JPH08285519A - Observing method of sample surface and probe used therefor - Google Patents

Observing method of sample surface and probe used therefor

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JPH08285519A
JPH08285519A JP7109174A JP10917495A JPH08285519A JP H08285519 A JPH08285519 A JP H08285519A JP 7109174 A JP7109174 A JP 7109174A JP 10917495 A JP10917495 A JP 10917495A JP H08285519 A JPH08285519 A JP H08285519A
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JP
Japan
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ultrafine particles
probe
nitride
aluminum nitride
sample surface
Prior art date
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Pending
Application number
JP7109174A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masashi Yamaguchi
正志 山口
Masayuki Kobayashi
正幸 小林
Hideo Fukui
英夫 福井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
YKK Corp
Original Assignee
YKK Corp
Yoshida Kogyo KK
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Publication date
Application filed by YKK Corp, Yoshida Kogyo KK filed Critical YKK Corp
Priority to JP7109174A priority Critical patent/JPH08285519A/en
Publication of JPH08285519A publication Critical patent/JPH08285519A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/08Probe characteristics
    • G01Q70/14Particular materials

Abstract

PURPOSE: To obtain a probe for observation of a sample surface which can be manufactured inexpensively by a simple method and, moreover, which scarcely contains impurity and has high resolution and also a method which makes it unnecessary to control the vertical motion of the fore end of the probe and enables direct observation of the sample surface only by making the probe scan in the horizontal direction in a state wherein the fore end thereof is simply brought into contact with the sample surface. CONSTITUTION: A method wherein a probe 1 to the fore end of which an ultrafine particle 1a having piezoelectric properties is fitted is made to scan in the horizontal direction in a state wherein it is brought into contact with a sample surface, a voltage or a current generated from the ultrafine particle 1a in accordance with a pressure applied thereto by indentations of the surface of a sample S is detected and the surface of the sample S is observed on the basis of it, is obtained. Besides, the probe for observation of the sample surface which is useful as the probe for this method for observation of the sample surface, STM, AFM, MFM, etc., and is prepared by fitting the ultrafine particle of a diameter 5-100nm, preferably 5-50nm, to the fore end thereof is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、試料表面観察方法に関
し、さらに詳しくは、圧電性を有する超微粒子を先端に
取り付けた探針を試料表面に接触させた状態で水平方向
に走査し、試料表面を直接的に観察する方法に関する。
さらにまた、本発明は、このような試料表面観察方法
や、例えば走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁
気力顕微鏡等の探針として有用な超微粒子からなる探針
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of observing a sample surface, and more particularly, to a method for horizontally scanning a sample with a probe having piezoelectric ultrafine particles attached to its tip in contact with the sample surface. It relates to a method of directly observing a surface.
Furthermore, the present invention relates to such a sample surface observing method and a probe made of ultrafine particles useful as a probe for a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope, a magnetic force microscope and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】1980年代初めに、固体表面を原子オ
ーダーの分解能で観察できる装置として走査型トンネル
顕微鏡(以下、STMと略称する)が開発された。ST
Mは、先端を鋭く尖らせた探針と導電性の試料との間に
流れる5nA〜10pA程度のトンネル電流を利用し
て、試料表面の構造を三次元的に観察する顕微鏡であ
る。その後、STMの測定原理に基づく幾つかの新しい
顕微鏡が開発された。このうち、原子間力顕微鏡(以
下、AFMと略称する)は、先端を鋭く尖らせた探針と
試料との間の引力や斥力(原子間力)を検出して試料表
面の凹凸を観察するものであり、STMでは測定できな
い絶縁体を含む半導体、金属、生体など広範な材料の表
面構造を観察できる顕微鏡として実用化が進んでいる。
一方、磁気力顕微鏡(以下、MFMと略称する)は、試
料と探針を近接したときに発生する磁気的な引力や斥力
を検出して試料表面を観察するものであり、磁気ディス
ク上の磁気記録情報などの観察に利用されている。
2. Description of the Related Art In the early 1980s, a scanning tunneling microscope (hereinafter abbreviated as STM) was developed as an apparatus capable of observing a solid surface with atomic resolution. ST
M is a microscope for three-dimensionally observing the structure of the sample surface by utilizing a tunnel current of about 5 nA to 10 pA flowing between a probe having a sharp tip and a conductive sample. Later, several new microscopes based on the STM measurement principle were developed. Among them, an atomic force microscope (hereinafter abbreviated as AFM) detects an attractive force or a repulsive force (atomic force) between a probe having a sharp tip and a sample and observes unevenness on the sample surface. However, it has been put into practical use as a microscope that can observe surface structures of a wide variety of materials such as semiconductors, metals, and living bodies including insulators that cannot be measured by STM.
On the other hand, a magnetic force microscope (hereinafter abbreviated as MFM) is for observing the sample surface by detecting a magnetic attractive force or repulsive force generated when the sample and the probe are brought close to each other. It is used for observing recorded information.

