JPH0312504A - 走査型トンネル顕微鏡の制御方式 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡の制御方式Info
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- JPH0312504A JPH0312504A JP14747189A JP14747189A JPH0312504A JP H0312504 A JPH0312504 A JP H0312504A JP 14747189 A JP14747189 A JP 14747189A JP 14747189 A JP14747189 A JP 14747189A JP H0312504 A JPH0312504 A JP H0312504A
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Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、試料に探針を近づけて3次元に駆動してトン
ネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡の制御方式に
関する。
ネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡の制御方式に
関する。
探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重なり合うn
mオーダまで探針の先端を試料表面に近づけごこの状態
で探針と試料との間に電圧をかけるとトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は、特に、探針と試料との間の
距離(探針の高さ)に敏感であるため、トンネル電流の
大きさを測定することにより試料と探針との間の距離を
超精密測定することができる。
mオーダまで探針の先端を試料表面に近づけごこの状態
で探針と試料との間に電圧をかけるとトンネル電流が流
れる。このトンネル電流は、特に、探針と試料との間の
距離(探針の高さ)に敏感であるため、トンネル電流の
大きさを測定することにより試料と探針との間の距離を
超精密測定することができる。
走査型トンネル顕微鏡(STM)は、上記トンネル電流
が一定になるように探針の貰さを制御しながら、探針を
水平方向に走査した時の探針の高さ軌跡により試料表面
の凹凸形状を観察するものであり、表面原子配列を解析
する上で注目されている装置である。また、走査型トン
ネル顕微鏡は、表面分析の手段として定着しつつあり、
さらに、その応用分野も表面の原子位置を調べる顕微鏡
法のみならず、表面の電子状態を局所的に調べる分光法
の分野にも広がってきている。しかも、走査型トンネル
顕微鏡は、その原理、機構の廟便さ、更に装置サイズも
小さいことから短期間に各種の分野に普及してきている
。
が一定になるように探針の貰さを制御しながら、探針を
水平方向に走査した時の探針の高さ軌跡により試料表面
の凹凸形状を観察するものであり、表面原子配列を解析
する上で注目されている装置である。また、走査型トン
ネル顕微鏡は、表面分析の手段として定着しつつあり、
さらに、その応用分野も表面の原子位置を調べる顕微鏡
法のみならず、表面の電子状態を局所的に調べる分光法
の分野にも広がってきている。しかも、走査型トンネル
顕微鏡は、その原理、機構の廟便さ、更に装置サイズも
小さいことから短期間に各種の分野に普及してきている
。
走査型トンネル顕微鏡の応用としては、例えばデバイス
分野に於ける「表面粗さ計」や「超微細加工装置」への
応用などがある。近年、このデバイス分野では、表面加
工装置の発展が著しく、それに伴い測定精度もサブミク
ロンからオングストロームオーダの高い精度が必要とな
り、そのため高い精度の測定装置に対する要求が増加し
ている。
分野に於ける「表面粗さ計」や「超微細加工装置」への
応用などがある。近年、このデバイス分野では、表面加
工装置の発展が著しく、それに伴い測定精度もサブミク
ロンからオングストロームオーダの高い精度が必要とな
り、そのため高い精度の測定装置に対する要求が増加し
ている。
その点、走査型トンネル顕微鏡は、「光学式表面粗さ計
」より更に高い精度の測定手段として非破壊でしかも原
子スケールまで測定できる装置として注目を浴びてきて
いる。
」より更に高い精度の測定手段として非破壊でしかも原
