JPH0343944A

JPH0343944A - 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法

Info

Publication number: JPH0343944A
Application number: JP1177063A
Authority: JP
Inventors: Takao Okada; 孝夫岡田; Akira Yagi; 明八木; Seizo Morita; 清三森田; Nobuo Mikoshiba; 御子柴　宣夫
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1989-07-11
Publication date: 1991-02-25
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: EP0408009A2; DE69026314T2; JP2916167B2; DE69026314D1; EP0408009A3; EP0408009B1; US5025153A

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】（産業上の利用分野）走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅ
ｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　：　８ＴＭ　）は電子
のトンネル現象を利用して導電性試料表面の形状を原子
的分解能をもって測定できる顕微鏡である。

ＳＴＭでは尖った探針の先端と試料の間で流れる局所的
なトンネル電流を一定に保ちなから探針を走査すること
によって試料のＳＴＭ像を検出している。

このＳＴＭ像には試料表面の微視的な粗ざと微視的な電
子物性の変化の２種類の情報が含まれている。従って、
後者が一定の試料では、ＳＴＭ像は表面の凹凸を表した
ものとなる。ＳＴＭ像の中から表面の凹凸像と表面の電
子物性の変化像を分離し、表面の電子物性の変化像を抽
出する方法を走査トンネル分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　５ｐｅｅｔｒｏｓｃｏｐｙ　：Ｓ
ＴＳ　）という。

この発明はＳＴＭを用いて導電性試料表面の局所的な電
子状態を測定する方法すなわちＳＴＳを訃こなう走査型
トンネル分光顕微鏡並びに走査型トンネル分光情報検出
方式に関する。

（従来の技術）導電試料表面に対してバイアス電圧ＶＴを印加して、先
端の尖った探針をＩＯＡ程度の距離まで近付けるとトン
ネル電流■７が流れる。ＳＴＭではトンネル電流を一定
に保ちなから探針を試料表面に平行なＸＹ衣表面走査し
、探針の動きを記録することで表面のＳＴＭ像を得てい
る。トンネル電流■アは探針試料間距離Ｓに対して次の
ような指数関数一的依存性を示す。

ここでＢ：数係数（１，（１２）５／　Ａ　、／’；ｖ
程度）Ｒ１二トンネル抵抗　φ：トンネルノ々リアノ・
イト（φ−−！−（φ、＋φ２）、φ、は探針の仕事関
数、φ２は試料の仕事関数）清浄な金属表面でのトンネ
ルバリアハイトφは約１〜５　ｅＶであり、（１）式に
よればＳがＩＸ変化するとトンネル電流工、は１桁程度
変化することになる。ＳＴＭではトンネル電流ＩＴの変
化を試料探針間の距離Ｓの変化の検出に用い、圧電体の
微動素子で探針もしくは試料を２方向に微動させて距離
Ｓを制御し、トンネル電流を一定に保つサーボ動作を行
う。その制御は矢以下の精度が可能でアシ、探針のＸＹ
定走査動きと同時に制御電圧を記録することによって、
原子的オーダーの３次元顕微鏡像すなわちＳＴＭ像が得
られる。

（１）式に現れるトンネルパリアノ・イトφやトンネル
抵抗ＲＴが場所によらず一定である試料の場合は得られ
たＳＴＭ像は試料表面の凹凸を表している。

ところが実際に測定する試料はトンネルバリアハイトφ
やトンネル抵抗ＲＴが局所的に変化するものの方が多い
。そのような試料のＳＴＭ像は表面の凹凸とトンネルす
る電子のエネルギー状態の場所による違いの両方を含ん
でいる。

ＳＴＭ像からこれらの情報を分離する方法として、トン
ネル電流ＩＴのバイアス電圧■ア依存性ａＩＴ／ａＶＴ
、δＩＴ／ａＶＴ／ＩＴ／／ＶＴ、　＆　ＩＴ／ａＶＴ
”／ｚどから電子やフォノンの状態密度分布を求める方
法（微分コンダクタンス法）と、ａｔｎ工Ｔ／δＳから
トンネルバリアハイトφを求める方法（バリアハイト法
）とが行われている。これらは総称して走査型トンネル
分光顕微鏡（ＳＴＳ　）と言われている。