【0003】前記したような走査型プローブ顕微鏡にお
いては、その分解能は探針先端の曲率半径に影響され
る。以下、STMを例に挙げて説明する。一般的なST
Mの概略構成を図4に、またSTMの探針部の拡大図を
図5に示す。まず、STMによる試料表面の像観察の方
法について説明すると、先端を非常に鋭く尖らせた金属
製の探針1と試料Sの間の距離Dを約0.5〜1nmの
間隔に保ち、試料Sと探針1の間に約1V程度の電位差
T を加えると、両者の間にトンネル電流IT が流れ
る。トンネル電流IT は試料Sと探針1との間の距離D
に対して指数関数的に変化し、試料Sと探針1の間隔を
10%近づけるとトンネル電流は10倍流れるが、距離
Dが一定の場合には一定のトンネル電流が流れる。従っ
て、試料Sと探針1の間に流れるトンネル電流IT が一
定となるように、すなわち探針1と試料Sの間の距離D
が一定となるように探針1を上下動させながら、試料表
面を水平方向に走査すると、探針1の上下動が試料表面
の凹凸に対応することになる。
In the scanning probe microscope as described above, its resolution is affected by the radius of curvature of the tip of the probe. Hereinafter, the STM will be described as an example. General ST
FIG. 4 shows a schematic configuration of M, and FIG. 5 shows an enlarged view of the STM probe portion. First, a method of observing an image of a sample surface by STM will be described. The distance D between the metal probe 1 and the sample S whose tip is very sharp and sharp is kept at an interval of about 0.5 to 1 nm. When a potential difference V T of about 1 V is applied between S and the probe 1, a tunnel current I T flows between them. The tunnel current I T is the distance D between the sample S and the probe 1.
However, when the distance between the sample S and the probe 1 is reduced by 10%, the tunnel current flows ten times, but when the distance D is constant, a constant tunnel current flows. Therefore, the tunnel current I T flowing between the sample S and the probe 1 is kept constant, that is, the distance D between the probe 1 and the sample S.
When the sample surface is scanned in the horizontal direction while the probe 1 is moved up and down so as to be constant, the up and down movement of the probe 1 corresponds to the unevenness of the sample surface.

【0004】このような探針1の上下動の信号を圧電素
子2により検出し、メモリ15に記憶させた後、マイク
ロコンピュータ16などを用いてブラウン管17のCR
Tスクリーン18上に画像表示させる。探針1の位置制
御にはスキャナ10に組み込まれた圧電素子2が用いら
れ、探針1のx,y方向の走査はXY走査回路12によ
り制御され、z方向の走査(上下動)はサーボ回路13
によりフィードバック制御される。なお、サーボ回路1
3には、探針1と試料S(金属製の試料支持台11)と
の間に流れるトンネル電流IT がトンネル電流増幅器1
4により増幅されて入力される。
Such a vertical movement signal of the probe 1 is detected by the piezoelectric element 2 and stored in the memory 15, and then the CR of the cathode ray tube 17 is controlled by using the microcomputer 16 or the like.
An image is displayed on the T screen 18. The piezoelectric element 2 incorporated in the scanner 10 is used to control the position of the probe 1, the scanning of the probe 1 in the x and y directions is controlled by the XY scanning circuit 12, and the scanning in the z direction (vertical movement) is a servo. Circuit 13
Is feedback controlled by. The servo circuit 1
3, the tunnel current I T flowing between the probe 1 and the sample S (metal sample support 11) is the tunnel current amplifier 1
It is amplified by 4 and input.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】現在一般に用いられて
いるSTMの機構は前記したとおりであるが、このよう
にトンネル電流を用いて試料表面の構造を解析する方法
においては、トンネル電流を一定に保つために探針を上
下動させなければならないため、その作動及び制御に、
非常に精密でしかも非常に高価な装置が必要になる。ま
た、トンネル電流IT は探針の仕事関数に影響されるた
め、探針が汚染されてその仕事関数が変化すると、トン
ネル電流も変化し、測定精度が悪くなる。一方、STM
の分解能は探針先端の曲率半径(太さ)に影響され、通
常、100nm以上の曲率半径では十分な分解能は得ら
れない。この探針先端の曲率半径と分解能の関係は、同
様にAFMやMFMについても当てはまる。
The mechanism of the STM currently generally used is as described above. However, in the method of analyzing the structure of the sample surface using the tunnel current, the tunnel current is kept constant. Since the probe must be moved up and down to keep it,
Very precise and very expensive equipment is required. Further, since the tunnel current I T is influenced by the work function of the probe, if the probe is contaminated and its work function changes, the tunnel current also changes and the measurement accuracy deteriorates. On the other hand, STM
Is affected by the radius of curvature (thickness) of the tip of the probe, and usually, a radius of curvature of 100 nm or more does not provide sufficient resolution. The relationship between the radius of curvature of the tip of the probe and the resolution also applies to AFM and MFM.

