JPH0526612A - 走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】走査型トンネル顕微鏡の走査装置において探針
８及び試料１２の表面の損傷防止、信頼性の高いデータ
採取及び簡便、かつ、高精度の仕事関数測定のために、
走査素子７と探針８の間に、圧力に対し信号を発する素
子を設け、探針８が試料１２の表面に接触したとき、表
示装置に探針８が接触したことを指示する、あるいは装
置の動作を中断する機構。 【効果】探針および試料表面の損傷を防ぐことができ、
仕事関数を簡単かつ高精度に求めることができる。

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
おける探針の試料表面への接触感知機能、探針，試料表
面の損傷の防止及び探針の振動法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型トンネル顕微鏡はジ．アメ
リカン．フィジカル．ソサイアティ，４９（１），５７
（１９８２）にあるように探針及び探針を駆動するため
の圧電素子からなっており、動作原理は次の通りであ
る。すなわち、三次元方向に駆動する圧電素子に取り付
けた探針をトンネル電流が流れるだけの充分な距離まで
試料表面へ接近させ、両者の間に仕事関数より小さいバ
イアス電圧を印加するとトンネル電流が流れる。トンネ
ル電流は探針と試料表面間の距離に依存する物理量なの
でトンネル電流が一定、すなわち両者間の距離が一定に
保たれるようにＺ軸圧電素子への印加電圧を調節しなが
ら試料表面に沿って二次元方向に走査する。この時、表
面の凹凸に応じてＺ軸圧電素子への印加電圧が変化する
のでその電圧を高さ方向の物理量として三次元表示する
と表面の凹凸画像が得られる。

【０００３】探針の試料表面への衝突防止法に関しては
特開昭64−15601 号公報にあるように試料を広範囲に移
動させる第二の駆動手段である粗動機構とトンネル電流
を検出するまでの粗動機構を移動させトンネル電流を検
出すると同時に停止させる粗動機構制御回路が考案され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の走査型トンネル
顕微鏡においては測定中に試料表面の凹凸に追従できな
い、操作速度が速い、あるいは設定したトンネル電流値
が大きいために探針が表面に接触しながら走査すること
がある。その結果、試料表面の損傷や探針先端の摩耗，
折れ，曲がり等の種々の問題があった。更に重要なこと
は理論的には探針は試料に接触することはなく、もし、
探針が表面に触れた状態で像が得られたならばその像は
トンネル顕微鏡の像とはいえず、触針式粗さ計ともいう
べきである。現在、測定中に探針が試料表面に接してい
るかどうかを知る手段は全く無く、なんらかの方法で接
触状態を知る必要がある。その他、微動機構を用いて探
針を表面へ接近させる際には、サブミクロン以下まで接
近させるが、この時、充分な精度で制御しきれずに、探
針が試料表面へ衝突する事故がしばしば見られる。

【０００５】本発明の目的は探針が表面に接触した場
合、操作者へ信号を伝達する、あるいは探針が表面に衝
突した際には自動的に探針を表面から引き離して探針と
試料の損傷を防止し、合わせて適切なデータの解釈の指
針とすることにある。

【０００６】走査型トンネル顕微鏡を用いた仕事関数の
測定法は探針駆動用の圧電素子に交流電圧を印加して探
針を試料表面に対して上下に振動させ、その時の振幅と
トンネル電流の対数の変化から仕事関数を求める。従来
の探針の振動方法は上述したように探針を走査するため
の圧電素子を兼用しているため、数ｎｍから数百ｎｍの
走査用の圧電素子をサブｎｍの精度を要求される探針振
動に使用することになる。その結果、充分な精度で探針
の振動を制御することが困難になり、測定誤差が大きく
なる。本発明は駆動部と振動部をそれぞれ専用の素子で
制御することにより、駆動部には駆動部の、振動部には
振動部のそれぞれに適した性能を持った材料を任意に選
択でき、その結果、仕事関数の測定精度を上げることが
できる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に三次元方向に駆動可能な駆動素子及びその駆動素子部
に取り付けた探針を備えた走査型トンネル顕微鏡におい
て駆動素子と探針の間に探針が試料表面に接触した時に
信号を発する素子を設けたものである。

【０００８】試料表面の仕事関数値の高精度化のため
に、探針及び駆動素子部からなる走査型トンネル顕微鏡
において探針と駆動部の間に振動素子をはさみ、駆動部
と振動部を別々に制御したものである。

【０００９】

【作用】探針と駆動素子との間に圧力感知用圧電素子を
組み込むことにより探針が表面に接触あるいは衝突した
ときに圧力感知用圧電素子に圧縮応力が加わり、応力に
応じた分極が生じる。これを電圧検出器でモニタし、電
圧に変化が認められた場合、光，音等に変換して操作者
に伝達する。この結果を基に適切なトンネル電流や探針
の操作速度の設定が可能になり、また、得られたデータ
を正しく解釈できる。さらに、探針近接操作時に探針が
表面へ衝突した際、Ｚ軸駆動素子の電源をストップすれ
ばそれ以上の探針及び試料表面の損傷を防ぐことができ
る。

