JPH071687B2 - 走査トンネル顕微鏡 - Google Patents
走査トンネル顕微鏡Info
- Publication number
- JPH071687B2 JPH071687B2 JP27892385A JP27892385A JPH071687B2 JP H071687 B2 JPH071687 B2 JP H071687B2 JP 27892385 A JP27892385 A JP 27892385A JP 27892385 A JP27892385 A JP 27892385A JP H071687 B2 JPH071687 B2 JP H071687B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tip
- tunnel
- sample
- scanning tunneling
- tunneling microscope
- Prior art date
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は走査トンネル顕微鏡に係り、特に表面磁化状態
を空間分解能10Å以下で観察するのに適した走査トンネ
ル顕微鏡に関する。
を空間分解能10Å以下で観察するのに適した走査トンネ
ル顕微鏡に関する。
従来の磁区観察手法としては、例えば、近角聰信著「強
磁性体の物理（下）」第６章に示されるように様々なも
のがあるが、これら手法はいずれも数ナノメータを上ま
わる空間分解能を得ることはできない。また、厚い試料
の表面磁区を観察する場合に限ると、0.2μｍ程度の分
解能しか得られない。一方、走査トンネル顕微鏡（ジイ
ビニング フイジツクス レビユー レター（G Binn
ing他Phys.Rev.Lett）49（1982）57）は10Å以下の空間
分解能で表面形状を観察できるものの、磁化に関する情
報は全く得られない。
磁性体の物理（下）」第６章に示されるように様々なも
のがあるが、これら手法はいずれも数ナノメータを上ま
わる空間分解能を得ることはできない。また、厚い試料
の表面磁区を観察する場合に限ると、0.2μｍ程度の分
解能しか得られない。一方、走査トンネル顕微鏡（ジイ
ビニング フイジツクス レビユー レター（G Binn
ing他Phys.Rev.Lett）49（1982）57）は10Å以下の空間
分解能で表面形状を観察できるものの、磁化に関する情
報は全く得られない。
本発明の目的は、強磁性体の表面磁区像を、10Å以下の
空間分解能で提供することが可能な走査トンネル顕微鏡
を提供することにある。
空間分解能で提供することが可能な走査トンネル顕微鏡
を提供することにある。
強磁性体のエネルギーバンドが、満たされた多数スピン
（磁化と逆向きのスピン）バンドと、満たされていない
小数スピン（磁化と同じ向きのスピン）バンドからなつ
ていることは、よく知られている。このバンドに電子を
注入する場合、小数スピンを持つ電子は、小数スピンバ
ンドの空の部分に入ることができるが、多数スピンを持
つ電子は、多数スピンバンドがすでに満たされているた
め、入ることができない。この現象を走査トンネル顕微
鏡に適用し、チツプから試料へのトンネル電子が、特定
方向のスピンのみをもつようにすると、試料面の磁化方
向がトンネル電子のスピンの向きと一致した場合はトン
ネル電流が流れ、磁化方向がトンネル電子のスピンの向
きと反対の場合はトンネル電流が流れなくなる。従つて
試料表面をこのチツプで走査しトンネル電流を画像信号
として用いれば、試料表面の磁区像が、走査トンネル顕
微鏡本来の分解能（＜10Å）で観察できることになる。
（磁化と逆向きのスピン）バンドと、満たされていない
小数スピン（磁化と同じ向きのスピン）バンドからなつ
ていることは、よく知られている。このバンドに電子を
注入する場合、小数スピンを持つ電子は、小数スピンバ
ンドの空の部分に入ることができるが、多数スピンを持
つ電子は、多数スピンバンドがすでに満たされているた
め、入ることができない。この現象を走査トンネル顕微
鏡に適用し、チツプから試料へのトンネル電子が、特定
方向のスピンのみをもつようにすると、試料面の磁化方
向がトンネル電子のスピンの向きと一致した場合はトン
ネル電流が流れ、磁化方向がトンネル電子のスピンの向
きと反対の場合はトンネル電流が流れなくなる。従つて
試料表面をこのチツプで走査しトンネル電流を画像信号
として用いれば、試料表面の磁区像が、走査トンネル顕
微鏡本来の分解能（＜10Å）で観察できることになる。
以下、図を用いて、本発明による走査トンネル顕微鏡の
構成及びその動作原理を詳細に説明する。
構成及びその動作原理を詳細に説明する。
第１図は本発明による走査トンネル顕微鏡の基本構成を
示したものである。
示したものである。
