番左に示すtd=-1psの状態は、観察光31の強度のピークのほうがポンプ光21の強度のピークよりも1ピコ秒だけ先に照射される。左から2番目に示すtd=0の状態は、観察光31の強度のピークとポンプ光21の強度のピークの始期が同時である。左から3番目に示すtd=1psの状態は、観察光31の強度のピークのほうがポンプ光21の強度のピークよりも1ピコ秒だけ遅れて照射される。一番右に示すtd=2psの状態は、観察光31の強度のピークのほうがポンプ光21の強度のピークよりも2ピコ秒だけ遅れて照射される。図1に戻って説明を続ける。
In the state of td=-1 ps shown on the far left, the intensity peak of the
照射位置調整部3Bは、観察光31が探針5に照射される位置を調整する。観察光31のスポット径は探針5よりも十分小さいので、探針5の様々な位置に選択的に照射できる。照射位置調整部3Bはたとえば、鏡と、鏡を傾けるピエゾ素子と、ピエゾ素子を制御するコントローラとから構成される。
The
プローブ光出力部4は、任意の方法で生成されたプローブ光41を出力する。プローブ光41は、ポンプ光21とともに試料900の観察に適したものであればよい。ただしポンプ光21とプローブ光41とを用いた測定の詳細は本実施の形態の説明では省略する。なおプローブ光41を照射するタイミングを、ポンプ光21の照射タイミングを基準として調整する機構がプローブ光出力部4に備えられてもよい。
The probe
探針5は、先細りに加工され、印加部7により任意の電圧が印加される。本実施の形態における探針5の素材はタングステンであり、Pt/Irでコーティングされる。探針5はたとえば電解研磨により作成される。探針5の形状は個体ごとに異なっており、厳密に同一の探針5を作成することは容易ではない。本実施の形態では、わずかに形状が異なる第1探針5aおよび第2探針5bを用いる。ただし両者を特に区別しない場合は「探針5」と呼ぶ。
The
計測部6は、本実施の形態において探針5の対向電極としての役割を担う試料900に流れ込む電子を電流プリアンプを用いて全電流IALLとして検出する。ただし信号が微弱なため、ポンプ光21、すなわちTHzパルスを所定の周波数、たとえば430Hzでチョッピングし、遅延時間tdに対する電流の変化を差分電流ΔIとしてロックイン検出する。
The
印加部7は、探針5にバイアス電圧Vdcを印加する。
The
(測定状態)
図3は、第1の実施の形態における近接場の測定状態を示す図である。ただし図3は位置関係などの概略を示すものであり、寸法や距離は誇張して表現されている。探針5は、印加部7によりバイアス電圧Vdcが印加される。探針5の先端と試料900との間にトンネル電流が流れないように、探針5は試料900から少なくとも100ナノメートルは離れて設置される。図3に示す環境は真空の常温である。
(Measurement state)
FIG. 3 is a diagram showing a near-field measurement state in the first embodiment. However, FIG. 3 shows an outline of the positional relationship, etc., and the dimensions and distances are exaggerated. A bias voltage Vdc is applied to the
ポンプ光出力部2が照射するポンプ光21は、探針5および試料900に照射される。図3ではポンプ光21の照射範囲を大きな破線の丸で示している。前述のとおりポンプ光21のスポット径は比較的大きく、探針5の先端を含む広い範囲にポンプ光21が照射される。このスポット径は、たとえばTHzパルスであればミリメートルほどである。本実施の形態では、ポンプ光21の照射位置は固定される。
The
観察光出力部3が照射する観察光31は、探針5の一部の領域に照射される。図3では観察光31の照射範囲を小さな実線の丸で示している。前述のとおり観察光31のスポット径は比較的小さく、たとえば10マイクロメートルほどであり、一度には探針5のごく一部にしか照射されない。図3では観察光31は探針5の先端および中腹に照射されているが、照射位置調整部3Bにより探針5の様々な位置に照射される。
The observation light 31 emitted by the observation
(測定原理)
図4は光電子領域での近接場の測定メカニズムのモデル図である。図4に示すように、まずポンプ光21により近接場が形成されて、印加部7のバイアス電圧Vdcとあわせた電場の大きさで探針5の表面~真空間の障壁が変調される。観察光31が探針5に照射されると、障壁の高さと観察光のエネルギーによって多光子吸収過程により光電子が発生し変調された障壁を通過して計測部6により測定される。
(measurement principle)
FIG. 4 is a model diagram of the near-field measurement mechanism in the optoelectronic region. As shown in FIG. 4, first, a near-field is formed by the