【0006】従って、STM等の分解能を上げるために
は、探針の先端を鋭くしなければならない。従来、この
ような探針の加工には、機械加工又は電解研磨あるいは
これらの組合せが用いられているが、機械加工によって
探針先端を直径 1μm以下にするのは困難である。従っ
て、一般に汚染されにくいWやAg、Au等の金属製探
針を用い、これを液体中で電解研磨し、その先端を鋭く
尖らせる方法が採用されている。しかしながら、このよ
うな方法によっても、これまで作製されていた探針先端
の曲率半径は約100nm程度であるため、分解能が上
がりにくいという欠点があった。また、電解研磨法の場
合、探針表面が滑らかにエッチングされることは稀であ
り、でこぼこの粗面に形成されることが多い。さらに、
液体中での電解研磨であるため、探針中に不純物が残
り、汚染されてしまう。このため、電解研磨した探針
は、さらにイオンエッチング等により表面をエッチング
し、その後加熱して電解蒸発を行う必要があり、非常に
時間と手間を要するという難点があった。
Therefore, in order to improve the resolution of STM or the like, the tip of the probe must be sharpened. Conventionally, machining, electrolytic polishing, or a combination thereof has been used for machining such a probe, but it is difficult to reduce the diameter of the probe tip to 1 μm or less by machining. Therefore, a method is used in which a metal probe such as W, Ag, Au, etc., which is generally less likely to be contaminated, is electrolytically polished in a liquid, and its tip is sharpened. However, even with such a method, the radius of curvature of the tip of the probe that has been manufactured so far is about 100 nm, so that there is a drawback that the resolution is difficult to increase. Further, in the case of the electrolytic polishing method, the probe surface is rarely etched smoothly and is often formed on a rough rough surface. further,
Since the electropolishing is performed in a liquid, impurities remain in the probe and contaminate it. For this reason, the electrolytically polished probe needs to have its surface further etched by ion etching or the like and then heated to perform electrolytic evaporation, which is very difficult and time-consuming.

【0007】従って、本発明の目的は、前記したような
従来のSTMやAFM、MFMに用いられている探針の
問題を解決し、簡単な方法で安価に作製でき、しかも不
純物が殆ど含まれておらず、また先端の径が100nm
以下であり、従って高い分解能を有する試料表面観察用
の探針を提供することにある。本発明の他の目的は、S
TMのように試料表面と探針先端との間隔を一定に保つ
ように探針先端の上下動をフィードバック制御する必要
がなく、単に探針先端を試料表面に接触させた状態で水
平方向に走査するだけで、試料表面を直接的に観察でき
る方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to solve the problem of the probe used in the conventional STM, AFM, and MFM as described above, to manufacture it by a simple method at low cost, and to contain almost no impurities. And the tip diameter is 100 nm
Therefore, the object is to provide a probe for observing a sample surface having high resolution. Another object of the present invention is S
Unlike TM, it is not necessary to feedback control the vertical movement of the tip of the probe to keep the distance between the sample surface and the tip of the probe constant. Instead, the tip of the probe is simply brought into contact with the sample surface to scan in the horizontal direction. The object is to provide a method for directly observing the sample surface only by performing the above.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明によれば、圧電性を有する超微粒子を先端に
取り付けた探針を試料表面に接触させた状態で水平方向
に走査し、試料表面の凹凸により探針先端に加えられる
圧力に応じて上記超微粒子から発生する電圧又は電流を
検知し、試料の表面を観察することを特徴とする新規な
試料表面観察方法が提供される。さらに本発明によれ
ば、このような試料表面観察方法や、STMやAFM、
MFM等の探針として有用な、探針先端に5〜100n
m、好ましくは5〜50nmの径の超微粒子を取り付け
てなる試料表面観察用探針が提供される。上記本発明に
よる新規な試料表面観察方法やAFMの探針に用いられ
る超微粒子は圧電性を有することが要求されるが、ST
Mの探針に用いられる超微粒子は導電性を、また、MF
Mの探針に用いられる超微粒子は磁性を有することが要
求される。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a probe having ultrafine particles having piezoelectricity attached to the tip is horizontally scanned while being in contact with the sample surface. Provided is a novel sample surface observing method characterized by observing the surface of a sample by detecting a voltage or current generated from the ultrafine particles according to the pressure applied to the tip of the probe due to the unevenness of the sample surface. . Further, according to the present invention, such a sample surface observation method, STM, AFM,
5-100n at the tip of the probe, useful as a probe for MFM, etc.
A probe for observing a sample surface is provided, to which ultrafine particles having a diameter of m, preferably 5 to 50 nm are attached. The ultrafine particles used in the novel sample surface observation method and the AFM probe according to the present invention are required to have piezoelectricity.
The ultrafine particles used for the M probe have conductivity, and MF
The ultrafine particles used for the M probe are required to have magnetism.