上述したように、ＳＴＳの中から、電子の状態密度、ト
ンネルバリアバイトがθＩＴ／ａＶＴ　、θｔＪ、／ａ
ｓよりそれぞれ求するのは以下のような理由による。

上記のＳＴＭの原理の説明で用いたトンネル電流ＩＴの
（１）式はトンネルバリアハイトφが一様であるなどの
仮定をもとに導出さｆ′Ｌ′＃：、ものである。

しかし実際の表面では、トンネルバリアハイトφやトン
ネルする電子の存在確率は一様ではない。

これらを考慮するとトンネル電流■。は次式より導ひか
れる。

ここで、ρの）は試料表面の局所的な状態密度、ＶＴは
探針に対する試料のバイアス電圧、’ｒ　（Ｅ＋ｅＶＴ
）はエネルギーＥでの電子のトンネル確率で、である。

以上よシ（２）式からエアを■１で微分すればρの）が
求められることがわかる（θ■Ｔ／ａＶＴｃｘ：ρ（Ｅ
））。

また、（１）式または（２）式よ！１ｌＩＴの対数をＳ
で微分すればφが求められる（　ａｔｎＩ　Ｔ／ａｓ　
＝ｘ：φ　）。

本発明はＳＴＳに関するものである。ここでは壕ず従来
行われている微分コンダクタンス法について取シ上げ、
次に、バリアハイト法について取か上げる。

従来例（１）：ロックイン検出によるトンネル微分コン
ダクタンス測定法（ＩＢＭ　、　Ｊ、　Ｒｅａ　Ｄｅｖ
ｅｌｏｐ　ＶＯＬ。

３０、　＆　４　、　Ｊｕｌｙ　１９８６　、　ｐ４１
３　）第１２図に示す装置に釦いては、バイアス電圧発
生器６から試料１と探針２との間に直流バイアス電圧■
　を印加しながら、探針２を試料１に近付けたときに流
れるトンネル電流を一定にするサベ動作を行っている。

このとき探針２の先端での局所的な分光情報を得るため
に、トンネル電流の微分コンダクタンスを測定する。そ
のためにはバイアス電圧に比べて微少な交流変調（ΔＶ
Ｔｃｏｓωｔ）信号を正弦波発生器７から加える。この
ときのトンネル電流工、を変調信号成分に着目して記述
すると次のようになっている。

ここでｌＶＴは既知でありトンネル電流に現れるω成分
の振幅をロックインアンプ８で検出することで直流バイ
アス電圧■。に訟ける局所的な微分コン１０− ダクタンスすなわち、ａＩＴ／θｖ、１ｖ＝ｖ　　が測
定できＴＯる。

尚、第１３図にむいて、符号３はトンネル電流を検出す
るプリアンプを、符号４は探針２と試料１との間の距離
の制御並びに探針２を走査するためのＸ、Ｙ、Ｚ方向微
動機構を、そして符号８はＭｉｃｒｏ！！’ｃｏｐｙ　
　）（Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、５４２２．３Ｊｕ
ｎｅ１９８５、ｐｐ、２４３３〜２４３６　　）この従
来例では、低温下で動作するＳＴＭを用いて、超電導試
料表面に訃ける超電導状態分布を測定する試みにおいて
、第１４Ａ図に示すように、バイアス電圧Ｏｖにおける
トンネル接合の微分コＩンダクタンス（−ｇ）の値が５ＩＮ（超電導／絶縁体／
常電導）接合の時にはＯとなシ、筐た第１４Ｂ図に示す
ように、ＮＩＮ　（常電導／絶縁体／常電導）接合の時
には有限の値になる事に注目し、バイアス電圧ＱＶの時
の微分コンダクタンスを求め超電導の分布を測定しよう
とした。

第１５図に示す装置に釦いては、バイアス電圧発生器６
から三角波を試料１と探針２との間に印加した状態で、
トンネル電流が流れる位１で探針２を試料１に近付け、
ロックインアンプ８でトンネル電流振幅を検出し、サー
ボ回路５でトンネル電流振幅が一定になるようなサーボ
制御を行っている。微分コンダクタンス値は、トンネル
電流を微分回路１０で時間微分して求めている（バイア
ス電圧が三角波であるためｌ　ａＶＴ／ａ　ｔ　ｌ　＝
ｃｏｓ　Ｓ　ｔである。

ながら探針をＸＹ定走査て凹凸像が測定される。

同時にバイアス電圧Ｏｖの微分コンダクタンス値の分布
像は第１６図に示すように、０クロス検出器１１とショ
ットパルス発生器１２とでバイアス電圧がＯ■になると
きの微分コンダクタンスの値をサンプルホールドアン７
”１３でサンプリングし、ＸＹ定走査対応付けて求めて
いる。

従来例（３）　：　ＣＩＴＳ　（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｉｍ
ａｇｉｎｇ　ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＳｐｅｅｔｒｏｓｃｏ
ｐｙ）法（Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、５６，１８．
５Ｍａｙ　１９８６゜ｐｐ１９７２〜１９７５．Ｊ、Ｖ
ａｅ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏ１．Ａ６（２）Ｍａｒ／Ａ
ｐｒ１９８８、ｐｐ３４４〜３４８この方法はトンネル電流ＩＴのバイアス電圧■１依存性
から表面電子の局所的状態密度の分布を測定しようとす
るものである。この方法ではトンネル接合ッ７″ｌ′Ｓ
とバリアハイトφが場所によらず一定であれば微分コン
ダクタンスδＩＴ／ａＶＴが局所的状態密度に比例する
事を利用している。