また放出される光電子の量は、観察光31が照射された瞬間の照射された位置における障壁の高さと幅、すなわち障壁を変調する近接場の強さを表すため、観察光31の照射タイミングおよび観察光31の照射位置を変化させることで、近接場の強さの時間変化、および探針5の位置による近接場の違いを測定できる。Vdcを調整してポンプ光21がなくても光電子電流が流れるようにしておくことで、後述のように、ポンプ光21の電場の正負の領域にわたる測定が可能になる。
In addition, the amount of emitted photoelectrons represents the height and width of the barrier at the irradiated position at the moment when the
(全電流IALLと差分電流ΔI)
探針5に照射されたポンプ光21は近接場を形成し、探針表面-真空間の障壁を変化させる。計測部6において計測される電流Iは、ポンプ光21、観察光31、および印加部7によるバイアス電圧Vdcの影響を受けたものである。ここで、観察光31による電場によって生じる電圧をVovで表し、探針表面-真空間の障壁における光電子の通過のしやすさを関数Baで表すと、全電流IALLとの間に次の式1が成り立つ。
IALL=Ba(Vdc+Vov) ・・・(式1)
(Total current I ALL and differential current ΔI)
The pump light 21 irradiated to the
I ALL =Ba(Vdc+Vov) (Formula 1)
ただし式1においてVovは便宜的なものである。探針5に観察光31を照射することで、多光子吸収過程により光電子を放出するが、放出される光電子の数は、探針表面-真空間の障壁高さに依存する。そのため、バイアス電圧Vdcと同様に探針表面-真空間の障壁の影響を受けることを明示するために、便宜的にVovを設定した。また以下では、ロックイン検出によりバイアス電圧Vdcの影響を排除し、観察光31による影響のみを評価した電流を「差分電流ΔI」と呼ぶ。
However, Vov in
この式1に関する2つの実験結果を示す。第1の実験では、バイアス電圧Vdcを+10Vとし、ポンプ光21の強度を6とおりに変化させて計測部6で全電流IALLを計測する。第2の実験では、強度、すなわち最大振幅が一定のポンプ光21を照射し、バイアス電圧Vdcを変化させて計測部6で全電流IALLを計測する。第1の実験では、全電流IALLの遅延時間依存性を測定することで、電場波形を知る。第2の実験では、Vovはゼロとし、観察光は照射した状態である。実験では、パルス幅1ピコ秒のモノサイクルTHz電場をポンプ光として照射している。スポット径はミリメートル程度であるため、探針全体を一様に照射した状態である。
Two experimental results for this
図5は第1の実験の結果を示す図である。図5(a)は全電流IALLの時間変化を示す図であり、図5(b)は図5(a)のピーク値を抽出して整理したものである。図5(a)は、ポンプ光21の最大強度が照射された時刻をゼロとして、複数の測定結果を1図にまとめている。図5(a)より、全電流IALLが時系列で変化しており、その変化の様子が相似であることがわかる。図5(b)は、図5(a)における時刻ゼロの全電流IALLの値と、ポンプ光21の強度との相関を示す図であり、両者が線形の関係にあることがわかる。
FIG. 5 shows the results of the first experiment. FIG. 5(a) is a diagram showing a change in the total current I ALL over time, and FIG. 5(b) is a summary of the peak values extracted from FIG. 5(a). FIG. 5A summarizes a plurality of measurement results in one figure, with the time at which the maximum intensity of the
図6は第2の実験の結果を示す図であり、プローブ光のみを照射した場合の電圧変化に対する電流変化を示す図である。図6の横軸はバイアス電圧Vdcであり、縦軸は全電流IALLである。図6では、バイアス電圧Vdcの増加に伴い全電流IALLが増加しており、特にバイアス電圧Vdc=+10V付近ではバイアス電圧Vdcの変化に対する全電流IALLの変化が線形である。 FIG. 6 is a diagram showing the results of the second experiment, showing changes in current with respect to changes in voltage when only the probe light is irradiated. The horizontal axis of FIG. 6 is the bias voltage Vdc, and the vertical axis is the total current I ALL . In FIG. 6, the total current I ALL increases as the bias voltage Vdc increases, and especially near the bias voltage Vdc=+10V, the total current I ALL changes linearly with respect to the bias voltage Vdc.