【００１０】探針駆動部と探針の間に振動部が設置さ
れ、駆動部と振動部をそれぞれ別個に制御する。探針駆
動部は探針と表面の距離の保持及び試料表面の走査用と
してのみ用いる。振動部は試料表面に対し垂直方向に振
動し、仕事関数測定に用いる。これにより駆動部と振動
部の材料を個別に選択できるので、それぞの目的，性能
に適合した材料を設置することができる。その結果、駆
動部の性能，形状に左右されずに高精度の振動部を適用
できるので仕事関数の測定精度が向上する。

【００１１】

【実施例】以下に実施例を参照して説明する。

【００１２】図１は本発明による走査型トンネル顕微鏡
の探針駆動部及び試料部である。図中の２は探針を走査
するための三次元チューブ型圧電素子駆動部であり、１
はその支持部である。駆動走査部２にはＸ軸方向駆動用
電極３、Ｙ軸方向駆動用電極４及びＺ軸方向用電極５が
共に取り付けられている。圧力感知用圧電素子７は電圧
検出用の電極９，１０とメタライジングにより接合さ
れ、更にその下部に探針８を収納するための絶縁性ソケ
ット１１が設けてある。探針８は導電性ねじ６でソケッ
ト１１に固定されている。ねじ６からＺ軸駆動用アンプ
１４へトンネル電流信号を伝える。１２は試料、１３は
試料１２を広範囲に移動させるための粗動機構である。
衝突で生じた圧電素子７の電圧は増幅器１５で増幅され
た後、駆動アンプ１４へスイッチ１６を介して送られ
る。接触時に発生した信号は同時に表示系１７に伝達さ
れる。

【００１３】圧電素子駆動部２はＰＺＴ、圧力感知用圧
電素子７は微小な応力に対し、大きな電圧を生じるｄ定
数の大きい水晶等を用いる。絶縁材や探針等による応力
緩和を最小限にするため、ソケット１１はアルミナ，サ
ファイヤやダイヤモンド等、そして探針８はタングステ
ンなどの弾性変形の小さい材料を選ぶ。

【００１４】次に、実際の動作について説明する。まず
初めに探針の表面近接時の動作について述べ、次いでト
ンネル顕微鏡観察中における探針の表面接触状態につい
て述べる。最後に、本発明を応用することにより、仕事
関数の測定ができるのでこれを説明する。

【００１５】測定前に探針８を粗動機構１３を用いて試
料表面１２まで充分近付ける。次に三次元駆動素子２の
Ｚ軸方向電極５に直線的に電圧を印加させると探針は一
定スピードで表面へ接近する。探針８が試料１２の表面
に接すると、これと同時に圧力感知素子７に圧縮応力が
加わり、電極９と１０の間の電圧が変化する。この時直
ちに電極５への印加電圧を止めると探針８はその場に停
止する。この時生じた電極９と１０間の電圧がもとのレ
ベルにもどるまで増幅器１５より探針８が表面から離れ
る方向へＺ軸電源１４に電圧を重畳する。これにより一
端表面に接した探針８はその瞬間に表面から離れ、一定
位置を維持する。これにより安全に探針８を表面に近付
け、試料１２の表面の損傷を防ぐことができる。

【００１６】その他の方法として圧縮応力による電圧の
変化を、常時、監視し、変化が認められた時には駆動ア
ンプ１４に駆動電源の停止信号を送り、探針の接近を抑
える方法も適用できる。

【００１７】トンネル顕微鏡観察中はスイッチ１６を開
放して探針８の接触時におけるＺ軸の逆方向電圧の重畳
を防ぐ。また、探針８が表面に接した時は表示系１７に
より接触した時間及びその回数を表示する。これにより
表面に探針８が接する時間回数が少なく、そして良好な
画像が得られるトンネル電流値，バイアス電圧及び走査
速度等を設定できる。図２および図３はトンネル顕微鏡
測定中に探針が白金の試料表面に衝突した時間を表す。
縦軸は衝突状態を１と０に量子化して表示してあり、１
の点が衝突を、０の点が衝突していないことを表す。横
軸は全走査時間を表す。図２は試料表面上１００ｎｍ平
方の範囲を一往復当たり１秒（走査速度２００ｎｍ／
秒）の速度で２５６走査、バイアス電圧０.２Ｖ、トン
ネル電流２ｎＡの条件で行った時の結果である。この条
件下では図２が示すように試料表面への衝突が頻繁で、
ある程度、探針が表面をなぞりながら走査していること
がわかる。次に、測定条件を１００ｎｍ／秒、０.２ｎ
Ａに変えると図３に示すように、探針が表面に衝突する
割合が減少することが分かる。