子スケールまで測定できる装置として注目を浴びてきて
いる。
これまでのように探針をトンネル電流が一定になるよう
に制御しながら試料面を走査することによって試料の表
面凹凸像を観察するだけであれば、一定のシーケンスに
したがって3次元スキャナーの各圧電素子を制御するだ
けでよいが、走査型トンネル顕微鏡が「表面粗さの評価
」や「超微細加工」、「摩擦の研究」、「超微細パター
ン形状の3次元計測」を行うための手段として使われる
たtには、その機能面での改良、改善は勿論、さらには
測定器としての原子スケールでのマニプレーション機能
なども要求されてくる。
に制御しながら試料面を走査することによって試料の表
面凹凸像を観察するだけであれば、一定のシーケンスに
したがって3次元スキャナーの各圧電素子を制御するだ
けでよいが、走査型トンネル顕微鏡が「表面粗さの評価
」や「超微細加工」、「摩擦の研究」、「超微細パター
ン形状の3次元計測」を行うための手段として使われる
たtには、その機能面での改良、改善は勿論、さらには
測定器としての原子スケールでのマニプレーション機能
なども要求されてくる。
本発明は、上記の課題を解決するものであって、試料面
上における測定機能の中で、STMの機能として要求さ
れる任意の点における測長く高さ・幅・長さなど)や、
分光機能として要求される任意の位置にあけるスペクト
ロスコピーを簡便に行える技術が装備された走査型トン
ネル顕微鏡の制御方式を提供することを目的とする。
上における測定機能の中で、STMの機能として要求さ
れる任意の点における測長く高さ・幅・長さなど)や、
分光機能として要求される任意の位置にあけるスペクト
ロスコピーを簡便に行える技術が装備された走査型トン
ネル顕微鏡の制御方式を提供することを目的とする。
そのために本発明は、試料に探針を近づけて3次元に駆
動してトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡に
おいて、人力指示手段としてポインティングデバイスを
備えると共にポインティングデバイスの人力信号に基づ
き探針の駆動信号を発生する手段を備え、ポインティン
グデバイスの操作により探針の駆動を制御できるように
したことを特徴とするものである。
動してトンネル電流を検出する走査型トンネル顕微鏡に
おいて、人力指示手段としてポインティングデバイスを
備えると共にポインティングデバイスの人力信号に基づ
き探針の駆動信号を発生する手段を備え、ポインティン
グデバイスの操作により探針の駆動を制御できるように
したことを特徴とするものである。
本発明の走査型トンネル顕微鏡の制御方式では、ポイン
ティングデバイスの操作により探針の駆動を制御できる
ようにしているので、走査像を観ながらポインティング
デバイスで試料上の任意の位置を指定し、その位置に探
針を移動させることができ、探針を使って試料の加工や
測定の処理等を行うことができる。
ティングデバイスの操作により探針の駆動を制御できる
ようにしているので、走査像を観ながらポインティング
デバイスで試料上の任意の位置を指定し、その位置に探
針を移動させることができ、探針を使って試料の加工や
測定の処理等を行うことができる。
以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
第1図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の制御方式
の1実施例を示す図であり、lx、ly。
の1実施例を示す図であり、lx、ly。
1zは圧電素子、2はバイアス電源、3は探針、4は試
料、5はI/Vコンバータ、6は対数増幅回路、7はコ
ンパレータ、8はインテグレータ、9はZ軸駆動増幅回
路、1f)x、10yは走査駆動増幅回路、11はCP
Uモニタ、12はマウスを示す。
料、5はI/Vコンバータ、6は対数増幅回路、7はコ
ンパレータ、8はインテグレータ、9はZ軸駆動増幅回
路、1f)x、10yは走査駆動増幅回路、11はCP
Uモニタ、12はマウスを示す。
第1図において、圧電素子1xがX軸走査用、圧電素子
1yがY軸走査用、圧電素子1zがZ軸の制御用として
3次元PZTスキャナーを構成するものであり、そのた
め、例えば圧電素子lx。
1yがY軸走査用、圧電素子1zがZ軸の制御用として
3次元PZTスキャナーを構成するものであり、そのた
め、例えば圧電素子lx。
lyには剪断変形(シェアー)モード、圧電素子IZに