以上2つの実験により、バイアス電圧Vdc=+10Vに設定すれば、検出される電流Iの変化分と近接場の強度が線形の関係にあること、すなわち、電流強度の遅延時間依存性を測定することで電場波形を得られることがわかる。 From the above two experiments, if the bias voltage is set to Vdc=+10 V, there is a linear relationship between the change in the detected current I and the intensity of the near-field, that is, the delay time dependence of the current intensity can be measured. It can be seen that the electric field waveform can be obtained with
(時間領域での測定結果)
図7(a)および図7(d)は、第1探針5aおよび第2探針5bの光学顕微鏡写真である。第1探針5aの方が第2探針5bよりも、より鋭い形状である。なお後述する図7(b)、(c)は、図7(a)と空間的な位置を一致させ、図7(e)、(f)は図7(d)と空間的な位置を一致させている。
(measurement results in the time domain)
FIGS. 7(a) and 7(d) are optical microscope photographs of the first probe 5a and the second probe 5b. The first probe 5a has a sharper shape than the second probe 5b. 7(b) and (c), which will be described later, are spatially aligned with FIG. 7(a), and FIGS. 7(e) and (f) are spatially aligned with FIG. 7(d). I am letting
照射位置調整部3Bを用いて、観察光31の照射位置を縦方向および横方向に4.5マイクロメートルずつ移動させて測定した。図示横方向には31か所、図示縦方向では7か所で測定した。それぞれの測定点が図中の四角の領域に対応する。図7(b)および図7(e)は、第1探針5aおよび第2探針5bを用いて遅延時間ゼロ秒で測定した差分電流ΔIの大きさを示す図である。図7(b)および図7(e)では、観察光31のそれぞれの照射位置において得られた光電子電流の大きさを色の濃淡で表している。また図7(b)および図7(e)のそれぞれは、図7(a)および図7(d)と空間的な位置を一致させている。図7(b)および図7(e)では、ほぼ探針の形状を反映しているが、先端部分では探針の径が観察光31のスポットサイズより小さいため強度が落ちている。
Measurement was performed by moving the irradiation position of the
次にバイアス電圧Vdc=+10Vとして測定した結果を図7(c)、(f)、および図8(a)~(e)に示す。図8(a)はポンプ光21の時間変化を示す図であり、図8(a)~(e)の時系列はすべて一致している。ただし図8(a)~(e)ではポンプ光21の強度が最も強いタイミングを遅延時間ゼロとしている。この値をマップしたのが図7(c)、(f)である。なお図8(a)に示すポンプ光21の波形はEOサンプリングにより求めたものである。
Next, the results of measurement with the bias voltage Vdc=+10V are shown in FIGS. FIG. 8(a) is a diagram showing the temporal change of the
図7(c)、(f)は、第1探針5aおよび第2探針5bを用いた場合の、観察光31を照射した位置ごとの遅延時間ゼロにおける差分電流ΔIを示す図である。図7(c)、(f)においても差分電流ΔIの大きさを色の濃淡で表している。図7(c)、(f)により、探針5の先端の狭い領域において近接場の強度が強いことがわかる。また図7(c)、(f)に示す位置A,B,Cは図8(b)~(d)にそれぞれ対応する位置である。特に図7(c)、(f)に示す位置Cは、第1探針5aおよび第2探針5bの先端を示している。
7(c) and (f) are diagrams showing the differential current ΔI at zero delay time for each position irradiated with the
図6に示したとおり、バイアス電圧Vdc=+10Vでは全電流IALLは電圧の変化に対してほぼ線形であるため、差分電流ΔIは光電子放出が生じる瞬間の近接場の大きさに比例し、遅延時間に依存した差分電流ΔIは近接場の波形を直接反映したものになる。図7(c)、(f)に示す位置A,B,Cにおける差分電流ΔIを遅延時間を変化させて測定し、後述する方法で電圧に換算した結果を図8(b)~(d)にそれぞれ示す。電圧への換算は、図6に示すV=+10Vにおける傾き、すなわちdI/dVの値を用いて電流値をそれぞれの波形を実効的な電圧に変換した。図8(b)~(d)では、第1探針5aを用いた結果と、第2探針5bを用いた結果とを併記している。第1探針5aの位置Cにおける電圧VTHzは0.58Vであり、先端の増強効果によって位置Aに比べて約6倍大きい値が得られている。 As shown in FIG. 6, at the bias voltage Vdc=+10 V, the total current I ALL is almost linear with respect to the voltage change, so the differential current ΔI is proportional to the magnitude of the near-field at the moment when the photoemission occurs, and the delay The time-dependent differential current ΔI is a direct reflection of the near-field waveform. The differential current ΔI at positions A, B, and C shown in FIGS. 7(c) and 7(f) was measured by changing the delay time, and the results converted into voltage by a method described later are shown in FIGS. are shown respectively. For conversion to voltage, the slope at V=+10 V shown in FIG. 6, ie, the value of dI/dV, was used to convert the current values into effective voltages for each waveform. In FIGS. 8B to 8D, the results using the first probe 5a and the results using the second probe 5b are shown together. The voltage V THz at the position C of the first probe 5a is 0.58 V, which is about 6 times larger than that at the position A due to the enhancement effect of the tip.
