JPH01320750A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

走査型トンネル顕微鏡

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JPH01320750A
JPH01320750A JP63153487A JP15348788A JPH01320750A JP H01320750 A JPH01320750 A JP H01320750A JP 63153487 A JP63153487 A JP 63153487A JP 15348788 A JP15348788 A JP 15348788A JP H01320750 A JPH01320750 A JP H01320750A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、走査型トンネル顕微鏡に係わり、特に表面の
磁気的性質を調べるように改良した走査型トンネル顕微
鏡に関する。
(従来の技術) 最近の薄膜形成技術、特にMBE(分子線エピタキシー
法)やCVD (気相成長法)等の大きな発展により、
数nmの磁性薄膜を作成することが可能になってきてお
り、多方面への応用が期待されている。膜の厚さが1〜
数原子層である場合には、その膜の磁気的な性質(例え
ばキューり温度)は、その膜の物質かマクロな結晶をな
している時の性質とは必すしも同一ではなく、従って磁
性薄膜それ自身の性質を測定することが必要である。
同様のことは、表置磁性(磁性体の表面がバルクとは異
なった磁性を示すこと)についても当てはまる。   
                □1表面磁性(ここ
では、磁性薄膜の性質も含めた広い意味を指すものとす
る)の測定法は、次の2つの条件を満たすことが要求さ
れる。
■ 表面に敏感であること。
■ 電子スピンに敏感であること。
これらの条件を満たす従来の技術としては、偏極光電子
分光法や偏極LEED (偏極低速電子線回折)法等が
ある。これらは公知の技術であり、既に幾つかの研究成
果が得られているが、反面、問題点も多く残っている。
まず、物理的な欠点としては、上記の技術が表面磁性の
平均的な性質しか測定し得ないことが挙げられる。上記
いずれの技術も空間分解能が低く、測定によって得られ
る情報は高々数1onIIl径の範囲の平均的な性質で
ある。しかしながら、遍歴磁性体はともかく、多くの重
要な磁性体では、磁性を担う電子スピンは局在しており
、それ故にスピン分布を原子尺度の空間分解能で観察す
ることか極めて重要な課題となっている。
次に、技術的には、上記の技術のいずれもが、費用のか
かる大掛かりなものである、と言う欠点がある。偏極L
EED法ではGaAs偏極電子源を必要とし、この電子
源は、レーザによる光ポンピングを利用した大きなもの
である。また、偏極光電子分光法には、モット(Mo1
t)検出器が使用されるが、これは前段に静電加速器を
取付けた大型の検出器である。
一方、これらの技術とは対照的に、最近開発された走査
型トンネル顕微鏡(以下STMと略記する)は、原子尺
度で表面を観察できる装置である。
STMは、探針と呼ばれる金属針を試料表面からlnm
程度の距離に近付け、針と表面間に流れるトンネル電流
が両者の距離に敏感であることを利用して、表面の起伏
を測定する装置である。STMの大きな利点は、針と試
料間に加わる電圧を変化させることによって、ある特定
のエネルギーを持った表面電子が、どのように空間的に
分布しているか(所謂局所状態密度)、を知り得ること
にある。例えば、GaAsの場合、電子はAs原子に局
在しているが、STMではAsに局在した電子の詰まっ
た状態とGaに局在する電子が不在の状態とを区別して
イメージすることができる。
しかしながら、STMでは、電子スピンについての情報
は得られない。それは、針と試料表面との間をトンネル
する電子が偏極していないからである。
(発明が解決しようとする課題) このように従来、電子スピンに蔽感な測定技術は空間分
解能が低く、高分解能のSTMはその原理から電子スピ
ンの分布を測定することは困難であった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、1nIll程度以下の高い空間分解
能で電子スピンの分布を測定することができる走査型ト
ンネル顕微鏡を提供することにある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の骨子は、通常のSTMの探針の代わりに、偏極