は伸縮モードが使用される。そ(−で、この3次元PZ
Tスキャナーの先端には探針3が取り付けられ、探針3
と試料4との間にはバイアス電源2が接続される。走査
駆動増幅回路10x、10yは、CPUモニタ11の駆
動信号にしたがって圧電素子1x、lyを駆動するもの
である。I/Vコンバータ5は、トンネル電流■、を電
圧に変換しさらに増幅するものであり、その次の段に接
続された対数増幅回路6は、I/Vコンバータ5の出力
信号が探針の高さと線形に対応するように信号変換(線
形化)を行うものである。コンパレータ7は、対数増幅
回路6の出力値をトンネル電流の設定値に対応する基準
値と比較するものであり、インテグレータ8は、コンパ
レータ7の出力を積分し、この出力が圧電素子1zに対
するZ軸の制御値となり、試料の表面凹凸イ象の表示デ
ー夕となる。すなわち、この信号は、2軸駆動増幅回路
9で圧電素子1zの制御信号として用いられ、CPUモ
ニタ11にビデオ信号として取り込まれる。CPUモニ
タ11は、ポインティングデバイスとしてマウス12を
有し、このマウス12の操作によって試料上の位置を指
定し、或いは任意のラインプロファイルを描画し人力す
ると、その位置へ探針3を駆動する信号や、描画された
ラインプロファイルで探針3を駆動する信号を走査駆動
増幅回路10x、10yに与えることができるように構
成されたものである。
は伸縮モードが使用される。そ(−で、この3次元PZ
Tスキャナーの先端には探針3が取り付けられ、探針3
と試料4との間にはバイアス電源2が接続される。走査
駆動増幅回路10x、10yは、CPUモニタ11の駆
動信号にしたがって圧電素子1x、lyを駆動するもの
である。I/Vコンバータ5は、トンネル電流■、を電
圧に変換しさらに増幅するものであり、その次の段に接
続された対数増幅回路6は、I/Vコンバータ5の出力
信号が探針の高さと線形に対応するように信号変換(線
形化)を行うものである。コンパレータ7は、対数増幅
回路6の出力値をトンネル電流の設定値に対応する基準
値と比較するものであり、インテグレータ8は、コンパ
レータ7の出力を積分し、この出力が圧電素子1zに対
するZ軸の制御値となり、試料の表面凹凸イ象の表示デ
ー夕となる。すなわち、この信号は、2軸駆動増幅回路
9で圧電素子1zの制御信号として用いられ、CPUモ
ニタ11にビデオ信号として取り込まれる。CPUモニ
タ11は、ポインティングデバイスとしてマウス12を
有し、このマウス12の操作によって試料上の位置を指
定し、或いは任意のラインプロファイルを描画し人力す
ると、その位置へ探針3を駆動する信号や、描画された
ラインプロファイルで探針3を駆動する信号を走査駆動
増幅回路10x、10yに与えることができるように構
成されたものである。
マウスを利用して画像上で距離の測定や画像からライン
プロファイル等を得る方法は、よく知られた技術である
が、本発明は、上記のような構成によりマウス12を利
用して走査型トンネルi!!@鏡の走査用の圧電素子1
xS1!/を直接制御できるようにするものである。走
査型トンネル顕微鏡の探針をマイクロマニコブレータ的
に使用できるようにすることは重要であり、特に、CP
Uからのマウス12を使ってこのような操作を行えるよ
うにすることは、操作性を向上させる面からも有効であ
る。
プロファイル等を得る方法は、よく知られた技術である
が、本発明は、上記のような構成によりマウス12を利
用して走査型トンネルi!!@鏡の走査用の圧電素子1
xS1!/を直接制御できるようにするものである。走
査型トンネル顕微鏡の探針をマイクロマニコブレータ的
に使用できるようにすることは重要であり、特に、CP
Uからのマウス12を使ってこのような操作を行えるよ
うにすることは、操作性を向上させる面からも有効であ
る。
次に、走査型トンネル1!微鏡の応用技術の1つである
S TS (Scanning Tunnelling
5pectrascopy)への応用について説明す
る。
S TS (Scanning Tunnelling
5pectrascopy)への応用について説明す
る。
第2図はマウスを使って行う処理の例を説明するための
図、第3図は試料側にも駆動機構を備えた構成例を示す
図である。
図、第3図は試料側にも駆動機構を備えた構成例を示す
図である。
走査型トンネル顕微鏡が現在最も威力を発揮しているの
は、表面構造の研究である。それは、固体表面の原子配
列を直接実像として捕えることができ、表面構造の空間