【0009】上記圧電性、導電性、又は磁性を有する超
微粒子としては、窒化アルミニウム超微粒子、希土類元
素を固溶した窒化アルミニウム超微粒子、窒化アルミニ
ウムと希土類窒化物の複合相からなる超微粒子、窒化ア
ルミニウムと金属、金属間化合物又は窒化物セラミック
スの複合相からなるAl−M1 −N(但し、M1 はC
r、Fe、Co及びNiよりなる群から選ばれた少なく
とも1種の金属元素を示す)系超微粒子、窒化アルミニ
ウムと金属、金属間化合物又は窒化物セラミックスの複
合相からなるAl−M2 −M3 −N(但し、M2 はC
r、Co及びFeよりなる群から選ばれた少なくとも1
種の金属元素、M3 はAu、Cu、Dy、Er、Ga、
Ge、Gd、Hf、Ho、Lu、Mn、Mo、Nb、N
d、Ni、Pr、Re、Sb、Sc、Si、Sn、T
a、Tb、Ti、Tm、V、W、Y、Zn及びZrより
なる群から選ばれた少なくとも1種の金属元素を示す)
系超微粒子、チタン酸バリウム超微粒子、PbZrO3
−PbTiO3 系固溶体超微粒子、チタン酸鉛超微粒
子、SiO2 超微粒子、ニオブ酸リチウム超微粒子、タ
ンタル酸リチウム超微粒子、及びZnO超微粒子等を用
いることができる。また、超微粒子の形状としては、棒
状、針状、ウィスカー状、又は球状のいずれでもよい。
Examples of the ultrafine particles having piezoelectricity, conductivity, or magnetism include ultrafine aluminum nitride particles, ultrafine aluminum nitride particles in which a rare earth element is dissolved, ultrafine particles composed of a composite phase of aluminum nitride and rare earth nitride, and nitriding particles. Al-M 1 -N consisting of a composite phase of aluminum and metal, intermetallic compound or nitride ceramics (where M 1 is C
Al-M 2 -M consisting of a composite phase of (based on at least one metal element selected from the group consisting of r, Fe, Co and Ni) based ultrafine particles, aluminum nitride and metal, intermetallic compound or nitride ceramics 3- N (However, M 2 is C
at least 1 selected from the group consisting of r, Co and Fe
Species metal element, M 3 is Au, Cu, Dy, Er, Ga,
Ge, Gd, Hf, Ho, Lu, Mn, Mo, Nb, N
d, Ni, Pr, Re, Sb, Sc, Si, Sn, T
a, Tb, Ti, Tm, V, W, Y, Zn and at least one metal element selected from the group consisting of Zr)
-Based ultrafine particles, barium titanate ultrafine particles, PbZrO 3
-PbTiO 3 solid solution ultrafine particles, can be used titanate ultrafine particles, SiO 2 ultrafine particles, lithium niobate ultrafine particles, lithium tantalate ultrafine particles, and ZnO ultrafine particles or the like. The shape of the ultrafine particles may be rod-shaped, needle-shaped, whisker-shaped, or spherical.

【0010】[0010]

【発明の作用】本発明の試料表面観察方法は、圧電性を
有する超微粒子を先端に取り付けた探針を試料表面に接
触させた状態で水平方向に走査する。それによって、試
料表面の凹凸により探針先端の超微粒子に圧力が加えら
れるが、上記超微粒子は圧電性を有するため、加えられ
た圧力に応じて上記超微粒子から電圧が発生する。発生
した電圧又はそれによって生ずる電流を検知する。この
電圧又は電流の変化は試料表面の凹凸に対応するので、
試料の表面を観察することができる。さらに本発明の別
の態様によれば、このような試料表面観察方法や、ST
MやAFM、MFM等の探針として、探針先端に5〜1
00nm、好ましくは5〜50nmの径の超微粒子を取
り付けてなる試料表面用探針を用いる。このように極め
て微細な超微粒子を探針の先端としたことにより、分解
能が大巾に向上する。また、このような超微粒子は、ア
ーク溶解法等を用いた所謂ガス中蒸発法などの気相法に
より容易に作製できるので、純度が高く、しかも極めて
微細であり、また、その大きさや形態は作製条件によっ
て制御できる。従って、従来の電解研磨による探針先端
の加工のように、探針先端に不純物が含まれる恐れはな
く、また、イオンエッチングや電解蒸発等の後処理も不
要である。
According to the method of observing a sample surface of the present invention, a probe having ultrafine particles having piezoelectricity attached to the tip is horizontally scanned while the probe surface is in contact with the sample surface. As a result, pressure is applied to the ultrafine particles at the tip of the probe due to the unevenness of the sample surface, but since the ultrafine particles have piezoelectricity, a voltage is generated from the ultrafine particles according to the applied pressure. The generated voltage or the current generated by it is detected. Since this change in voltage or current corresponds to the unevenness of the sample surface,
The surface of the sample can be observed. Further, according to another aspect of the present invention, such a sample surface observation method and ST
As a probe for M, AFM, MFM, etc., 5 to 1 at the tip of the probe
A sample surface probe equipped with ultrafine particles having a diameter of 00 nm, preferably 5 to 50 nm is used. By using the extremely fine ultrafine particles as the tip of the probe, the resolution is greatly improved. Further, since such ultrafine particles can be easily produced by a gas phase method such as a so-called gas evaporation method using an arc melting method or the like, they have high purity and are extremely fine, and their size and morphology are It can be controlled depending on the manufacturing conditions. Therefore, unlike the conventional processing of the tip of the probe by electropolishing, there is no risk of impurities being contained in the tip of the probe, and no post-treatment such as ion etching or electrolytic evaporation is required.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の実施例を示す図面を参照しな
がら説明する。図1は、本発明の試料表面観察方法の基
本的な構成を示している。まず、従来の金属等の導電性
材料からなる探針1の先端に、前記したような圧電性を
有する超微粒子1aを接着等適当な手段により固定す
る。接着剤としては導電性ペーストを用いることが望ま
しい。このように圧電性を有する超微粒子1aを先端に
取り付けた探針1を、一定の接触圧で試料Sの表面に接
触させると、圧電性を有する超微粒子1aから電圧が発
生する。この状態で、探針1を水平方向(図5に示す
x,y方向)に走査すると、試料表面の凹凸により探針
1先端の超微粒子1aに加わる圧力は変化する。その結
果、超微粒子1aから発生する電位は、図2に模式的に
示すように変化する。この電位の変化は試料表面の凹凸
に対応しているので、この電位の変化あるいはそれによ
って発生する電流の変化を検知し、図4に示す従来のS
TMと同様な装置により画像表示することができる。こ
のような試料表面観察方法によれば、従来のSTMのよ
うに探針1のZ方向の走査(上下動)がないため、探針
1のZ方向の位置をフィードバック制御する必要がな
い。従って、装置の構成が簡単になる。なお、探針1の
Z方向の位置をフィードバック制御する機構が不要な以
外は、従来のSTMの測定機構と同様であり、従ってそ
の詳細な説明は省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the basic configuration of the sample surface observation method of the present invention. First, the ultrafine particles 1a having piezoelectricity as described above are fixed to the tip of the conventional probe 1 made of a conductive material such as metal by an appropriate means such as adhesion. It is desirable to use a conductive paste as the adhesive. When the probe 1 having the ultrafine particles 1a having piezoelectricity attached to the tip thereof is brought into contact with the surface of the sample S at a constant contact pressure, a voltage is generated from the ultrafine particles 1a having piezoelectricity. In this state, when the probe 1 is scanned in the horizontal direction (x and y directions shown in FIG. 5), the pressure applied to the ultrafine particles 1a at the tip of the probe 1 changes due to the unevenness of the sample surface. As a result, the potential generated from the ultrafine particles 1a changes as schematically shown in FIG. Since this change in potential corresponds to the unevenness of the sample surface, the change in this potential or the change in current generated thereby is detected, and the conventional S shown in FIG.
Images can be displayed by the same device as the TM. According to such a sample surface observing method, unlike the conventional STM, there is no scanning (vertical movement) of the probe 1 in the Z direction, and therefore it is not necessary to feedback-control the position of the probe 1 in the Z direction. Therefore, the structure of the device is simplified. The measuring mechanism is the same as the conventional STM measuring mechanism except that the mechanism for feedback controlling the position of the probe 1 in the Z direction is not necessary, and therefore its detailed description is omitted.