このＣＩＴＳ法は探針を走査しながら局所的な電流電圧
値を場所毎に個々に記憶して訃き、後に数値計算で微分
コンダクタンスを求めるものである。

ＣＩＴＳ法に訟ける電流電圧特性の測定は第１７図に示
すような構成で第１８図に示すようなタイミングで行わ
れる。

ＤＡ変換器２０から出カメれる、第１８図（ｄ）に示す
バイアス電圧が直流の時に、第１８図（ａ）のように固
定信号を切って、ＳＴＭのサーボ系のオンオフ信号発生
器２１によりＳＴＭサーＲ系２２をサー３− ボ状態にし、トンネル電流が一定になるようにＺ方向微
動制御が微動機構４により行われる。第１８図（ｂ）に
示すタイミングで、ＳＴＭサーボ電圧に対するＡＤ変換
がサーボ電圧をデジタル化して記録するＡＤ変換器２３
により行われ記録される。次に第１７図（ａ）に示すよ
うに一旦サーボ系２２を止めて探針試料間距離を保持す
る。この状態で第１８図（ｄｌに示すようにＤＡ変換器
２θから出力されるバイアス電圧を走査し、ＡＤ変換器
２４を第１７図（Ｃ）のタイミングで動作させ第１８図
（、）のように変化するトンネル電流出力をデジタル化
して記録する。この後、最初に設定したバイアス電圧値
に戻して２軸制御を行う。ＸＹ走査電圧の各点で第１８
図の時系列にもとづく一連の動作を繰シ返して通常の凹
凸データと局所的電流電圧特性データとを同時に記録し
ている。

尚、第１７図中符号２５は電流データに数値演算処理を
して局所状態密度を構成するデータ処理装置を示す。

従来例（４）：バリアハイト分光（ＩＢＭ、　Ｊ、　Ｒ
ＥＳ。

１４ＤＥＶＥＬＯＰ　　３０，４．Ｊｕｌｙ　　１９８６　
　ｐｐ３５５〜３６９　　、Ｐｈｙｓ。

Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、６０　１２．２１Ｍａｒｃｈ　　１
９８８　ｐｐＨ６６〜１１６９）第１９図に示す装置で
は、探針２と試料１との間にバイアス電圧■アを印加し
、探針先端と試料表面の距離（トンネルギャップＳ）を
数ｎｍ以下に近付け、流れる電流をＩ−Ｖ変換器３で検
出し、サーボ回路５でトンネル電流が一定値になるよう
にＸ、Ｙ、Ｚ微動機構４のうちＺ細微動機構を用いて、
Ｓをサーボ制御する。サーボ動作をしながらＸ、Ｙ、Ｚ
微動機構４で探針をｘｙ定走査ると、サーボ出力信号は
試料表面の凹凸情報を与える。

このＳＴＭのサーｙＩ？出力信号に対してサーボ動作が
追いつかない（例えば時定数にして１１５の速さで）、
振幅の分かった微小変調信号（ＪＳｃｏｓωｔ）を加算
してＺ微動機構に印加する。変調信号ＪＳｃｏｓωｔに
よって試料と探針の間に流れる電流には同じ周波数の変
調成分が現われる。

（１）式よシ、トンネル電流ＩＴの対数を取ることによ
ってｔｎ＝　−Ｂ　Ｊ　７１１Ｓｃｏｓωｔ　＋Ｃ０３Ｓ　
ｔ　　　　　　（４）ここでｃｏｓ　Ｓ　を成分は変調
成分ωの時間間隔で比べると変化がないという意味であ
る。しｆＣがって変調成分検出器３０でω変調振幅（Ｂ
φ″、（Ｓ）を求めるとバリアハイトφの値が定められ
る。すなわちサーボ出力信号で得られる凹凸情報と同時
にバリアハイトφを求めることができる。図中、符号３
１は印加信号用発振器を、また符号３２は対数アンプを
夫々示す。

（発明が解決しようとする課題）従来例（１）の欠点直流バイアスへの微小交流変調方式による測定では、設
定直流バイアス値ｖ０での微分コンダクタンスを求めて
いる。設定バイアス電圧値では探針サーボか安定に行わ
れる必要があるが、試料や探針の表面状態によってはサ
ーボ動作が安定しないバイアス電圧値が有シ、連続した
バイアス電圧依存性を測定できない。また−度に測定で
きるバイアス電圧は１点に限られるため局所的な分光デ
ータのバイアス電圧依存性を実時間で測定することはで
きな−。