本発明の装置は、先端が尖鋭な偏極電子放出用ガリウム
ヒ素チツプ３、チツプ３の位置を0.2Å以下の精度で３
次元的に制御するピエゾ素子２とその駆動電源１、チツ
プ３内の伝導帯に偏極電子を生成するための励起光源
４、画像信号から像を作成するためのデイスプレイ10よ
り構成される。このうち励起光源４はさらにガリウム−
アルミニウム−ヒ素半導体レーザ9,偏波面保存光フアイ
バ8,電気光学効果素子7,1/4波長板6,レンズ５より構成
される。
ヒ素チツプ３、チツプ３の位置を0.2Å以下の精度で３
次元的に制御するピエゾ素子２とその駆動電源１、チツ
プ３内の伝導帯に偏極電子を生成するための励起光源
４、画像信号から像を作成するためのデイスプレイ10よ
り構成される。このうち励起光源４はさらにガリウム−
アルミニウム−ヒ素半導体レーザ9,偏波面保存光フアイ
バ8,電気光学効果素子7,1/4波長板6,レンズ５より構成
される。
半導体レーザ９からの直線偏光を、偏波面保存光フアイ
バ８により、直線偏光のまま電気光学効果素子７に伝送
し、1/4波長板６を通して円偏光とする。この光をレン
ズによつてチツプ３先端近傍に収束照射すると、チツプ
３内の価電子帯の電子が伝導帯へと選択励起され、伝導
帯におけるこれら励起電子の約3/4は照射光の進行方向
と同じ方向のスピンをもち、残り約1/4はそれと逆方向
のスピンをもつ。このチツプ３を試料11に近づけていく
と、チツプ３の伝導帯にある励起電子はトンネル効果に
よつて試料11に流れ込む。このとき試料11の磁化方向
が、励起電子スピンの平均的な方向と同じか反対かによ
つて、流れるトンネル電流の大きさが変つてくる。従つ
て、試料11面上をこのチツプ３で走査すると、第２図
（ａ）に示すように、磁化の向きに応じてトンネル電流
が変化し、このトンネル電流を画像信号としてデイスプ
レイ上に表示すれば磁区像が得られる。
バ８により、直線偏光のまま電気光学効果素子７に伝送
し、1/4波長板６を通して円偏光とする。この光をレン
ズによつてチツプ３先端近傍に収束照射すると、チツプ
３内の価電子帯の電子が伝導帯へと選択励起され、伝導
帯におけるこれら励起電子の約3/4は照射光の進行方向
と同じ方向のスピンをもち、残り約1/4はそれと逆方向
のスピンをもつ。このチツプ３を試料11に近づけていく
と、チツプ３の伝導帯にある励起電子はトンネル効果に
よつて試料11に流れ込む。このとき試料11の磁化方向
が、励起電子スピンの平均的な方向と同じか反対かによ
つて、流れるトンネル電流の大きさが変つてくる。従つ
て、試料11面上をこのチツプ３で走査すると、第２図
（ａ）に示すように、磁化の向きに応じてトンネル電流
が変化し、このトンネル電流を画像信号としてデイスプ
レイ上に表示すれば磁区像が得られる。
しかし第２図（ｂ）に示すように試料表面に凹凸がある
と、走査によつてチツプ３と試料11の距離が変わり、こ
れによつてトンネル電流が変化する。この場合トンネル
電流を画像信号とすると、得られる像は磁区像と凹凸の
像が重畳されたものとなり、この像から正確な磁区構造
を知ることは困難となる。
と、走査によつてチツプ３と試料11の距離が変わり、こ
れによつてトンネル電流が変化する。この場合トンネル
電流を画像信号とすると、得られる像は磁区像と凹凸の
像が重畳されたものとなり、この像から正確な磁区構造
を知ることは困難となる。
表面の凹凸と無関係な、磁区構造のみを示す像は次の方
法で得ることができる。電気光学効果素子７に、磁区像
の一画素を得るのに必要な時間よりも十分短い周期の交
番電圧を印加して、1/4波長板６から出る偏光の回転方
向を反転させ、チツプの伝導帯に励起される電子の平均
的なスピン方向を第３図（ｂ）で示すように反転させ
る。このときチツプ３から試料11に流れるトンネル電流
は、スピン方向の反転に応じて変動し変動のしかたは試
料の磁化方向に応じて第３図（ｃ）に示すように異なつ
てくる。しかし、トンネル電流の平均値は試料11とチツ
プ３の距離にのみ依存し、試料の磁化とは無関係となる
ため第３図（ｃ）の破線で示すように、このトンネル電
流の平均値が一定となるようチツプ３の位置を制御する
ことにより、第３図（ａ）に示すようにチツプ３と試料
11の距離を一定に保つことができる。また、トンネル電
流の変動分をスピン方向反転信号（電気光学効果素子７
に印加する交番電圧）で同期検波すると第３図（ｄ）に
示すように、磁化方向に依存した出力信号が得られ、こ
の信号を画像信号とすると、表面の凹凸とは無関係な、
磁区構造のみを示す像が得られる。またチツプ位置の制
御信号を画像信号とすると、表面の凹凸を示す像が、磁
区像と同時に得られる。
法で得ることができる。電気光学効果素子７に、磁区像
の一画素を得るのに必要な時間よりも十分短い周期の交
番電圧を印加して、1/4波長板６から出る偏光の回転方
