JPH05118808A - 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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JPH05118808A
JPH05118808A JP3281561A JP28156191A JPH05118808A JP H05118808 A JPH05118808 A JP H05118808A JP 3281561 A JP3281561 A JP 3281561A JP 28156191 A JP28156191 A JP 28156191A JP H05118808 A JPH05118808 A JP H05118808A
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JP
Japan
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sample
probe
unit
stm
endoscope
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP3281561A
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English (en)
Inventor
Tsugiko Takase
つぎ子 高瀬
Takao Okada
孝夫 岡田
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料と探針の位置関係を容易に制御でき、ST
M測定を安定に行なえる走査型トンネル顕微鏡を提供す
る。 【構成】STMユニット13を冷却する冷媒を入れるデ
ュワー6は開口部にフランジ5が取り付けられ密閉され
る。フランジ5には回転軸導入用パイプ8と給電パイプ
9と内視鏡導入用パイプ40を介して固定フランジ34
が固定されている。固定フランジ34にはSTMユニッ
ト13とユニットチャンバー27が取り付けられる。S
TMユニット13は円筒型アクチュエーター32を有
し、その上端部の透明板43の中央に探針30が取り付
けられている。粗動ネジ12は、回転軸導入用パイプ8
の内側に挿入された回転軸7を用いて回され、探針試料
距離を調整する。内視鏡41は内視鏡導入用パイプ40
に挿入され、ユニットケース71に開けた窓から探針3
0と試料29が見える位置に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、走査型トンネル顕微鏡(STM)
は原子スケールの分解能を持つ顕微鏡として利用が進ん
でいる。
【0003】このSTMは、導電性の試料と探針の間に
電圧を印加し、両者を1nm以下の距離まで近づけたと
きに流れるトンネル電流を検出しながら試料表面を探針
で走査し、走査中に検出される探針試料間距離に依存し
て生じるトンネル電流の変化に基づいて試料表面の局所
的な構造や物理特性を測定することができる。
【0004】ゼロックスコーポレーションのS. A. Elro
dやスタンフォード大学のC. F. Quate等は、300〜
4.2Kの温度範囲にわたって動作するSTMを「IBM
J. RESDEVELOP, VOL.30 No.4 July 1986」に発表し、低
温でのNb3Snの超伝導性観察を報告している。
【0005】また、東京大学工学部工業化学科の長谷川
哲也等は応用物理第59巻第12号(1990)でBi
2Sr2CaCuOy系超伝導体の極低温での観察を報告
している。
【0006】いずれの観察においても、探針と試料を保
持するSTMユニットは、安定に低温を維持できる低温
装置の中に設置され、一連のSTM測定動作が確実にで
きることが不可欠である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】低温装置には、液体窒
素や液体ヘリウムを冷媒とし、その冷媒を安定に保持す
るデュワーが用いられる。デュワーは上方に開口を有
し、デュワー室の底部にSTMユニットが配置される。
STMユニットは、試料と探針の位置関係をデュワー室
の外で大雑把に定めた後、これを支持する支持部と共に
デュワー室内に挿入される。この支持部はデュワー室の
開口を閉塞するフランジ部に固定される。
【0008】またSTMには、測定時にトンネル電流が
流れるよう探針を試料に1nm程度に近づけるために、
デュワー室の外部から操作できる探針粗動機構が設けら
れている。さらにトンネル電流検出系・STM制御系の
配線のためにSTMユニットとデュワー室の外部を連絡
する配管も設けられている。
【0009】このような構成において測定部を低温に保
ったままの状態で試料及び探針の位置を光学的に観察す
ることは不可能であった。
【0010】この発明は、低温用チャンバー内部に内視
鏡を導入することにより、低温中でのSTM観察領域の
光学顕微鏡による観察、探針によるSTM観察領域の位
置決め、及び探針−試料間の相対位置関係の光学顕微鏡
による観察および調整を行なうことのできる走査型トン
ネル顕微鏡の提供を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型トンネル
顕微鏡は、導電性の探針と、試料を保持する手段と、探
針に試料表面を走査させる手段と、探針と試料の少なく
とも一方を粗く移動させる粗動部とを備えているSTM
ユニットを有し、このSTMユニットと、STMユニッ
トを収容するチャンバー容器と、チャンバー容器を収容