曾た、直流バイアス電圧によるサーボ動作ではバイアス
電圧設定値及びトンネル電流設定値の違いによって探針
の高さや関与するトンネル電流量が違ってきてし筐い、
同じ点で微分コンダクタンスのバイアス電圧依存性を測
定しようとしても、バイアス電圧設定を変えると試料探
針間距離などのトンネル条件が変わってし瞥い、同じ条
件のもとてのバイアス電圧依存性を測定できない。

１７− 従来例（２）の欠点この超電導状態分布測定では、バイアス電圧Ｏｖのとき
の微分コンダクタンスの値のみに注目して超電導状態を
測定しようとしている。超電導状態を確認する為には微
分コンダクタンスが急激に変化するバイアス電圧値での
測定など、０■以外での微分コンダクタンスの情報が必
要であシ、１九一般の物質では、物質固有の特徴的なバ
イアス電圧を設定し、そのバイアス電圧での微分コンダ
クタンスを求めることが必要になるが、この方法はバイ
アス電圧Ｏｖの時の微分コンダクタンスしか測定できな
い。

また、バイアス電圧に含まれる高調波成分によるサーボ
の不安定化を避けるために正弦波を加えたシ、応答速度
に対する依存性を測定するためにのこぎり波を印加する
事が必要になるなど測定に際してバイアス電圧波形は任
意に設定できるようになっている必要がある。しかし、
この測定法では印加波形が三角波でなければ微分コンダ
クタンスが測定できない。

１８従来例（３）の欠点時間分割をして測定各点毎にサーボ動作のオンオフを繰
り返して各点での電流電圧値を記憶しているため、サー
ボ切シ替えの際に探針制御系はステップ的応答をするこ
とになり系の共振あるいは不安定の原因に彦る。峙に試
料探針間のサーボ動作が不安定女湯台にはＳＴＭ測定も
ＳＴＳ測定も出来なくなる。

また、記憶しておいた電流電圧値から数値麺算による微
分などをした後に、分光データを得るので、ひとつの情
報を得るために必要なデータ数が多くなり必然的に像各
点において記憶して訃＜電流値の数を多くしなければな
らない。例えば典型的なＣＩＴＳ動作ではＳＴＭデータ
を１２８ｘ１２８点で記録し各点で電流値電圧特性デー
タを１６点以上記録する。この場合には１６に点の８７
Ｍデータファイルと２５６に点のデータを持っＳＴＳフ
ァイルが必要になシデータ数が極端に多くなる。

さらに、分光情報は取り込んだ後に数値演算処理をしな
ければ得られなｌ、−まため測定中に実時間では分光デ
ータが表示できない。

従来例（４）の欠点微分値を求めるのに、変調振幅を比較する方式を用りて
いるので、印加振幅が微小でな−と微分値を求めたこと
にならない。したがって、印加振幅に制限が加わシ、応
用範囲が限定されてし１うという欠点がある。

また、変調振幅が微小であるために、広範囲にわたるバ
リアハイトφとトンネルギャップＳの関係を測定するこ
とができ、とくにＬｎＩ７とＳの関係が非直線性の場合
には、正確にバリアハイトφを求めることはできない。

（課題を解決するための手段と作用）（１）微分コンダクタンス法上記の従来例の欠点を解決するために必要な構成を第１
図に示す。

試料４１と探針４２との間にバイアス電圧を印加し、両
者を数ｎｍの距離に近付けるとトンネル電流が流れる。

ここで、バイアス電圧発生器４３から一定周期で時間変
化するバイアス電圧ＶＴ　（例えば、第２図（ａ）に示
すような正弦波）を印加しながらＸＹｚ微動機構４７に
より、試料探針間の距離を近付けると、バイアス電圧の
基本周期で振動するトンネル電流ＩＴ（第２図（ｂ））
が流れる。

このとき通常のＳＴＭと同様に試料探針間の距離を一定
に保つためには、トンネル電流の絶対値の平均を一定に
するサーボ動作を行う。ここで試料探針間距離がトンネ
ル電流の振動の影響を受けないようにする為に、）・ン
ネル電流の絶対値（第２図（Ｃ））を検出する絶対値検
出器４４とサーベ回路４５とでできたフィードバック系
の時定数をバイアス電圧の基本周期よシ充分長め（５倍
以上）にする。ここで、サーボ回路４５はトンネル電流
強度が特定の時間平均で一定に々るように第２図（ｅ）
で示す信号で試料探針間距離を第２図（ｄ）　Ｋ示す信
号のように制御し、バイアス電圧変動に追いつかないよ
うなサーボ時定数できるサーボ系である。