的ゆらぎ、不均一性を知ることができるからである。こ
のことは、従来の表面構造の観察法である、例えばLE
ED法やRHEED法では得られなかったことであり、
この方面の研究に走査型トンネル顕微鏡は不可欠な手段
である。STSは、簡単にいうと探針・−試料間のバイ
アスを変化させてデータを取る方法であり、試料表面の
電子状態を理解する方法として大いに期待される技術で
ある。
は、表面構造の研究である。それは、固体表面の原子配
列を直接実像として捕えることができ、表面構造の空間
的ゆらぎ、不均一性を知ることができるからである。こ
のことは、従来の表面構造の観察法である、例えばLE
ED法やRHEED法では得られなかったことであり、
この方面の研究に走査型トンネル顕微鏡は不可欠な手段
である。STSは、簡単にいうと探針・−試料間のバイ
アスを変化させてデータを取る方法であり、試料表面の
電子状態を理解する方法として大いに期待される技術で
ある。
3次元でのトンネル電流密度工、は、印加電圧が小さい
と仮定すると、 1、−eV、−ρTip(εF)°ρSampL*(ε
F)と表すことができる。ただし、ρは状態密度であり
、ε、はフェルミ準位である。
と仮定すると、 1、−eV、−ρTip(εF)°ρSampL*(ε
F)と表すことができる。ただし、ρは状態密度であり
、ε、はフェルミ準位である。
走査型トンネル顕微鏡は、トンネル電流ITが一定にな
るようにして探針を走査させるので、探針は、フェルミ
準位ε、近傍のエネルギー領域にある電子が形成する等
電荷密度面に沿って動くことになる。そこで、いま探針
をある位置に固定して、探針と試料との間にかける電圧
v7を掃引すると、探針は、試料から探針(または探針
から試料)へ流れるトンネル電流I、に寄与する電子の
エネルギーの下限が走査されることになる。したがって
、電圧Vアを単位量だけ変化させたときのトンネル電流
I7の変化dlt/dVtlま、エネルギーの下限を単
位量だけ変化させたときのトンネル電子数の変化、すな
わちそのエネルギーでの試料と探針の状態密度との積(
これを結合状態密度と呼ぶ)であり、これは、上式にほ
かならない。
るようにして探針を走査させるので、探針は、フェルミ
準位ε、近傍のエネルギー領域にある電子が形成する等
電荷密度面に沿って動くことになる。そこで、いま探針
をある位置に固定して、探針と試料との間にかける電圧
v7を掃引すると、探針は、試料から探針(または探針
から試料)へ流れるトンネル電流I、に寄与する電子の
エネルギーの下限が走査されることになる。したがって
、電圧Vアを単位量だけ変化させたときのトンネル電流
I7の変化dlt/dVtlま、エネルギーの下限を単
位量だけ変化させたときのトンネル電子数の変化、すな
わちそのエネルギーでの試料と探針の状態密度との積(
これを結合状態密度と呼ぶ)であり、これは、上式にほ
かならない。
それゆえ、dr↑/aVtの関数としてトンネル電流I
、と電圧VTを測定すると、試料の電子状態密度の情報
が得られる。探針のフェルミ準位が試料のフェルミ準位
の充分下から上まで走査するように電圧V、をプラス、
マイナスで大幅に変化させると、電子によって占有され
たエネルギー領域の状態密度の情報、及び電子が空きの
エネルギー領域の状態密度の情報が共に得られる。
、と電圧VTを測定すると、試料の電子状態密度の情報
が得られる。探針のフェルミ準位が試料のフェルミ準位
の充分下から上まで走査するように電圧V、をプラス、
マイナスで大幅に変化させると、電子によって占有され
たエネルギー領域の状態密度の情報、及び電子が空きの
エネルギー領域の状態密度の情報が共に得られる。
試料表面の電子状態密度を測定するためには、予め試料
表面の画像を採取し、その後画像の任意の位置を選択し
て電子状態密度を測定するという手順を踏む必要がある
。このような場合には、走査用の圧電素子1x、1yと
マウス12の組み合わせにより、例えば第2図(a)の
左側に示すような試料表面の画像を予め採取してCP
Uモニタ11上に表示し、この画像を見ながらマウス1
2により圧電素子1x、lyを制御して希望の位置へを
指定することによって、探針3をその位置へに移動させ
ることができ、さらにその位置にてバイアス電圧、トン
ネル電流等を自由に変換させて同図(a)の右側に示す
ようなデータを得ることができる。
表面の画像を採取し、その後画像の任意の位置を選択し
て電子状態密度を測定するという手順を踏む必要がある