なお図8(b)~(d)において負の値が測定可能であるのは、バイアス電圧Vdcを印加してポンプ光21による近接場が形成されなくても一定の光電子電流が流れるようにしているからである。仮にバイアス電圧Vdcを印加していないと、図8(b)~(d)における負の値は単にゼロとしか測定されない。しかし本実施の形態では一定の光電子電流が流れるようにしているので、その光電子電流が減少した場合に負の値として評価可能となっている。
In FIGS. 8B to 8D, the negative values can be measured because the bias voltage Vdc is applied so that a constant photoelectron current flows even if the near field is not formed by the
図8(e)は、図8(a)を積分して得られた図である。アンテナ理論の簡単なモデルでは、探針増強による電場は元の電場を積分した形とされているが、図8(e)に示す波形の形状は図8(b)~(d)のいずれとも一致しない。そのため、本実施の形態で説明するように近接場を直接測定することが重要である。 FIG. 8(e) is a diagram obtained by integrating FIG. 8(a). In a simple model of antenna theory, the electric field due to the enhancement of the probe is assumed to be the integral of the original electric field, but the shape of the waveform shown in FIG. It does not match. Therefore, it is important to directly measure the near field as described in this embodiment.
(周波数領域での測定結果)
図9および図10はポンプ光21により形成された近接場の周波数依存性を示す図である。図9(a)~(c)、および図10(a)は第1探針5aに関する記載、図9(d)~(f)、および図10(b)は第2探針5bに関する記載である。図9(a)、(d)は、先に示した図7(a)、(d)と同一である。図10(a)、(b)は、第1探針5aと第2探針5bのそれぞれにおける電場強度スペクトルを示しており、A,B,Cの位置は図7と同様である。図10(a)、(d)における実線はポンプ光21の周波数依存性を示しており、1THzに中心成分を有する。これに対して近接場は0.5THzあたりを中心として低周波側へシフトしていることがわかる。この帯域の減少は、積分値が対応するというダイポールアンテナモデルである程度は説明できるが、実際にはより詳細な検討が必要である。
(measurement results in the frequency domain)
9 and 10 are diagrams showing the frequency dependence of the near field formed by the
図9(b)は、第1探針5aを用いた場合の、ポンプ光21により形成された近接場の0.3THzの周波数成分を空間的にマッピングした図であり、図9(c)は同じく0.7THzの周波数成分を空間的にマッピングした図である。また図9(e)、(f)は同様に第2探針5bを用いた場合の0.3THzおよび0.7THzの周波数成分を空間的にマッピングした図である。これらの図により、帯域の減少効果は探針の先端よりも根元のほうがより顕著であることが明らかになった。
FIG. 9(b) is a diagram spatially mapping the 0.3 THz frequency component of the near-field formed by the
近接場波形の情報は、THz-SNOMやナノギャップ構造のTHz近接場、THz-STMの計測などを行う上で、精密で信頼できる結果を得るためには欠かすことができない重要な情報である。近接場波形は、アンテナの幾何形状に依存することが知られているが、若干異なる形状である第1探針5aと第2探針5bを用いた測定結果から、同じポンプ光21を用いる場合でも探針の先端に生じる近接場波形は大きく異なることが示された。近接場波形を実験条件ごとに予測することは非常に難しいため、本実施の形態で説明するように近接場を直接測定することが重要である。 Near-field waveform information is important information that is indispensable for obtaining accurate and reliable results in THz-SNOM, THz near-field of nanogap structures, and THz-STM measurements. It is known that the near-field waveform depends on the geometry of the antenna, but from the measurement results using the first probe 5a and the second probe 5b, which have slightly different shapes, when using the same pump light 21 However, it was shown that the near-field waveforms generated at the tip of the probe differ greatly. Since it is very difficult to predict the near-field waveform for each experimental condition, it is important to directly measure the near-field as described in this embodiment.