一方、探針４２の走査に際しては試料探針間距離が変化
しないような走査速度とする。このような設定で、探針
４２を走査したときのサーボ信号は２１− 表面の凹凸情報になる。

上記のようにサーボ時定数と基本周期が設定されれば、
基本周波数より高い周波数成分が含１れる任意のバイア
ス電圧波形を用いてのサーＲ動作が可能である。

また、実時間で分光的情報を得るためにトンネル電流と
バイアス電圧をアナログ演算ユニット４６に入力し、実
時間で演算処理（例えばａＩＴ／ａＶＴ、θ２ＩＴ／ａ
ＶＴ”　等）　’ｒ　行エバ、／’イ７スを圧Ｗ幅の範
囲内での分光情報（状態密度、フォノンモード等）が実
時間で入手できる。これらアナログ信号系の応答周波数
は最低でも印加バイアス電圧の基本周波数以上にする。

ここで、アナログ演・算ユニット４６はトンネル電流及
びバイアス電圧信号から分光情報を取シ出すために微分
、加減乗除などを組み合わせて作るものである。

尚、図中符号４８は電流電圧変換器を示す。

ここで分光データを求める演算処理が実時間で行われて
いるため、データに対する数値微分などの後処理は要ら
ない。またひとつの電圧レベルに−２２＝対して得られる分光データは凹凸データと１対１に対応
して＞Ｂ、メモリー容量は単純に必要た画面数に比例す
る。

これらの機能を有することで凹凸像と同時に分光情報の
空間分布（ＳＴＳ像）の実時間検出が可能となる。

（２）　　バリアハイト法上記の従来例の欠点を解決するために必要な構成を第３
図に示す。

本発明は、バリアハイトφを、ロックインアンプなどの
変調信号の振幅比較検出では々く、微分回路などによる
アナログ演算によう前記（４）式を求めるものである。

すなわち、Ｘ、Ｙ、　Ｚ微動機構４７のうち２微動機構
に加える２軸変調電圧ｌｖ２を発振器５０よ多分割して
アナログ演算回路５１に入力し、また、−方、トンネル
電流ＩＴもアナログ演算回路５１に入力し、双方の入力
信号を用いて、この回路５１に釦いてａｔｎＩＴ／δｌＶＴ、ｃ＜δＡｎＩ７／（Ｉ’ｓのア
ナログ演算処理を行って、バリアハイトφを求める。

ｘｙｚ微動機構４７のｘ、ｙ微動機構にＸ軸、Ｙ軸の定
歪信号（ラスタースキャン）を加えれば試料のφ像（φ
分布後）が求められる。

（実施例）以下この発明の実施例について図面を参照して説明する
。尚、前記第１図並びに第３図に示す構成要素と実質的
に同じ要素は同一符号を符して説明を省略する。

実施例１　微分コンダクタンス分光法この例では１ず局所的な微分コンダクタンスのバイアス
電圧依存性の実時間測定について述べる。

測定は前記第１図を参照して説明した構成で行って釦シ
、微分コンダクタンス測定の場合の具体的な構成要素に
ついて補足説明を行う。

試料４１はグラファイト、探針４２はＰｔＩｒの電解研
磨針を用いている。サーボ系４５は積分型のサーボ回路
である。バイアス電圧発生器４３からは正弦波が出力さ
れている。

ここで微分コンダクタンスを求めるアナログ演算ユニッ
ト４６は第４図に示すよう々構成になってかり、その動
作原理モデルは第５図で表される。

試料探針間の局所的電流電圧特性は原子の位置によって
、第５図（＆）に示すように固有の形を持つ。

第５図（ｂ）に示すような正弦波のバイアス電圧ＶＴを
印加した時、トンネル電流は、第５図（、）に示すよう
に局所的Ｉ　、−ＶＴ特性第５図（ａ）を反映したもの
になる。トンネル電流第５図（ｃ）およびバイアス電圧
第５図（ｂ）を、第４図に示す２つの微分回路５０゜５
１で時間微分し第５図（ｄ）に示すθＶＴ／Ｉｊｔ信号
、並びに第５図（、）に示すθＩＴ／ａｔ信号を得る。

この二つの信号を割シ算回路５２に入力することにより
、第５図（ｒ）に示すような微分コンダクタンスａＩＴ
／ａｖ丁が計算される。

このときトンネル電流とバイアス電圧の位相がプリアン
プの時定数の関係でずれてしオう事がある。そのような
条件下でアナログ演算を行うときにはトンネル電流の０
点とバイアス電圧の０点をタイミング合わせの基準とし
て用い、第６図に示２５− す位相補償回路６０でバイアス電圧の位相をずらす。ま
た時間微分によって高周波側のノイズが大きくなるのを
避けるために、トンネル電流とバイアス電圧を同じ時定
数のローフ４ス回路６１　、６２に通す。こうしてアナ
ログ演算に用いるバイアス電圧とトンネル電流のタイミ
ングがずれないようにする。