【００１８】本発明を応用することで簡単に仕事関数の
測定ができる（但し、請求項２とは別の方法。請求項２
は従来の装置の改良に関する）。ここでトンネル電流Ｊ
ｔと試料表面から探針先端までの距離との関係は一次元
自由電子モデルの近似によると次式で表現される。

【００１９】 Ｊｔ＝(ｅ２Ｖ(２ｍφ)０.５／ｈ２ｚ）exp(−４πｚ(２ｍφ)０.５／ｈ） …（数１） ここでｅは電気素量、Ｖは探針／試料管のバイアス電
圧、ｍは電子の質量、φは探針／試料の仕事関数の平均
値、ｈはプランク定数である。今、ｚの値は本発明によ
り知ることができる。即ち、探針を表面に接触させ（接
触すると表示系に信号を伝達するのでその状態では探針
／試料間距離は０であることがわかる）、この点を規準
にして探針が表面から離れる方向へｚ軸駆動素子にある
電圧を印加するとその電圧に相当する分の距離だけ離
れ、探針／試料間の距離ｚを定めることができる。ｅ，
ｍおよびｈは既知量であるので、ｚを一定の状態で探針
／試料間にバイアス電圧Ｖを印加してトンネル電流Ｊｔ
を測定すると未知数はφのみとなり仕事関数φを求める
ことができる。更に以上の操作を一点に限らず試料に対
し平面方向について測定することにより仕事関数の大き
さを高さとした三次元分布表示が可能となる。図４は鋭
敏化ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の粒界部の仕事関数の三
次元分布図である。粒界部の仕事関数が周辺部より高い
ことがわかる。

【００２０】本実施例は本発明の一実施例にすぎず探針
８と駆動素子２の間に応力感知部をはさむ以外は変形し
て実施することができる。例えば、本実施例ではチュー
ブ型駆動素子を用いたが、トライポッド型でも構わず、
又、駆動素子および応力感知には通常ＰＺＴ等がある
が、測定精度が満足いくものであればいずれでもよい。
応力感知部は駆動部２と探針８の間に設置するほかに支
持部１と駆動部２の間、試料１２と粗動機構部１３の間
等、探針が表面に接触することにより圧縮圧力が加えら
れるところであればどの場所でも良い。

【００２１】図５は探針振動部の図である。電極９，１
０の間に振動素子１９を接合し、交流電源１８へはリー
ド線で連絡する。トンネル電流の記録系２０および探針
振動用の交流電源１８を設ける以外は図１と同様であ
る。

【００２２】次に動作原理を説明する。初めに探針駆動
部２で試料表面の測定部分を決め、探針がトンネル領域
に入るまで充分探針を表面に接近させる。スイッチ１６
を切った後、交流電源１８から振動素子１９に交流電圧
を印加して探針８を試料表面に対して垂直に振動させ
る。この時の電流変化を記録系２０でモニタする。

【００２３】

【発明の効果】本発明は探針駆動部と探針の間に応力感
知素子あるいは振動素子を設けたため、探針が表面に接
触したことを知ることができる。その結果、探針および
試料表面の損傷を防ぐことができ、更に、本装置を応用
することにより仕事関数を簡単、かつ、高精度に求める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査部、試料および応力感知部のブロック図。

【図２】走査速度１００ｎｍ／秒、トンネル電流２ｎＡ
のときの接触状態の説明図。

【図３】走査速度５０ｎｍ／秒、トンネル電流０.２ｎ
Ａ のときの接触状態の説明図。

【図４】SUS304ステンレス鋼の粒界部における仕事関数
の分布図。

【図５】走査部および振動部のブロック図。

【符号の説明】

１…支持部、２…走査部、３…Ｘ軸電極、４…Ｙ軸電
極、５…Ｚ軸電極、６…ねじ、７…圧力感知用圧電素
子、８…探針、９…圧力感知用電極、１０…圧力感知用
電極、１１…ソケット、１２…試料、１３…素動機構、
１４…Ｚ軸電源、１５…増幅器、１６…スイッチ、１７
…表示計。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元方向に駆動可能な駆動素子及び前記
   駆動素子に取り付けられた探針を備えた走査型トンネル
   顕微鏡において、前記駆動素子と前記探針の間に前記探
   針が試料表面に接触した時に信号を発する素子を設けた
   ことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
2. 【請求項２】探針及び前記探針の駆動素子からなる走査
   型トンネル顕微鏡において、前記探針と前記駆動素子の
   間に振動素子をはさみ、前記駆動素子と前記振動素子を
   それぞれ別々に制御することを特徴とする走査型トンネ
   ル顕微鏡。