。このような場合には、走査用の圧電素子1x、1yと
マウス12の組み合わせにより、例えば第2図(a)の
左側に示すような試料表面の画像を予め採取してCP
Uモニタ11上に表示し、この画像を見ながらマウス1
2により圧電素子1x、lyを制御して希望の位置へを
指定することによって、探針3をその位置へに移動させ
ることができ、さらにその位置にてバイアス電圧、トン
ネル電流等を自由に変換させて同図(a)の右側に示す
ようなデータを得ることができる。
また、通常行われているラインプロファイル等では、−
旦取り入れた画像について処理するが、本発明では、マ
ウス12と走査用の圧電素子IX%1yを1対1で駆動
することができるため、マウス12の操イ乍にしたがっ
てリアルタイムで測定、測長を行うことが可能になる。
旦取り入れた画像について処理するが、本発明では、マ
ウス12と走査用の圧電素子IX%1yを1対1で駆動
することができるため、マウス12の操イ乍にしたがっ
てリアルタイムで測定、測長を行うことが可能になる。
さらに、これらの技術は、走査型トンネル顕微鏡の超微
細加工への適用時にも有効な手段であり、ソフトウェア
との組み合わせで任意の形状に加工することも可能であ
る。この方法としては、パターンを直接描画するか、ま
た、予め第2図(b)に示すように描画したパターンを
コンピューターのバッファメモリに取り込んだ画像と対
比しながら原子・分子レベルでのマイクロマニブレーシ
ョンやイオンソースによるマニブレーションをリアルタ
イムで行うこともできる。
細加工への適用時にも有効な手段であり、ソフトウェア
との組み合わせで任意の形状に加工することも可能であ
る。この方法としては、パターンを直接描画するか、ま
た、予め第2図(b)に示すように描画したパターンを
コンピューターのバッファメモリに取り込んだ画像と対
比しながら原子・分子レベルでのマイクロマニブレーシ
ョンやイオンソースによるマニブレーションをリアルタ
イムで行うこともできる。
さらにまた、第3図に示すように試料4側に探針3側と
同様に圧電素子13x、13y、13zを取り付け、探
針3の代わりに試料4を走査してもよい。
同様に圧電素子13x、13y、13zを取り付け、探
針3の代わりに試料4を走査してもよい。
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば上記のn例では、
操作手段としてマウスを組み合わせて用いたが、ジョイ
スティックやキーその他のポインティングデバイスを用
いてもよいこというまでもない。
く、種々の変形が可能である。例えば上記のn例では、
操作手段としてマウスを組み合わせて用いたが、ジョイ
スティックやキーその他のポインティングデバイスを用
いてもよいこというまでもない。
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、圧電
走査素子を直接マウスやジョイスティック等のポインテ
ィングデバイスにて制御するので、■ 試料上を直接リ
アルタイムで測定・測長することができる、 ■ 直接リアルタイムで超微細加工、原子分子レベルで
のマイクロマニブレーションが可能となる、■ CPU
によりマウス等を使用して書き込んだパターンをバッフ
ァメモリに一旦書き込んでPZTを駆動することができ
、パターンを容易に修正可能なばかりでなく、はぼリア
ルタイムに近い感覚で描画できる、 等の効果が期待できる。
走査素子を直接マウスやジョイスティック等のポインテ
ィングデバイスにて制御するので、■ 試料上を直接リ
アルタイムで測定・測長することができる、 ■ 直接リアルタイムで超微細加工、原子分子レベルで
のマイクロマニブレーションが可能となる、■ CPU
によりマウス等を使用して書き込んだパターンをバッフ
ァメモリに一旦書き込んでPZTを駆動することができ
、パターンを容易に修正可能なばかりでなく、はぼリア
ルタイムに近い感覚で描画できる、 等の効果が期待できる。
第1図は本発明に係る走査型トンネル顕微鏡の制御方式
の1実施例を示す図、第2図はマウスを使って行う処理
の例を説明するための図、第3図は試料側にも駆動機構
を備えた構成例を示す図である。 1x−1yxlz・・・圧電素子、2・・・バイアス電
源、3・・・探針、4・・・試料、5・・弓/Vコンバ
ータ、6・・・対数増幅回路、7・・・コンパレータ、
8・・・インテグレータ、9・・・Z@駆動増幅回路、
10x、10y・・・走査駆動増幅回路、11・・・C