電子を放出するエミッタを探針として使用する巳とにあ
る。
即ち本発明は、被検査試料の表面に探針を近接させると
共に、試料と探針との間に所定の電圧を印加し、両者の
間に流れるトンネル電流に基づいて試料表面を検査する
走査型トンネル顕微鏡において、前記探針として、スピ
ン偏極した電子を放出する探針(例えばタングステンか
らなる金属針の表面に硫化ユーロピウムを被覆してなり
、該金属針の軸方向に磁界を印加されて該軸方向に電子
スピンが揃った電子のみを放出する探針)を用い、試料
表面の電子スピンの′状態を検査するようにしたもので
ある。
′(作 用) スピン偏極エミッタを探針とした場合、探針から試料表
面に向かって流れる電子は100%近く偏極している。
この探針を磁性体表面に沿って走夜型させる場合を考え
る。磁性体の電子分布(ま電子スピンの向きによって異
なっているが、探針の偏極電子は、それ自身のスピンと
反平行なスピンを持つ電子が分布している領域でのみ、
探針刃)ら試料に流れる。従って、この電流の変化から
、試料表面における上向き或いは下向きスピンを持つ電
子の分布が得られる。正確には、エミ・ソタカ1らの電
子の偏極方向を反転させた場合とさせな0場合について
走査を行い、2つの結果の差を取ることによって、上向
きスピンと下向きスピンの分布の差−即ちミクロな磁化
−の空間的な変化力く測定される。なお、エミッタの先
端形状は、STMて普通に用いられている探針と同じで
あり、従って偏極エミッタの使用によって、空間分解能
か大きく損なわれることはない。
(実施例) 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
第1図は本発明の一実施例に係わるスピン偏極STMを
示す概略構成図である。このSTM4よ基本的には、従
来の低温用STMと同じ構造を有する。即ち、第1図に
おいて、1はシリンダーであり、このシリンダー1の内
壁に沿ってピストン3がスライドする。ピストン3は押
しネジ2によって駆動され、その動きはコイルバネ4.
板ノくネ5を介して積層型ピエゾ素子6に伝えられる。
2つのハネ4,5は縮小バネとなっており、ピストン3
の動きは、縮小されてピエゾ素子6に伝えられる。ピエ
ゾ素子6には円筒型ピエゾ素子7が固定され、ピエゾ素
子7には探針として作用する偏極エミッタ6が取付けら
れている。そして、前記ピストン3の動きにより、ピエ
ゾ素子7に取付けられた偏極エミッタ8を試料9に数μ
mまで近付けるものとなっている。
積層型ピエゾ素子6は、ピストン3の動きにより偏極エ
ミッタ8を試料9に数μmまで近付けた後、エミッター
試料間にトンネル電流か流れるまで両者を近付けるのに
使用される。偏極エミ・ツタ8と試料9との間にトンネ
ル電流か流れてからは、円筒形ピエゾ素子7によってエ
ミッタ8の走査が行われる。
なお、図中10は試料9の位置調整用のネジであり、1
1は偏極エミッタ8からの電子のスピン方向を決めるた
めの磁石である。また、図には示さないが、試料9の下
には試料9に磁界を印加するだめの磁石が配置される。
そして、第1図のユニット全体は、液体ヘリウム中で動
作するものとなっている。
第2図は偏極エミッタ部を拡大して示す模式図である。
エミッタ8は、先端を尖らせたタングステンの針21(
先端曲率半径1μm以下)の表面に400人程鹿の厚さ
のEuS (硫化ユーロピウム)層22を蒸着したもの
である。EuSは、17 K以下で強磁性体となり、タ
ングステンの電子23に対するスピンフィルターの役目
を果たす。これは、W −E u Sの界面のエネルギ
ー障壁の高さかスピンの向きによって異なるためてあり
、十分な電界(0,lV/入)を加えると、1方向のス
ピンを持った電子24のみがEu3層12を通って放出
される。放出電子の偏極度は、ヘリウム温度では90%
以上に達する。
次に、スピン偏極STMの動作を説明する。最初に装置
全体をヘリウム温度に冷却する。次いて、エミッタ8と
試料9との間に数ホルト(試料が正電位)を加え、押し
ネジ2.ハネ4,5.積層型ピエゾ素子6を用いて、ト
ンネル電流(又は電界放出による電流)が流れるまで、
エミッタ8を試料9に近付ける。その後は、円筒型ピエ
ゾ素子7により、表面の走査を行う。このとき、エミッ
タ8と試料9との関係は第3図に示す如くなり、エミッ
ター試料間に直流電源13及び電流計14が接続され、
走査を行ったときの電流計14の検出値の変化が検出さ
れる。また、試料9の裏面には、必要に応じて磁石]2
か配置される。この磁石12は試料9の表面における電
子スピンの向きを一方向(上下方向)に揃えるものであ
る。