【0012】探針1の先端に取り付ける圧電性を有する
超微粒子としては、所謂ガス中蒸発法などの気相法によ
り作製された超微粒子、例えば特願平5−80325
号、特願平5−246063号、特願平6−79282
号等に開示されている窒化アルミニウム超微粒子、希土
類元素を固溶した窒化アルミニウム超微粒子、窒化アル
ミニウムと希土類窒化物の複合相からなる超微粒子、窒
化アルミニウムと金属、金属間化合物又は窒化物セラミ
ックスの複合相からなるAl−M1 −N(但し、M1
Cr、Fe、Co及びNiよりなる群から選ばれた少な
くとも1種の金属元素を示す)系超微粒子、窒化アルミ
ニウムと金属、金属間化合物又は窒化物セラミックスの
複合相からなるAl−M2 −M3 −N(但し、M2 はC
r、Co及びFeよりなる群から選ばれた少なくとも1
種の金属元素、M3 はAu、Cu、Dy、Er、Ga、
Ge、Gd、Hf、Ho、Lu、Mn、Mo、Nb、N
d、Ni、Pr、Re、Sb、Sc、Si、Sn、T
a、Tb、Ti、Tm、V、W、Y、Zn及びZrより
なる群から選ばれた少なくとも1種の金属元素を示す)
系超微粒子などを好適に用いることができる。これらの
超微粒子の形態は、その原材料(母合金)の組成、その
加熱溶解時の雰囲気ガス等の作製条件によって影響を受
け、棒状、針状、ウィスカー状あるいは球状等の種々の
形態のものが作製される。このような超微粒子は、窒化
アルミニウム(AlN)が圧電性を有するため、本発明
の探針先端に取り付ける超微粒子として利用できる。そ
の他の圧電性を有する材料としては、チタン酸バリウム
(BaTiO3 )超微粒子、PbZrO3 −PbTiO
3 系固溶体(PZT)超微粒子、チタン酸鉛(PbTi
3)超微粒子、SiO2 超微粒子、ニオブ酸リチウム
(LiNbO3 )超微粒子、タンタル酸リチウム(Li
TaO3 )超微粒子、ZnO超微粒子などの棒状の超微
粒子(SiO2 超微粒子の場合は球状)を用いることが
できる。
The piezoelectric ultrafine particles attached to the tip of the probe 1 are ultrafine particles produced by a gas phase method such as so-called gas evaporation method, for example, Japanese Patent Application No. 5-80325.
Japanese Patent Application No. 5-246063, Japanese Patent Application No. 6-79282
Aluminum nitride ultrafine particles, aluminum nitride ultrafine particles in which a rare earth element is solid-dissolved, ultrafine particles composed of a composite phase of aluminum nitride and rare earth nitride, aluminum nitride and metal, intermetallic compound or nitride ceramics Al-M 1 -N (where M 1 represents at least one metal element selected from the group consisting of Cr, Fe, Co and Ni) consisting of a composite phase, ultrafine particles, aluminum nitride and metal, intermetallic Al-M 2 -M 3 -N (where M 2 is C
at least 1 selected from the group consisting of r, Co and Fe
Species metal element, M 3 is Au, Cu, Dy, Er, Ga,
Ge, Gd, Hf, Ho, Lu, Mn, Mo, Nb, N
d, Ni, Pr, Re, Sb, Sc, Si, Sn, T
a, Tb, Ti, Tm, V, W, Y, Zn and at least one metal element selected from the group consisting of Zr)
Ultrafine particles and the like can be preferably used. The morphology of these ultrafine particles is influenced by the composition of the raw material (mother alloy), the production conditions such as the atmospheric gas at the time of heating and melting, and various morphologies such as rod-like, needle-like, whisker-like or spherical It is made. Such ultrafine particles can be used as the ultrafine particles attached to the tip of the probe of the present invention, because aluminum nitride (AlN) has piezoelectricity. Other piezoelectric materials include barium titanate (BaTiO 3 ) ultrafine particles and PbZrO 3 —PbTiO 3.
3 type solid solution (PZT) ultra fine particles, lead titanate (PbTi)
O 3 ) ultrafine particles, SiO 2 ultrafine particles, lithium niobate (LiNbO 3 ) ultrafine particles, lithium tantalate (Li
It is possible to use rod-shaped ultrafine particles such as TaO 3 ) ultrafine particles and ZnO ultrafine particles (spherical in the case of SiO 2 ultrafine particles).