し、STMユニットを冷却するための低温容器と、低温
容器の開口を閉塞するフランジと、試料を光学的に観察
するための内視鏡と、内視鏡をチャンバー容器内に案内
するための、フランジとチャンバー容器とを連絡する内
視鏡導入用パイプとを連絡する回転軸導入用パイプとを
備えている。
【0012】また本発明の別の走査型トンネル顕微鏡
は、STMユニットと、STMユニットを冷却する手段
と、STMユニットと冷却手段を収容する容器と、試料
を光学的に観察するために容器に挿入された内視鏡とを
備えている。
【0013】
【作用】STMユニットを収容しているチャンバー容器
の内部に内視鏡を挿入することにより、低温状態を保っ
たまま試料の表面あるいは試料と探針の間隔が光学的に
観察される。
【0014】
【実施例】本発明の第一実施例について図1を参照しな
がら説明する。本実施例の走査型トンネル顕微鏡は、S
TMユニット13を冷却するための冷媒を入れるデュワ
ー6を有している。デュワー6の開口部にはフランジ5
が取り付けられ密閉される。フランジ5の底面にはデュ
ワー6の内部を下に向かって延びる回転軸導入用パイプ
8が固定されている。回転軸導入用パイプ8の下端には
ユニット固定フランジ34が固定されていて、このユニ
ット固定フランジ34の下面にSTMユニット13が取
り付けられる。さらにユニット固定フランジ34にはS
TMユニット13を収容するユニットチャンバー27が
取り付けられる。フランジ5とユニット固定フランジ3
4には、回転軸導入用パイプ8の他に、トンネル電流検
出用の配線や圧電アクチュエーター駆動用の配線などを
通す給電パイプ9と内視鏡を通す内視鏡導入用パイプ4
0とが固定されている。
【0015】STMユニット13はユニットケース71
を有し、その底部には円筒型圧電アクチュエーター32
を固定するアクチュエーター支持部材72が取り付けら
れている。円筒型圧電アクチュエーター32は上端部に
透明板43を有し、その中央に探針30が取り付けられ
ている。試料29は、試料台24に固定されている板バ
ネ25に接着され、探針30に対峙するように配置され
ている。板バネ25は、その中央部がコイルバネ23を
介して粗動ネジ12により押され、探針30と試料29
の間隔が調整される。粗動ネジ12は、回転軸導入用パ
イプ8の内側を通り、その上端がOリング17を通って
フランジ5の外部に延出している回転軸7により回転さ
れる。
【0016】内視鏡導入用パイプ40には、フランジ5
に設けたOリング50により気密性を保ったまま側視型
工業用内視鏡41が挿入され、その先端部はユニットチ
ャンバー27の内部に導入される。側視型内視鏡41は
ユニットチャンバー27の内部の真空を保ったまま上下
方向に移動でき、これを上下に移動させてユニットケー
ス71に開けた窓から探針30と試料29が見えるよう
に先端部の位置を調整する。内視鏡41の捉えた画像は
CCDカメラ42で観察される。このように内視鏡を配
置することで、探針30と試料29の位置関係を高倍率
で直接観察することができるようになる。この結果、回
転軸7を操作して試料29を探針30に近づける際に、
誤って試料29と探針30を衝突させるようなことが防
止される。また、試料29と探針30の間隔が0.1m
m以下になるまで接近させることができるので、圧電ア
クチュエーター32を用いて探針30を試料29に近づ
ける際に要する時間を短縮することができる。
【0017】第一実施例の変形例を図2に示す。図には
デュワー6から取り出しユニットチャンバー27を外し
た状態を示してある。この例では、円筒型圧電アクチュ
エーター32の内側に直視型の内視鏡44が挿入され、
その対物レンズの光軸と探針の中心軸とを一致させて配
置されている。内視鏡44は、アクチュエーター支持部
材72に固定されている内視鏡位置調整用台座46に支
持され、この内視鏡位置調整用台座46を用いて対物レ
ンズの焦点が試料29の表面に一致するように距離が調
整される。この例では、側視型内視鏡41による探針試
料間距離の観察の他に、直視型内視鏡44を用いて試料
29の表面を透明板43を介して光学的に観察すること
ができる。
【0018】本発明の第二実施例を図3を参照して説明
する。図中、第一実施例中の部材と同等の部材は同一の
符号で示してある。本実施例では、内視鏡導入用パイプ
40が中央部に、回転軸導入用パイプ8が周辺部に設け
られている。STMユニット13はアクチュエーター支
持部材72の側が固定フランジ34に固定されている。
アクチュエーター支持部材72には中央に開口部が設け
てあり、内視鏡導入用パイプ40を通って外部から導入
された内視鏡44が円筒型アクチュエーター32の内側
まで導かれ、透明板43を介して試料29の表面が光学
的に観察される。内視鏡44はフランジ5に設けた内視
鏡位置調整用台座45により、対物レンズの光軸が探針
30の中心軸に一致するように支持されるとともに、対
物レンズの焦点が試料29の表面に合うように高さ位置
が調整される。また、板バネ25に接着されている試料
29の粗動は、板バネ25の端部に設けられている粗動
ネジ12を回転軸導入用パイプ8を通って導入された回
転軸7を用いて回すことにより行なわれる。
【0019】本発明の第三実施例を図4を参照して説明
する。図中、第一実施例中の部材と同等の部材は同一の
符号で示してある。なお図4では配線用パイプは省略し
てある。本実施例では、粗動ネジ12は円筒形状に作ら
れ、固定フランジ34に螺合している。粗動ネジ12の
端部には透明板43が設けられていて、その中央に探針