バイアス電圧ＶＳ微分コンダクタンス表示は、メモリー
スコープを用いて微分コンダクタンス信号をＹ軸に、そ
してバイアス電圧をＸ軸に入力して行った第５図（ｇ）
に示す。第７図（ａ）　（ｂ）はこのようにして表示し
たグラファイト試料の異なる点でのａＩＴ／ａＶＴとＶ
Ｔとの関係を示したものである。このグラフの形態は探
針の動きに応じて変化するが各点での再現性は確認され
ている。筐た、トンネル確率がφやＳに強く依存する場
合にはδＩＴ／ａＶＴ／Ｉ／ｖのデータ処理が必要とな
る。

この・データ処理を行うためには、第１図に示すアナロ
グ演算ユニット４６を第８図に示すようなアナログ回路
にすればよい。

２６− 実施例２次に特定バイアス電圧に訃ける微分コンダクタンス値の
実時間測定とその分布像測定を示す。

第９図に示す回路は、特定電圧における微分コンダクタ
ンス値を常に出力しておくために用いたサンプリング回
路である。サンプル及ホールドアンプ７０には第４図に
示す微分コンダクタンス演算回路から出力された微分コ
ンダクタンス値（θ工／θＶＴ　）を入力してかく。バ
イアス電圧ＶＴとレファレンス電圧ｖ０を比較器７１に
入力して２値信号にシ、■、＝ｖｏとなる時のタイミン
グで、パルス幅τアが可変のショク）　ｉ４ルス発生器
７２でサンプル及ホールドアンプ７０がサンプリングす
るためのパルスを発生させている。このようにしてＶＴ
＝Ｖ。

での微分コンダクタンスの値［ａＩＴ／ａＶＴＩＶ　＝
ｖ　］がＴ。

常に出力されるようにする。

探針の走査速度を凹凸変化に対してサーボが応答できる
ような速さに設定し、試料探針間を一定に保ち、表面の
凹凸情報及びバイアス電圧Ｖ。での微分コンダクタンス
値をＸＹ走査信号と対応させて表示させれば凹凸像と微
分コンダクタンス像の空間的な対応を実時間で表示及び
比較をすることが出来る。

サンプリング回路を並例につなげば、独立に多数のレフ
ァレンス電圧にかいて微分コンダクタンスをサンプリン
グ出来るため、複数のバイアス電圧レベルでの微分コン
ダクタンスの局所的な値を同時に保持できる。すなわち
同時に多数の像を表示することも可能である。

第１０図はグラファイトの表面の空気中での測定例であ
り、第１０図（ａ）はサーボ電圧と走査電圧を対応付け
た凹凸像で、高いところは明るく低いところは暗くする
濃淡表示をしている。一方第１０図（ｂ）は微分コンダ
クタンス像の局所的な微分コンダクタンスが大きいすな
わち電流が流れ易いところは明るく、小さいところは暗
くなるように濃淡表示している。凹凸像では左側が暗く
なっているところに原子的凹凸が見えているが、微分コ
ンダクタンスの像は試料の傾きは現れずに全面で０．２
ｖにおける微分コンダクタンスの分布が原子的分解能を
持って観察されている。微分コンダクタンスの大きなと
ころはそのエネルギーレベルの電子の状態密度が高くな
っていると考えられる。

実施例３第１１図は第３図に示すバリアハイト分光に用いる実際
のアナログ分光回路の例を示す。

トンネル電流工、を対数アンプ８θを通して第１の微分
回路８１で時間微分Ｌ　（ａｔｎＩＴ／ａｔ　）、また
、２軸変調電圧Ｊｖ２を第２の微分回路８２で時間微分
する（θＪｖ、／θｔ）。

次に、それらの微分値を除算回路８３で除算すると＆ｔ
ｎＩｒ／θｔｆｉｊ　ＩＶ２／ａ　ｔ　＝　ａｔｎ　Ｉ
　、／ａ　ΔＶＺ■Ａｎ　Ｉ　、／ａｓとなシバリアハ
イト庁が求せる。

バリアハイトφが必要なときには２乗演算回路８４によ
り求めることができる。

実施例４第１２図にバリアハイト分光のもう１つの実施例を示す
。この実施例はサーボ回路４５の設定電流値を外部の発
振器５０で設定できるようにしたものである。ここで、
サーボ時定数は設定電流の＝２９− 変化に探針制御電圧が追随できるようにする。当然なが
ら設定電流変調周波数は装置系の共振周波数よシ高く設
定することはできない。凹凸情報抽出回路９０は凹凸像
に現われる設定電流の違いによる探針の振動を補正する
ためのもので、平滑化回路などが用いられる。