【0013】前記したような超微粒子の作製について説
明すると、まず溶解する母合金として金属アルミニウム
10〜60原子%−希土類元素40〜90原子%の二元
合金を用い、窒素雰囲気中で上記合金をアーク溶解等に
より加熱溶解すると、作製される超微粒子の窒化率が急
激に上昇し、アスペクト比が1以上の形状異方性の構造
を持つ窒化アルミニウム超微粒子が生成する。また、上
記二元合金の組成及び窒素分圧を適当に選定することに
より、実質的に金属アルミニウム超微粒子を含まず、六
角柱状又はウィスカー状の形状異方性の窒化アルミニウ
ムと共に希土類元素の窒化物が生成し、これらの超微粒
子が均一に混合された超微粒子が作製される。
Explaining the preparation of the ultrafine particles as described above, first, a binary alloy of 10 to 60 atomic% metallic aluminum and 40 to 90 atomic% rare earth element is used as a melting master alloy, and the above alloy is prepared in a nitrogen atmosphere. When it is heated and melted by arc melting or the like, the nitriding rate of the produced ultrafine particles is rapidly increased, and aluminum nitride ultrafine particles having a shape anisotropic structure with an aspect ratio of 1 or more are produced. Further, by appropriately selecting the composition and nitrogen partial pressure of the above binary alloy, substantially no metal aluminum ultrafine particles are contained, and hexagonal columnar or whisker-like shape anisotropic aluminum nitride is used together with a rare earth element nitride. Are produced, and ultrafine particles in which these ultrafine particles are uniformly mixed are produced.

【0014】六角柱状の超微粒子は、希土類元素を2〜
25原子%程度固溶又は希土類元素の窒化物粒子を含ん
だ窒化アルミニウムであり、その成長方向は窒化アルミ
ニウムの結晶(六方晶)C軸方向である。一方、ウィス
カー状の超微粒子は、窒化アルミニウムの単結晶であ
り、成長が窒化アルミニウム結晶のC軸方向に著しく促
進されてウィスカー状になったものと考えられる。この
ようなウィスカー状の窒化アルミニウム超微粒子の生成
は、サマリウム、ユーロピウム、イッテリビウムを除く
希土類元素に観察される。
The hexagonal columnar ultrafine particles contain 2 to 2 rare earth elements.
It is aluminum nitride containing about 25 atomic% of solid solution or nitride particles of rare earth elements, and its growth direction is the crystal (hexagonal) C-axis direction of aluminum nitride. On the other hand, the whisker-shaped ultrafine particles are single crystals of aluminum nitride, and it is considered that the growth is remarkably promoted in the C-axis direction of the aluminum nitride crystal and turned into whiskers. Generation of such whisker-shaped ultrafine aluminum nitride particles is observed in rare earth elements other than samarium, europium, and ytterbium.