30が取り付けられている。この結果、粗動ネジ12が
回転すると、探針30が上下に移動する。フランジ5と
固定フランジ34は回転軸導入用パイプ8で連結されて
いる。回転軸導入用パイプ8の内側には円筒状の回転軸
7が挿入され、その端部は粗動ネジ12に連結し回転さ
せることができる。従って回転軸7を回すことにより探
針30を上下に動かすことができる。この円筒状の回転
軸7の内側には内視鏡41が挿入され、透明板43を介
して試料29の表面を光学的に観察できる。
【0020】本発明の第四実施例について図5を参照し
て説明する。図中、第一実施例中の部材と同等の部材は
同一の符号で示してある。本実施例では、STMユニッ
ト13を冷却するための液体ヘリウムや液体窒素を入れ
るデュワー部59がSTMユニット13に熱的に接触さ
せて設けられている。デュワー部59は断熱材58を介
してデュワーケース60の内部に固定されている。デュ
ワーケース60にはOリングを介してユニットチャンバ
ー27が取り付けられている。デュワーケース60とユ
ニットチャンバー27とで囲まれた空間は真空に引か
れ、STMユニット13に結露が発生するのが防止され
る。デュワーケース60にはOリング17により気密性
を保った状態で回転軸7が挿入されている。回転軸7の
端部は粗動ネジ12に連結していて、これを回転させる
ことができる。粗動ネジ12は回転されるとコイルスプ
リング23を介して板バネ25を押し出し、板バネ25
に接着されている試料29が探針30に接近する。探針
30は、円筒型アクチュエーター32の先端部に設けた
透明板43に取り付けられている。円筒型アクチュエー
ター32は中央に開口を有するアクチュエーター支持部
72に固定されている。ユニットチャンバー27には、
Oリング52により気密性を保った状態で内視鏡44が
挿入されている。内視鏡44は、対物レンズの軸が探針
30の中心軸と一致するように配置されるとともに、対
物レンズの焦点が試料29の表面に合うように調整され
る。これにより試料29の表面が透明板43を介して光
学的に観察され、その像はCCDカメラ42で捉えられ
る。
【0021】第四実施例の変形例を図6に示す。この例
では内視鏡44の他に側視型内視鏡41がユニットチャ
ンバー27に挿入されている。側視型内視鏡41の対物
レンズ部はSTMユニット13の外側に配置され、ユニ
ットケース71に設けてある開口を介して探針30と試
料29の間隔を観察できる。これにより、マニュアル操
作で探針試料間距離を0.1mm以下まで接近させるこ
とができ、探針のオートアプローチに要する時間を短縮
できる。
【0022】
【発明の効果】STMユニットを堅固に支持し冷却する
ので、安定なSTM測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第一実施
例を示す。
【図2】第一実施例の変形例を示す。
【図3】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第二実施
例を示す。
【図4】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第三実施
例を示す。
【図5】本発明による走査型トンネル顕微鏡の第四実施
例を示す。
【図6】第四実施例の変形例を示す。
【符号の説明】
5…フランジ、6…デュワー、7…回転軸、8…回転軸
導入用パイプ、12…粗動ネジ、13…STMユニッ
ト、25…板バネ、30…探針、32…円筒型アクチュ
エーター、40…内視鏡導入用パイプ、41,44…内
視鏡。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性の探針と、試料を保持する手段
    と、探針に試料表面を走査させる手段と、探針と試料の
    少なくとも一方を粗く移動させる粗動部とを備えている
    STMユニットと、 STMユニットを収容するチャンバー容器と、 チャンバー容器を収容し、STMユニットを冷却するた
    めの低温容器と、 低温容器の開口を閉塞するフランジと、 試料を光学的に観察するための内視鏡と、 内視鏡をチャンバー容器内に案内するための、フランジ
    とチャンバー容器とを連絡する内視鏡導入用パイプとを
    備えている走査型トンネル顕微鏡。
  2. 【請求項2】 導電性の探針と、試料を保持する手段
    と、探針に試料表面を走査させる手段と、探針と試料の
    少なくとも一方を粗く移動させる粗動部とを備えている
    STMユニットと、 STMユニットを冷却する手段と、 STMユニットと冷却手段を収容する容器と、 容器に挿入された、試料を光学的に観察するための内視
    鏡とを備えている走査型トンネル顕微鏡。
JP3281561A 1991-10-28 1991-10-28 走査型トンネル顕微鏡 Withdrawn JPH05118808A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104181335A (zh) * 2013-05-24 2014-12-03 中国科学院物理研究所 一种扫描隧道显微镜扫描探头
CN104714053A (zh) * 2013-12-11 2015-06-17 绍兴匡泰仪器设备有限公司 一种无液氦低温扫描隧道显微镜

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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