特定の設定電流値のみをサンプリングできるよう□表示
法を用いれば、凹凸情報抽出回路９０は必要としない。

アナログ演算回路５１としては第１１図に示すアナログ
演算回路と同じものが用いられる。

実施例３および４における発振器の波形は任意であう常
に、トンネル電流の対数値をトンネルギャップで微分を
行っているため、変調が微小である必要は々く、従来方
式よりも正確なφ（４）の値やφ（４）のＳ依存性など
が測定できる。

（発明の効果）この発明によればＳＴＭのバイアス電圧を一定周期で時
間変化させたときに、サーボ時定数を適当に設定して、
バイアス電圧波形の１周期以上の間、３０− 試料探針間距離を一定に保つサーボ動作を行い、サーボ
電圧を記録して凹凸データを記録し、トンネル電流とバ
イアス電圧から実時間で局所的ｉ分光的データを演算で
きるアナログ演算ユニットから得られる分光データのバ
イアス電圧依存性を試料探針間距離を保った状態で測定
できる微分コンダクタンス測定装置が実現される。

この発明では分光データをサンプリングするバイアス電
圧値を電圧振幅内であれば任意の電圧任意の点数で設定
できる。このため直流バイアス動作では測定できない電
圧における微分コンダクタンスや超電導ギヤラグ電圧に
おける微分コンダクタンスの挙動が測定出来る。

また測定点は複数個併設できるので各点における分光デ
ータを試料表面の凹凸と同時にバイアス電圧依存性のデ
ータとして必要点数測定することが出来る。

この発明ではバイアス電圧が変化しているときにもサー
ボ動作を止めたシしないので走査に伴うサーボ動作はス
テップ的な応答にならずに済む。

またアナログ演算によって分光データを実時間出力して
いるためＣＰＵ等による分光データに対する後処理など
は必要ない。また測定データに対する数値微分なども必
要がないので多量のデータを格納する必要もない。