向を反転させ、チツプの伝導帯に励起される電子の平均
的なスピン方向を第３図（ｂ）で示すように反転させ
る。このときチツプ３から試料11に流れるトンネル電流
は、スピン方向の反転に応じて変動し変動のしかたは試
料の磁化方向に応じて第３図（ｃ）に示すように異なつ
てくる。しかし、トンネル電流の平均値は試料11とチツ
プ３の距離にのみ依存し、試料の磁化とは無関係となる
ため第３図（ｃ）の破線で示すように、このトンネル電
流の平均値が一定となるようチツプ３の位置を制御する
ことにより、第３図（ａ）に示すようにチツプ３と試料
11の距離を一定に保つことができる。また、トンネル電
流の変動分をスピン方向反転信号（電気光学効果素子７
に印加する交番電圧）で同期検波すると第３図（ｄ）に
示すように、磁化方向に依存した出力信号が得られ、こ
の信号を画像信号とすると、表面の凹凸とは無関係な、
磁区構造のみを示す像が得られる。またチツプ位置の制
御信号を画像信号とすると、表面の凹凸を示す像が、磁
区像と同時に得られる。
表面の凹凸と無関係な、磁画構造のみを示す像は、次の
方法でも得ることができる、トンネル電子のスピン方向
を周期的に反転することは、前記方法と同じであるが、
この手法では、チツプと試料の距離だけでなく、トンネ
ル電子のスピンの方向が反転しても、常に一定のトンネ
ル電流が流れるよう、チツプ位置を制御する。このとき
チツプ位置の制御信号を、スピン方向反転信号で同期検
波し、得られた信号を画像信号とすると、前記手法と同
じ原理によつて表面の凹凸とは無関係な、磁区構造のみ
を示す像が得られる。また、チツプ位置の制御信号か
ら、スピン方向反転信号の周波数成分を除いたものを画
像信号とすると、表面の凹凸を示す像が磁区像と同時に
得られる。
方法でも得ることができる、トンネル電子のスピン方向
を周期的に反転することは、前記方法と同じであるが、
この手法では、チツプと試料の距離だけでなく、トンネ
ル電子のスピンの方向が反転しても、常に一定のトンネ
ル電流が流れるよう、チツプ位置を制御する。このとき
チツプ位置の制御信号を、スピン方向反転信号で同期検
波し、得られた信号を画像信号とすると、前記手法と同
じ原理によつて表面の凹凸とは無関係な、磁区構造のみ
を示す像が得られる。また、チツプ位置の制御信号か
ら、スピン方向反転信号の周波数成分を除いたものを画
像信号とすると、表面の凹凸を示す像が磁区像と同時に
得られる。
〔発明の効果〕 以上詳述したように、本発明によれば、磁性体表面の磁
区構造を10Å以下の高分解能で観測でき、その学術的，
工業的な価値は非常に高いものである。
区構造を10Å以下の高分解能で観測でき、その学術的，
工業的な価値は非常に高いものである。
第１図は本発明の一実施例を示す走査トンネル顕微鏡の
基本構成図、第２図は、本発明によつて得られる像のコ
ントラスト成因説明図、第３図は、本発明による、表面
形状と独立な、磁区コントラスト取得の説明図である。 １……ピエゾ素子駆動電源、２……ピエゾ素子、３……
チツプ、４……光源、５……レンズ、６……1/4波長
板、７……電気光学効果素子、８……偏波面保存光フア
イバ、９……半導体レーザ、10……デイスプレイ。
基本構成図、第２図は、本発明によつて得られる像のコ
ントラスト成因説明図、第３図は、本発明による、表面
形状と独立な、磁区コントラスト取得の説明図である。 １……ピエゾ素子駆動電源、２……ピエゾ素子、３……
チツプ、４……光源、５……レンズ、６……1/4波長
板、７……電気光学効果素子、８……偏波面保存光フア
イバ、９……半導体レーザ、10……デイスプレイ。
Claims (7)
- 【請求項１】チップから試料にながれるトンネル電子流
が、チップと試料との距離に大きく依存することを利用
して、試料表面形状を原子レベルで観察する走査トンネ
ル顕微鏡において、トンネル電子がスピン偏極している
ことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項２】前記チップからのトンネル電子が、円偏光
励起によって偏極するもので、偏光面の回転方向を反転
することにより、トンネル電子の偏極方向を反転し、こ
のときのトンネル電子流の変動分を画像信号とすること
を特徴とする特許請求範囲第１項記載の走査トンネル顕
微鏡 - 【請求項３】前記偏極方向が反転するトンネル電子に対
し、このトンネル電子流が一定になるように試料に対す
るチップ位置を変動させ、この変動分を画像信号とする
ことを特徴とする特許請求範囲第１項記載の走査トンネ
ル顕微鏡。 - 【請求項４】前記トンネル電子流の変動分をトンネル電
子の偏極方向を反転する信号で同期検波することを特徴
とする特許請求範囲第２項記載の走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項５】前記トンネル電子流の平均値が一定になる