上述した第1の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)電子顕微鏡1は、ポンプ光21を探針5に照射し近接場を形成するポンプ光出力部2と、ポンプ光21の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、ポンプ光21もパルス幅が短い観察光31を探針5に照射する観察光出力部3と、観察光31が探針5に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部6と、ポンプ光21により探針5に近接場が形成されている間に、換言するとポンプ光21により試料900が励起されている間に、観察光31が探針5に照射されるように、ポンプ光21および観察光31の少なくとも一方の照射タイミングを調整する遅延時間調整部3Aとを備える。そのため近接場を直接測定することができる。
According to the first embodiment described above, the following effects are obtained.
(1) The
(2)電子顕微鏡1は、ポンプ光21の照射開始から観察光31の照射開始までの時間である遅延時間を複数通りに変化させる遅延時間調整部を備える。そのため近接場の時間変化、すなわち近接場の波形を測定できる。
(2) The
(3)ポンプ光21はポンププローブ法におけるポンプ光である。被照射物はポンププローブ法における探針である。電子顕微鏡1は、ポンププローブ法におけるプローブ光であるプローブ光41を試料900に照射するプローブ光出力部4を備える。そのため近接場の測定とポンププローブ法による試料900の解析とを一体の装置で実現できる。
(3)
(4)試料900を、探針5から光電子を受け取る対向電極として機能させる。計測部6は試料900を介して光電子を測定する。観察光31は探針5に照射されることで多光子吸収過程により光電子を放出させる。そのため測定対象である試料900を用いて実験環境において近接場を測定できる。
(4) Make the
(5)電子顕微鏡1は、観察光31の照射領域を移動させる照射位置調整部3Bを備える。そのため図7および図8に示すように探針5の様々な位置における特性を測定することができる。
(5) The
(6)電子顕微鏡1は、探針5にバイアス電圧Vdcを印加する印加部7を備える。印加部7によってバイアス電圧Vdcを印加してポンプ光21による近接場が形成されなくても一定の光電子電流が流れるようにすることで、図8(b)~(d)に示したように負の値が測定可能となる。
(6) The
―第2の実施の形態―
図11~図13を参照して、本発明に係る測定装置である第2の実施の形態を説明する。以下の説明では、第1の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第1の実施の形態と同じである。
-Second Embodiment-
A second embodiment of the measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 13. FIG. In the following description, the same components as those in the first embodiment are assigned the same reference numerals, and differences are mainly described. Points that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.
(第2の実施の形態の概要)
第2の実施の形態では、トンネル電流を計測することにより、ポンプ光が照射されることで生じる近接場を観察する。
(Overview of Second Embodiment)
In the second embodiment, the near field generated by irradiation with pump light is observed by measuring the tunnel current.