さらに、微分コンダクタンス法で用いたアナログ演算回
路において、バイアス電圧ＶＴのかわｂに、２軸変調電
圧ＪＶＴを用いればバリアハイトφ（四）が求められ、
従来例にくらべて正確なφ０４）やφ（１／７）のＳ依
存性などが、測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、微分コンダクタンス法による本発明の基本概
念を説明するための回路図、第２図、この回路にて使用
されるトンネル電流とサーボ電圧との関係を示す図、第
３図はバリアハイト法による本発明の基本概念を説明す
るための回路図、第４図は第１の実施例で使用されるア
ナログ演算ユニットを示す回路図、第５図は第１の実施
例での各要素での信号を示す図、第６図は同実施例で使
用される位相補償回路を示す図、第７図は同実施第１図
に示すアナログ演算ユニットの具体的な回路図、第９図
は第２の実施例に係るサンプリング係るアナログ分光回
路を示す図、第１２図は第４図ないし第１５図は、第２
の従来例を説明するための図で１）、第１４Ａ図並びに
第１４Ｂ図は、夫々８ＩＮとＮＩＮとに訃けるバイアス
電圧−微分コンダクタンス特性を示す図、第１５図は微
分コンメクタンス検出系を示す回路図、第１６図は分光
データサンプリング系を示す回路図５第１７図並びに第
１８図は、第３の従来例を説明するための回路図並びに
その使用信号のタイムチャート、そして第１９図は第４
の従来例を説明するための回路図である。４１・・・試料、４２・・・探針、４３・・・バイアス
電圧３３− 発生器、４・・・絶対値検出器、５・・・サーボ回路、６・・・アナログ演算ユニット。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）走査型トンネル顕微鏡において、試料と探針との
間にバイアス電圧発生器から一定周期で時間する所定波
形のバイアス電圧Ｖ＿Ｔを印加する手段と、該試料と探
針を接近させた時に流れるトンネル電流Ｉ＿Ｔの絶対値
を検出する手段と、該絶対値を用いて、該試料と探針と
の間の距離をサーボ回路の時定数が該バイアス電圧Ｖ＿
Ｔの周期の５倍以上でサーボ制御する手段と、該サーボ
出力から該試料の凹凸に関する情報を得る手段と、前記
トンネル電流Ｉ＿Ｔからアナログ演算ユニットにより微
分コンダクタンスの実時間のアナログ演算を行い、該試
料と探針との間の距離を一定に保持した状態で、該凹凸
データと同時に該微分コンダクタンスデータの実時間測
定をする手段とを具備する走査型トンネル分光顕微鏡。
（２）走査型トンネル顕微鏡において、試料と探針との
間に一定周期で時間変化する所定波形のバイアス電圧Ｖ
＿Ｔを印加し、該試料と探針とを接近させた時に流れる
トンネル電流Ｉ＿Ｔの絶対値を用いて、該試料と探針と
の間の距離のサーボ制御をサーボ回路の時定数が該試料
と探針との間の距離にバイアス電圧振動の影響が出ない
様に設定して該サーボ出力から該試料の凹凸に関する情
報を得、また、トンネル電流Ｉ＿Ｔから微分コンダクタ
ンス（たとえば、δＩ＿Ｔ／δＶ＿Ｔ、δＩ＿Ｔ／δＶ
＿Ｔ／Ｉ＿Ｔ／Ｖ＿Ｔなど）の実時間のアナログ演算を
行うことにより、該試料探針間距離を一定に保った状態
で凹凸データと同時に微分コンダクタンスデータの実時
間測定を行う走査型トンネル分光情報検出方式。
（３）バイアス電圧発生器として正弦波電圧発生器を用
いる（１）記載の走査型トンネル分光顕微鏡。
（４）バイアス電圧として正弦波を用いる（２）記載の
走査型トンネル分光情報検出方式。
（５）バイアス電圧発生器において、時間変化するバイ
アス電圧にＤＣオフセット電圧を加え、バイアス電圧の
符号が正負のどちらかになるようにして、絶対値検出器
を省いた（１）記載の走査型トンネル分光顕微鏡
（６）トンネル電流Ｉ＿Ｔの絶対値のかわりに、時間変
化するバイアス電圧にＤＣオフセット電圧を加え、バイ
アス電圧の符号が正負のどちらかになるようにした（２
）記載の走査型トンネル分光情報検出方式。
（７）アナログ演算ユニットが微分回路でトンネル電流
Ｉ＿Ｔおよびバイアス電圧Ｖ＿Ｔをそれぞれ時間微分し
、それらを除算回路を通すことによって実時間で微分コ
ンダクタンス（δＩ＿Ｔ／δＶ＿Ｔなど）を求める回路
からなる（１）記載の走査型トンネル分光顕微鏡。
（８）アナログ演算ユニットが対数アンプでトンネル電
流Ｉ＿Ｔとバイアス電圧Ｖ＿Ｔの対数をそれぞれ求め、
次にそれぞれ時間で微分を行い、その後、除算すること
によって実時間で微分コンダクタンス（δＩ＿Ｔ／δＶ
＿Ｔ／Ｉ＿Ｔ／Ｖ＿Ｔなど）を求める回路からなる（１
）記載の走査型トンネル分光顕微鏡。
（９）バイアス電圧振幅の範囲内の任意の電圧で、アナ
ログ演算ユニットから実時間で出力される局所的微分コ
ンダクタンスデータの中から特定バイアス電圧における
微分コンダクタンスデータだけを保持するために、バイ
アス電圧発生器の電圧値を基にサンプル＆ホールドアン
プを作動させるサンプリング回路を少なくとも１つ付加
した（１）記載の走査型トンネル分光顕微鏡。
（１０）バイアス電圧振幅の範囲内の任意の電圧におけ
る局所的微分コンダクタンスデータの中から、少なくと
も１つ以上の特定バイアスにおける微分コンダクタンス
を求めることができる（２）記載の走査型トンネル分光
情報検出方式。
（１１）トンネル電流Ｉ＿Ｔとバイアス電圧Ｖ＿Ｔの位
相を合わせるための位相補償回路がアナログ演算ユニッ
トの前段に設けられた（１）記載の走査型トンネル分光
顕微鏡。
（１２）アナログ演算を行う前に、トンネル電流Ｉ＿Ｔ
とバイアス電圧Ｖ＿Ｔの位相合わせを行う（２）記載の
トンネル分光情報検出方式。
（１３）試料にバイアス電圧Ｖ＿Ｔを印加し、設定され
たトンネル電流Ｉ＿Ｔに対してサーボ動作する走査型ト
ンネル顕微鏡においてＸ、Ｙ、Ｚ微動機構のＺ軸微動機
構に該サーボ回路の時定数の１／５以下の周期をもつ発
振器よりのＺ軸変動電圧ΔＶ＿Ｚを印加する手段と、該
Ｚ軸変動電圧ΔＶ＿Ｔとトンネル電流Ｉ＿Ｔを入力して
バリアハイトφ（又は√φ）を求めるアナログ演算手段
を有し、該サーボ出力から凹凸像、該アナログ演算出力
からバリアハイト像を得る走査型トンネル分光顕微鏡。