ように、チップと試料間の距離を制御することを特徴と
する特許請求範囲第２項又は第４項のいずれかに記載の
走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項６】前記チップ位置の変動分ををトンネル電子
の偏極方向を反転する信号で同期検波することを特徴と
する特許請求範囲第３項記載の走査トンネル顕微鏡。 - 【請求項７】偏極電子を放出するためのチップ、前記チ
ップの先端部に励起光を供給するための光源、前記チッ
プと試料の相対位置を制御するための手段、前記チップ
による電子流の大きさを制御するための手段及び前記位
置または電子流による画像信号を生成する手段よりなる
ことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27892385A JPH071687B2 (ja) | 1985-12-13 | 1985-12-13 | 走査トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27892385A JPH071687B2 (ja) | 1985-12-13 | 1985-12-13 | 走査トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62139240A JPS62139240A (ja) | 1987-06-22 |
| JPH071687B2 true JPH071687B2 (ja) | 1995-01-11 |
Family
ID=17603965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27892385A Expired - Lifetime JPH071687B2 (ja) | 1985-12-13 | 1985-12-13 | 走査トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH071687B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2760508B2 (ja) * | 1988-06-23 | 1998-06-04 | 工業技術院長 | 走査型トンネル顕微鏡 |
| EP0355241A1 (en) * | 1988-08-18 | 1990-02-28 | International Business Machines Corporation | Spin-polarized scanning tunneling microscope |
| US4942299A (en) * | 1989-03-01 | 1990-07-17 | Midwest Research Institute | Method and apparatus for differential spectroscopic atomic-imaging using scanning tunneling microscopy |
| US4941753A (en) * | 1989-04-07 | 1990-07-17 | International Business Machines Corp. | Absorption microscopy and/or spectroscopy with scanning tunneling microscopy control |
| NL9301617A (nl) * | 1993-09-17 | 1995-04-18 | Stichting Katholieke Univ | Meetinrichting voor het meten van de intensiteit en/of polarisatie van elektromagnetische straling, voor het bepalen van fysische eigenschappen van een preparaat en voor het lezen van informatie vanaf een opslagmedium. |
| JP3332384B2 (ja) * | 1995-06-26 | 2002-10-07 | 株式会社 日立製作所 | 電子顕微鏡および電子顕微方法 |
-
1985
- 1985-12-13 JP JP27892385A patent/JPH071687B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62139240A (ja) | 1987-06-22 |
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