第3図の状態では、偏極エミッタ8の電子は、それ自身
のスピンと反平行なスピンを持つ電子か分布している領
域でのみ、試料側に流れる。従って、この電流の変化か
ら上向きのスピンを持つ電子の分布が得られる。また、
磁石11によりエミッタ8からの電子のスピンを反転す
ることができるので、反転の前後でのSTMイメージを
比較することができ、試料表面の局所的な磁性が調べら
れる。
スピン偏極走査型トンネル顕微鏡の分解能は、エミッタ
形状とエミッター試料間の距離に依存する。エミッター
試料間の電位差を2Vとするとき、EuSスピンフィル
タが働くための電界をIB7るには、エミッター試料間
の距離は20人程度であればよい。そしてこの場合、エ
ミッタ先端の実効的な曲率半径を10人とすると、分解
能は8人となる。
かくして本実施例によれば、試料表面の電子スピンの分
布を数人と言う極めて高い未聞分解能で測定することが
できる。このため、各種磁性体の磁気的性質を原子尺度
で測定することが可能となり、その有用性は絶大である
。また、偏極光電子分光法や偏極LEED法とは異なり
、大型の電子源や検出器等を必要とすることなく、簡易
に実現し得る等の利点もある。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記探針は、タングステンからなる金属針
の表面に硫化ユーロピウムを被覆したものに限らず、金
属針の軸方向に磁界を印加されて該軸方向に電子スピン
が揃った電子のみを放出するものであればよい。具体的
には、タングステンの代わりには、ニッケルその他、針
状加工が可能な各種の金属を用いることができる。さら
に、硫化ユーロピウムの代わりには、スピンフィルター
として作用するものであればよく、一般には特定の温度
で強磁性の絶縁体となる材料を用いることが可能である
。また、探針の走査機構は第1図に同等限定されるもの
ではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。
[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、通常のSTMの探
針の代わりに、偏極電子を放出するエミッタを探針とし
て使用することにより、lnm程度以下の高い空間分解
能で電子スピンの分布を測定することが可能となる。従
って、各種磁性体の表面磁性状態を測定するのに極めて
有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係わるスピン偏極□走査型
トンネル顕微鏡を示す概略構成図、第2図は偏極エミッ
タを拡大して示す模式図、第3図は偏極エミッタ、試料
及び磁石等の配置例を示す模式図である。 1・・・シリンダー、2・・・ピストン駆動用ネジ、3
・・・ピストン、4・・・コイルバネ、5・・・板ノく
ネ、6・・・積層型ピエゾ素子、7・・・円筒型ピエゾ
素子、9・・・試料、10・・・試料駆動用ネジ、11
.12・・・磁石、21・・・タングステン針、22・
・・EuS層、23・・・タングステン内の電子、24
・・・放出された電子。 出願人復代理人 弁理士 鈴江武彦 第2図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)被検査試料の表面に、スピン偏極した電子を放出
    する探針を近接させると共に、試料と探針との間に所定
    の電圧を印加し、両者の間に流れるトンネル電流に基づ
    いて試料表面の電子スピンの状態を検査することを特徴
    とする走査型トンネル顕微鏡。
  2. (2)前記探針は、タングステンからなる金属針の表面
    に硫化ユーロピウムを被覆してなり、該金属針の軸方向
    に磁界を印加されて該軸方向に電子スピンが揃った電子
    のみを放出するものであることを特徴とする請求項1記
    載の走査型トンネル顕微鏡。
  3. (3)前記試料は、被検査表面と直交する方向に磁界を
    印加され、電子スピンの向きを磁界印加方向に及びこれ
    と逆の方向に揃えられたものであることを特徴とする請
    求項1記載の走査型トンネル顕微鏡。
  4. (4)前記試料及び探針は、液体ヘリウム温度まで冷却
    されていることを特徴とする請求項1記載の走査型トン
    ネル顕微鏡。
JP63153487A 1988-06-23 1988-06-23 走査型トンネル顕微鏡 Expired - Lifetime JP2760508B2 (ja)

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