【0015】また、原材料としてアルミニウム5〜95
原子%とM1 元素(但し、M1 は上記と同じ意味を有す
る)5〜95原子%、好ましくはアルミニウム25〜7
5原子%とM1 元素25〜75原子%とからなる合金、
あるいはアルミニウム5〜45原子%とM2 元素5〜4
5原子%とM3 元素10〜90原子%(但し、M2 及び
3 は上記と同じ意味を有する)とからなる合金を用
い、窒素ガス、水素ガスを含む窒素ガス、又は窒素ガス
を含む不活性ガス雰囲気中で加熱溶解することにより、
窒化アルミニウムと金属、金属間化合物又は窒化物セラ
ミックとの複合相からなり、金属、金属間化合物又は窒
化物セラミックの超微粒子からウィスカー状又は柱状の
窒化アルミニウムが延出している構造を有する複合超微
粒子を多量に含むnmオーダーの超微粒子が生成する。
また、製造条件によっては、金属、金属間化合物又は窒
化物セラミックの超微粒子と、ウィスカー状又は柱状の
窒化アルミニウム超微粒子との混合物が生成する。
Also, aluminum 5 to 95 is used as a raw material.
Atomic% and M 1 element (provided that M 1 has the same meaning as above) 5 to 95 atomic%, preferably aluminum 25 to 7
An alloy consisting of 5 atomic% and M 1 element 25 to 75 atomic%,
Or aluminum 5 to 45 atom% and M 2 element 5 to 4
An alloy composed of 5 atomic% and 10 to 90 atomic% of M 3 element (provided that M 2 and M 3 have the same meanings as described above) is used, and nitrogen gas, nitrogen gas containing hydrogen gas, or nitrogen gas is contained. By heating and melting in an inert gas atmosphere,
Composite ultrafine particles consisting of a composite phase of aluminum nitride and a metal, intermetallic compound or nitride ceramic, and having a structure in which whisker-like or columnar aluminum nitride extends from the ultrafine particles of metal, intermetallic compound or nitride ceramic Ultra-fine particles of nm order containing a large amount of are generated.
Further, depending on the manufacturing conditions, a mixture of ultrafine particles of a metal, an intermetallic compound or a nitride ceramic and ultrafine aluminum nitride particles in the form of whiskers or columns is formed.

【0016】例えば、母合金としてアルミニウムとクロ
ム、コバルト又は鉄の二元合金を用いると、窒化物セラ
ミック(β−Cr2 N)、金属間化合物(Al−Cr
系、Al−Co系、Al−Fe系)又は金属(Co又は
α−Fe)の超微粒子からウィスカー状又は柱状の窒化
アルミニウムが延出している構造を有する窒化物複合超
微粒子を多量に含む超微粒子が得られる。また、Al−
2 −M2 系(M2 −M2 としてはCr,Co及びFe
の中から2種選ばれる)の三元合金を用いても、合金の
組成に応じて、金属(Co又はα−Fe)、金属間化合
物又は窒化物セラミック(β−Cr2 N)の超微粒子か
らウィスカー状又は柱状の窒化アルミニウムが延出して
いる構造を有する窒化物複合超微粒子を多量に含む窒化
物超微粒子が得られ、このことは前記Al−M2 −M3
系合金についても同様である。
For example, when a binary alloy of aluminum and chromium, cobalt or iron is used as the mother alloy, a nitride ceramic (β-Cr 2 N) and an intermetallic compound (Al-Cr) are used.
System, Al-Co system, Al-Fe system) or metal (Co or α-Fe) ultrafine particles containing a large amount of nitride composite ultrafine particles having a structure in which whisker-like or columnar aluminum nitride is extended. Fine particles are obtained. In addition, Al-
M 2 -M 2 system (M 2 as the -M 2 Cr, Co and Fe
Even if a ternary alloy of (2 kinds selected from among) is used, ultrafine particles of a metal (Co or α-Fe), an intermetallic compound or a nitride ceramic (β-Cr 2 N) depending on the composition of the alloy. It is possible to obtain nitride ultrafine particles containing a large amount of nitride composite ultrafine particles having a structure in which whisker-like or columnar aluminum nitride is extended, and this means that the above-mentioned Al-M 2 -M 3
The same applies to system alloys.

【0017】上記母合金の加熱溶解法としては、アーク
溶解法、高周波加熱溶解法、プラズマジェット加熱法、
高周波誘導加熱法(高周波プラズマ加熱)、電子ビーム
加熱法、レーザービーム加熱法などを用いることができ
る。上記のような超微粒子は、窒化アルミニウムが圧電
性を有するため、図1に示すような機構による試料表面
観察方法の探針として利用できる他、STMやAFMの
探針先端として用いることができる。また、磁性体(金
属)−非磁性体(セラミック)という組合せの複合超微
粒子の場合、MFMの探針先端として用いることができ
る。以下、前記した超微粒子の幾つかの作製例を示す。
As the heating and melting method of the mother alloy, there are an arc melting method, a high frequency heating melting method, a plasma jet heating method,
A high frequency induction heating method (high frequency plasma heating), an electron beam heating method, a laser beam heating method, or the like can be used. Since the aluminum nitride has piezoelectricity, the ultrafine particles as described above can be used as a probe tip of a sample surface observing method by a mechanism as shown in FIG. 1, and can also be used as a probe tip of STM or AFM. Further, in the case of the composite ultrafine particles of the combination of magnetic material (metal) -nonmagnetic material (ceramic), it can be used as the tip of the MFM probe. Hereinafter, some production examples of the above-mentioned ultrafine particles will be shown.