(構成)
図11は、第2の実施の形態にかかる電子顕微鏡1Aの構成概要図である。電子顕微鏡1Aの構成は以下の点を除いて第1の実施の形態における電子顕微鏡1と同一である。電子顕微鏡1Aは、観察光出力部3の代わりに観察光出力部3Kを備える。観察光出力部3Kが出力する観察光31Aは、第1の実施の形態における観察光31と波長が異なる。また観察光出力部3Kは遅延時間調整部3Aは備えるが照射位置調整部3Bは備えなくてもよい。また第2の実施の形態では、探針5の先端51aと試料900との距離がトンネル電流が流れる距離、すなわち1ナノメートル以下に設定される。
(Constitution)
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an electron microscope 1A according to the second embodiment. The configuration of the electron microscope 1A is the same as that of the
第2の実施の形態では、探針5に観察光31Aが照射されても多光子吸収過程による光電子の放出が起こらないように観察光31Aの波長が決定される。たとえば第1の実施の形態と同様に探針5がPt/Irでコーティングされたタングステンの場合に、観察光31は1030ナノメートルのIR光とする。また本実施の形態では、試料900として第1の実施の形態において用いたグラファイト(HOPG)のほかに、セレン化ビスマス(Bi2Se3)も用いる。なおセレン化ビスマスの表面は、真空劈開することによって準備した。
In the second embodiment, the wavelength of the observation light 31A is determined so that even if the
(測定状態)
図12は、第2の実施の形態における近接場の測定状態を示す図である。ただし図12は位置関係などの概略を示すものであり、寸法や距離は誇張して表現されている。図2に示した第1の実施の形態との相違点は、探針5と試料900との距離が近い点、および観察光31Aが探針5の1か所のみに照射される点である。なお本実施の形態では探針5と試料900との距離を近づける必要があるので、電流増加時にサンプルが破壊されることを防止するために印加部7による印加電圧は低く設定している。
(Measurement state)
FIG. 12 is a diagram showing a near-field measurement state in the second embodiment. However, FIG. 12 shows an outline of the positional relationship, etc., and the dimensions and distances are exaggerated. Differences from the first embodiment shown in FIG. 2 are that the distance between the
(測定原理)
図13(a)はトンネル電流領域での近接場の測定メカニズムのモデル図である。図13(a)に示すように、トンネル接合ではポンププローブ光の電場に加え鏡像ポテンシャルの影響によってトンネル障壁が実質的に低下しホットエレクトロンがトンネルしやすくなる。ポンプ光21が探針5に照射されることで生じる近接場の影響により障壁が低くなっているところに観察光31Aが照射されると、ホットエレクトロンが効率的にトンネルする。トンネル電流Itは観察光31Aの探針5への照射により変化する障壁に依存し、光電子放出の場合と同様にホットエレクトロンの緩和がフェムト秒オーダーと早いため、観察光を照射した瞬間の電流を測定できることで高い分解能で近接場波形に近いスペクトルが得られる。
(measurement principle)
FIG. 13(a) is a model diagram of the near-field measurement mechanism in the tunneling current region. As shown in FIG. 13(a), in the tunnel junction, the tunnel barrier is substantially lowered due to the effect of the mirror potential in addition to the electric field of the pump probe light, making it easier for hot electrons to tunnel. When the
(測定結果)
図13(b)、(c)はそれぞれ、試料900にグラファイトとセレン化ビスマスを用いた場合のトンネル電流Itの時系列変化を示す図である。なおこの場合のポンプ光21の時系列変化は図8(a)に示したとおりである。図13(b)に示すグラファイトの測定結果では、信号が小さく遅延時間ゼロのピーク以外はノイズレベルになっている。一方で図13(c)に示すセレン化ビスマスの測定結果では、よりはっきりとポンプ光21を反映した信号が得られている。これは、印加部7が印加電圧を下げることで探針5と試料900との間の距離を近づけることを可能にするが、グラファイトよりも試料抵抗の高いセレン化ビスマスは、グラファイトよりも探針5との距離が近いので信号が強く観察されたと考えられる。
(Measurement result)
13B and 13C are diagrams showing time-series changes in the tunneling current It when graphite and bismuth selenide are used for the
ところで図13(c)に示すトンネル電流の波形は、図8(a)に示したポンプ光21の波形や、第1の実施の形態において光電子放出で求めた電圧変化に比べると、正負の非対称性、換言すると第1ピークと第2ピークの比が大きい。この理由を説明する。 By the way, the waveform of the tunneling current shown in FIG. 13(c) is positively and negatively asymmetric compared to the waveform of the pump light 21 shown in FIG. 8(a) and the voltage change obtained by photoelectron emission in the first embodiment. characteristics, in other words, the ratio of the first peak to the second peak is large. The reason for this is explained.