PUモニタ、12・・・マウス。 出 願 人 日本電子株式会社
の1実施例を示す図、第2図はマウスを使って行う処理
の例を説明するための図、第3図は試料側にも駆動機構
を備えた構成例を示す図である。 1x−1yxlz・・・圧電素子、2・・・バイアス電
源、3・・・探針、4・・・試料、5・・弓/Vコンバ
ータ、6・・・対数増幅回路、7・・・コンパレータ、
8・・・インテグレータ、9・・・Z@駆動増幅回路、
10x、10y・・・走査駆動増幅回路、11・・・C
PUモニタ、12・・・マウス。 出 願 人 日本電子株式会社
Claims (2)
- (1)試料に探針を近づけて3次元に駆動してトンネル
電流を検出する走査型トンネル顕微鏡において、入力指
示手段としてポインティングデバイスを備えると共にポ
インティングデバイスの入力信号に基づき探針の駆動信
号を発生する手段を備え、ポインティングデバイスの操
作により探針の駆動を制御できるようにしたことを特徴
とする走査型トンネル顕微鏡の制御方式。 - (2)探針の駆動信号を保持するバッファメモリを有す
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
鏡の制御方式。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1147471A JP2571624B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 走査型トンネル顕微鏡の制御方式 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1147471A JP2571624B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 走査型トンネル顕微鏡の制御方式 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0312504A true JPH0312504A (ja) | 1991-01-21 |
JP2571624B2 JP2571624B2 (ja) | 1997-01-16 |
Family
ID=15431139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1147471A Expired - Fee Related JP2571624B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | 走査型トンネル顕微鏡の制御方式 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2571624B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07250101A (ja) * | 1994-03-14 | 1995-09-26 | Nec Corp | エラスティックストア回路 |
JP2007047150A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-22 | Jeol Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びその動作方法 |
-
1989
- 1989-06-09 JP JP1147471A patent/JP2571624B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07250101A (ja) * | 1994-03-14 | 1995-09-26 | Nec Corp | エラスティックストア回路 |
JP2007047150A (ja) * | 2005-07-13 | 2007-02-22 | Jeol Ltd | 走査型プローブ顕微鏡及びその動作方法 |
JP4727499B2 (ja) * | 2005-07-13 | 2011-07-20 | 日本電子株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡及びその動作方法 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP2571624B2 (ja) | 1997-01-16 |
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