JPH0343944A - 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法 - Google Patents
走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法Info
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- JPH0343944A JPH0343944A JP1177063A JP17706389A JPH0343944A JP H0343944 A JPH0343944 A JP H0343944A JP 1177063 A JP1177063 A JP 1177063A JP 17706389 A JP17706389 A JP 17706389A JP H0343944 A JPH0343944 A JP H0343944A
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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
))。
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 )。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ES。
14
DEVELOP 30,4.July 1986
pp355〜369 、Phys。
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。
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。
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。
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−。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
。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。
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。
、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。
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。
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(&)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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (13)
- (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。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1177063A JP2916167B2 (ja) | 1989-07-11 | 1989-07-11 | 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法 |
US07/549,469 US5025153A (en) | 1989-07-11 | 1990-07-06 | Scanning tunneling spectroscope and a spectroscopic information detection method |
DE69026314T DE69026314T2 (de) | 1989-07-11 | 1990-07-11 | Tunnelspektroskop und Verfahren zur Gewinnung von spektroskopischer Information |
EP90113276A EP0408009B1 (en) | 1989-07-11 | 1990-07-11 | Scanning tunneling spectroscope and a spectroscopic information detection method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1177063A JP2916167B2 (ja) | 1989-07-11 | 1989-07-11 | 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0343944A true JPH0343944A (ja) | 1991-02-25 |
JP2916167B2 JP2916167B2 (ja) | 1999-07-05 |
Family
ID=16024472
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1177063A Expired - Lifetime JP2916167B2 (ja) | 1989-07-11 | 1989-07-11 | 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5025153A (ja) |
EP (1) | EP0408009B1 (ja) |
JP (1) | JP2916167B2 (ja) |
DE (1) | DE69026314T2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03110402A (ja) * | 1989-09-25 | 1991-05-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 表面観察方法及び表面観察装置 |
JPH0592618U (ja) * | 1992-05-15 | 1993-12-17 | 横河電機株式会社 | 探針走査型顕微鏡 |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5185572A (en) * | 1989-09-28 | 1993-02-09 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning tunneling potentio-spectroscopic microscope and a data detecting method |
JP2743213B2 (ja) * | 1990-07-25 | 1998-04-22 | キヤノン株式会社 | 記録及び/又は再生を行なう装置および方法 |
JP2915554B2 (ja) * | 1990-11-19 | 1999-07-05 | オリンパス光学工業株式会社 | バリアハイト測定装置 |
US5148026A (en) * | 1990-11-20 | 1992-09-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Scanning probe microscopy |
JP2753399B2 (ja) * | 1990-12-27 | 1998-05-20 | 日本電子株式会社 | トンネル顕微鏡のスペクトロスコピーにおける誤差補正方式 |
US5291775A (en) * | 1992-03-04 | 1994-03-08 | Topometrix | Scanning force microscope with integrated optics and cantilever mount |
US5874668A (en) * | 1995-10-24 | 1999-02-23 | Arch Development Corporation | Atomic force microscope for biological specimens |
US20100295560A1 (en) * | 2008-09-30 | 2010-11-25 | Quan Tran | Scanning Impedance Microscopy (SIM) To Map Local Impedance In A Dielectric Film |
DE102009039840A1 (de) * | 2009-09-03 | 2011-03-24 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Verfahren zur Messung der Kraftwechselwirkung, welche durch eine Probe hervorgerufen wird |
CN103395058B (zh) * | 2013-07-12 | 2016-04-20 | 兰州大学 | 一种纳米机器人控制设备 |
CN105973940B (zh) * | 2016-04-26 | 2019-02-15 | 重庆大学 | 一种用于气液两相流探测的四电导探针测量信号处理系统 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4870352A (en) * | 1988-07-05 | 1989-09-26 | Fibertek, Inc. | Contactless current probe based on electron tunneling |
US4894537A (en) * | 1988-07-21 | 1990-01-16 | Canadian Patents & Development Ltd. | High stability bimorph scanning tunneling microscope |
-
1989
- 1989-07-11 JP JP1177063A patent/JP2916167B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1990
- 1990-07-06 US US07/549,469 patent/US5025153A/en not_active Expired - Fee Related
- 1990-07-11 EP EP90113276A patent/EP0408009B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-07-11 DE DE69026314T patent/DE69026314T2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH03110402A (ja) * | 1989-09-25 | 1991-05-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 表面観察方法及び表面観察装置 |
JPH0592618U (ja) * | 1992-05-15 | 1993-12-17 | 横河電機株式会社 | 探針走査型顕微鏡 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0408009B1 (en) | 1996-04-03 |
US5025153A (en) | 1991-06-18 |
DE69026314T2 (de) | 1996-12-05 |
DE69026314D1 (de) | 1996-05-09 |
JP2916167B2 (ja) | 1999-07-05 |
EP0408009A2 (en) | 1991-01-16 |
EP0408009A3 (en) | 1992-06-03 |
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