図13(d)はトンネル電流のIV曲線を示す図である。また図13(d)の下部には図8(a)に示したポンプ光21の波形を示し、図13(d)の右側には図13(c)の波形を示している。実際は、図13(d)の下部の電場は、ポンプ光21によって誘起された電場になる。図13(d)に示すIV曲線は、Vの絶対値がある閾値を超えるとIが急激に変化する、高次関数のような非線形性を有する。図13(c)に示すトンネル電流の波形は、ポンプ光21が図13(d)に示すIVカーブの非線形性により整流されたものなので、正負の非対称性が大きい。
FIG. 13(d) is a diagram showing an IV curve of tunnel current. The lower part of FIG. 13(d) shows the waveform of the pump light 21 shown in FIG. 8(a), and the right side of FIG. 13(d) shows the waveform of FIG. 13(c). Actually, the electric field in the lower part of FIG. 13(d) is the electric field induced by the
上述した第2の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(7)計測部6はトンネル電流を測定する。そのため探針5により探針増強され、さらに試料900の影響を受けた近接場を直接測定できる。非対称性は、IVカーブを用いて補正することで、正確な電場波形を得ることができる。
According to the second embodiment described above, the following effects are obtained.
(7) The
(種々の変形例)
上述したそれぞれの実施の形態は次のA~Eのように変形してもよい。
(A)遅延時間調整部3Aは、観察光出力部3ではなくポンプ光出力部2に備えられてもよい。(B)電子顕微鏡1はプローブ光出力部4を備えなくてもよい。(C)電子顕微鏡1は印加部7を備えなくてもよい。(D)電子顕微鏡1は遅延時間調整部3Aおよび照射位置調整部3Bを備えなくてもよい。(E)観察光31による信号が微弱な場合には、ポンプ光21や観察光31の位相を変調させ、ロックイン検出を行ってもよい。
(various modifications)
Each of the embodiments described above may be modified as in A to E below.
(A) The delay time adjustment section 3A may be provided in the pump
(変形例1)
上述したそれぞれの実施の形態は、さらに次のように変形してもよい。すなわち、波形が測定される対象となる光は、ポンププローブ法におけるポンプ光に限定されず、どのような実験に用いられる光であってもよいし、実験以外に用いられる光であってもよい。たとえばIR光をポンプ光として試料を励起し、THz光をプローブ光として用いれば、相転移等が測定できる。この際のTHz光の波形を測定してもよい。また、1ピコ秒のTHz光をポンプ光、30フェムト秒のTHz光をプローブ光として用いれば、サブサイクル分光が可能となる。この場合にいずれのTHz光を測定対象としてもよい。
(Modification 1)
Each embodiment described above may be further modified as follows. That is, the light whose waveform is to be measured is not limited to the pump light in the pump-probe method, and may be light used in any experiment, or light used in a non-experiment. . For example, by using IR light as pump light to excite a sample and THz light as probe light, a phase transition or the like can be measured. The waveform of the THz light at this time may be measured. Subcycle spectroscopy becomes possible by using 1 picosecond THz light as pump light and 30 femtosecond THz light as probe light. In this case, any THz light may be measured.
(変形例2)
第1の実施の形態では光電子領域、第2の実施の形態ではトンネル領域に本発明を適用する例を説明した。しかし本発明をさらに電界放出領域に適用してもよい。すなわち本発明は、観察対象光により障壁が変化するので、その障壁の変化に対応した電子の量を測定することで観察対象光の変化を間接的に測定するものであり、様々な領域に適用可能である。
(Modification 2)
An example in which the present invention is applied to the photoelectron region in the first embodiment and to the tunnel region in the second embodiment has been described. However, the invention may also be applied to field emission regions. That is, the present invention indirectly measures the change in the observation target light by measuring the amount of electrons corresponding to the change in the barrier because the observation target light changes the barrier. It is possible.
上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。 Each of the embodiments and modifications described above may be combined. Although various embodiments and modifications have been described above, the present invention is not limited to these contents. Other aspects conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.
1…電子顕微鏡
2…ポンプ光出力部
3…観察光出力部
3A…遅延時間調整部
3B…照射位置調整部
4…プローブ光出力部
5…探針
6…計測部
7…印加部
21…ポンプ光
31…観察光
41…プローブ光
900…試料
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第1光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第1光よりもパルス幅が短い第2光を前記被照射物に照射する第2光学系と、
前記第2光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定する計測部と、
前記第1光により前記被照射物が励起されている間に、前記第2光が前記被照射物に照射されるように、前記第1光および前記第2光の少なくとも一方の照射タイミングを調整するタイミング調整部とを備える測定装置。 a first optical system that irradiates an object to be irradiated with first light whose carrier envelope phase is locked to form a near-field;
a second optical system that irradiates the object with a second light having a pulse width shorter than that of the first light so as to overlap at least a part of an irradiation range of the first light;
a measurement unit that measures photoelectrons or tunnel current emitted when the object is irradiated with the second light;
Adjusting the irradiation timing of at least one of the first light and the second light so that the second light is applied to the object while the object is being excited by the first light. A measuring device comprising a timing adjustment unit that
前記第1光の照射開始から前記第2光の照射開始までの時間である遅延時間を複数通りに変化させる遅延時間調整部をさらに備える測定装置。 In the measuring device according to claim 1,
The measurement apparatus further includes a delay time adjustment unit that changes a delay time, which is the time from the start of irradiation of the first light to the start of irradiation of the second light, in a plurality of ways.
前記第1光はポンププローブ法におけるポンプ光であり、
前記被照射物はポンププローブ法における探針であり、
ポンププローブ法におけるプローブ光を試料に照射する第3光学系をさらに備える測定装置。 In the measuring device according to claim 1,
The first light is pump light in a pump probe method,
The object to be irradiated is a probe in a pump-probe method,
A measuring apparatus further comprising a third optical system for irradiating a sample with probe light in a pump-probe method.
前記試料を、前記探針から前記光電子を受け取る対向電極として機能させ、
前記計測部は前記試料を介して前記光電子を測定し、
前記第2光は前記探針に照射されることで多光子吸収過程により前記光電子を放出させる測定装置。 In the measuring device according to claim 3,
causing the sample to function as a counter electrode that receives the photoelectrons from the probe;
The measurement unit measures the photoelectrons through the sample,
A measurement apparatus for emitting photoelectrons through a multiphoton absorption process when the probe is irradiated with the second light.
前記第2光の照射領域を移動させる照射位置調整部をさらに備える測定装置。 In the measuring device according to claim 4,
The measuring device further comprising an irradiation position adjusting unit that moves the irradiation area of the second light.
前記探針にバイアス電圧を印加する印加部をさらに備える測定装置。 In the measuring device according to claim 3,
A measuring device further comprising an applying unit that applies a bias voltage to the probe.
前記計測部はトンネル電流を測定する測定装置。 In the measuring device according to claim 3,
The measuring unit is a measuring device that measures a tunnel current.
前記第1光の照射範囲の少なくとも一部に重なるように、前記第1光よりもパルス幅が短い第2光を前記被照射物に照射することと、
前記第2光が前記被照射物に照射されることで放出される光電子またはトンネル電流を測定することと、
前記第1光により前記被照射物が励起されている間に、前記第2光が前記被照射物に照射されるように、前記第1光および前記第2光の少なくとも一方の照射タイミングを調整することとを含む近接場の測定方法。 irradiating an object to be irradiated with the first light whose carrier envelope phase is locked to form a near-field;
irradiating the object with a second light having a pulse width shorter than that of the first light so as to overlap at least a part of the irradiation range of the first light;
measuring photoelectrons or tunnel current emitted by irradiating the object with the second light;
Adjusting the irradiation timing of at least one of the first light and the second light so that the second light is applied to the object while the object is being excited by the first light. A near-field measurement method comprising:
前記第1光の照射開始から前記第2光の照射開始までの時間である遅延時間を複数通りに変化させることをさらに含む近接場の測定方法。 In the near-field measuring method according to claim 8,
A near-field measuring method further comprising changing a delay time, which is a time from the start of irradiation of the first light to the start of irradiation of the second light, in a plurality of ways.
前記第1光はポンププローブ法におけるポンプ光であり、
前記被照射物はポンププローブ法における探針であり、
ポンププローブ法におけるプローブ光を試料に照射することをさらに含む近接場の測定方法。 In the near-field measuring method according to claim 8,
The first light is pump light in a pump probe method,
The object to be irradiated is a probe in a pump-probe method,
A near-field measuring method further comprising irradiating a sample with probe light in a pump-probe method.
前記試料を、前記探針から前記光電子を受け取る対向電極として機能させ、
前記試料を介して前記光電子を測定し、
前記試料と前記探針の距離をトンネル電流が流れない距離とする近接場の測定方法。 In the near-field measuring method according to claim 10,
causing the sample to function as a counter electrode that receives the photoelectrons from the probe;
measuring the photoelectrons through the sample;
A near-field measuring method in which the distance between the sample and the probe is set to a distance at which tunnel current does not flow.
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