【0018】図3は、アーク溶解により複合超微粒子を
作製する装置20の一例を示し、以下の実施例において
使用した装置の概略構成図である。図中、21は真空容
器、24はアーク電源である。真空容器21は上部チャ
ンバー22及び下部チャンバー23に二分割されてお
り、上部チャンバー22内のハース25に配置された母
合金26はアークにより溶融されて超微粒子を生成す
る。生成した超微粒子は、ガスの流れによって収集用か
さ28に収集され、ノズル29を経て、基板ステージ部
30上面に配置された基板31上に堆積する。32及び
33はガス導入口、34は排気口である。
FIG. 3 shows an example of an apparatus 20 for producing composite ultrafine particles by arc melting, and is a schematic configuration diagram of the apparatus used in the following examples. In the figure, 21 is a vacuum container, and 24 is an arc power supply. The vacuum vessel 21 is divided into an upper chamber 22 and a lower chamber 23, and a mother alloy 26 arranged in a hearth 25 in the upper chamber 22 is melted by an arc to generate ultrafine particles. The generated ultrafine particles are collected by the collecting umbrella 28 by the flow of gas, pass through the nozzle 29, and are deposited on the substrate 31 arranged on the upper surface of the substrate stage unit 30. 32 and 33 are gas inlets, and 34 is an exhaust port.

【0019】図3に示す装置20を用いて窒化物超微粒
子を作製する操作手順の例を説明すると、まず、ガス導
入口32及び33のバルブ(図示せず)を閉じ、排気口
34からチャンバーを真空引きし、上下チャンバー2
2、23の圧力を10-3〜10-4Torr程度まで下げ
る。次に、ガス導入口32(又はガス導入口32、3
3)から窒素ガス(又は窒素ガスとアルゴンガスあるい
は窒素ガスと水素ガス)を上部チャンバー22内に導入
し、排気口34側のバルブ(図示せず)を少し開けて下
部チャンバー23の排気を再開する。この時、上部チャ
ンバー22内の圧力が所定の窒素分圧に保持されるよう
にガス導入口32(及び33)からの窒素ガス(及びア
ルゴンガス又は水素ガス)の導入量及び排気口34から
の排気量を調節する。上部チャンバー22内のガス圧が
所定の圧力に保たれた状態で、アーク電極27から放電
を開始し、所定のアーク電流で母合金26を加熱溶解す
る。溶解した母合金26から生成した超微粒子は、収集
用かさ28を通るガスの流れによってノズル29から吹
き出され、基板31上に堆積する。
An example of an operation procedure for producing ultrafine nitride particles using the apparatus 20 shown in FIG. 3 will be described. First, the valves (not shown) of the gas inlets 32 and 33 are closed, and the chamber is exhausted from the exhaust port 34. The upper and lower chambers 2
The pressure of 2, 23 is reduced to about 10 -3 to 10 -4 Torr. Next, the gas inlet 32 (or the gas inlets 32, 3
From 3), nitrogen gas (or nitrogen gas and argon gas or nitrogen gas and hydrogen gas) is introduced into the upper chamber 22, the valve (not shown) on the exhaust port 34 side is slightly opened, and the exhaust of the lower chamber 23 is restarted. To do. At this time, the amount of nitrogen gas (and argon gas or hydrogen gas) introduced from the gas introduction port 32 (and 33) and the exhaust port 34 so that the pressure in the upper chamber 22 is maintained at a predetermined nitrogen partial pressure. Adjust the displacement. With the gas pressure in the upper chamber 22 maintained at a predetermined pressure, discharge is started from the arc electrode 27 and the mother alloy 26 is heated and melted with a predetermined arc current. The ultrafine particles generated from the melted master alloy 26 are blown out from the nozzle 29 by the gas flow passing through the collecting bulk 28 and are deposited on the substrate 31.

【0020】作製例1 母合金として金属アルミニウム50at%−金属イット
リウム50at%の二元合金を用い、窒素ガスのみから
なる雰囲気中でアーク溶解(直流200A)を行い、超
微粒子を作製した。このとき窒素ガスは毎分10リット
ル流しながらアーク溶解を行い、作製した超微粒子はガ
スの流れにより基板上に堆積した。尚、母合金は、窒素
雰囲気で超微粒子を作製させる真空容器と同一の真空容
器内で、アルゴン雰囲気中で金属アルミニウムと金属イ
ットリウムをアークにより溶解し、均一に合金化したも
のを用いた。上記50at%Al−50at%Yの二元
合金を用いて作製した超微粒子は、X線回折及び透過電
子顕微鏡写真による観察の結果から、幅(厚み)約50
nm、長さ約100〜500nmの六角柱状又は短冊状
の形状異方性粒子と径約20〜100nmの等方的な形
状の粒子から成っていることが分かった。異方性の粒子
はイットリウムを5〜10原子%含んでおり、電子線回
折の結果から窒化アルミニウム単相から成っていること
が分かった。その他の等方性粒子はイットリウムを含ま
ない窒化アルミニウム(球状又は正六角形)、窒化イッ
トリウム(球状又は正四角形)から成っていた。
Preparation Example 1 Using a binary alloy of 50 at% of metal aluminum and 50 at% of metal yttrium as a mother alloy, arc melting (DC 200 A) was performed in an atmosphere consisting of only nitrogen gas to prepare ultrafine particles. At this time, arc melting was performed while flowing 10 liters of nitrogen gas per minute, and the produced ultrafine particles were deposited on the substrate by the flow of gas. The mother alloy used was one in which metal aluminum and metal yttrium were melted by an arc in an argon atmosphere in a vacuum container that was the same as the vacuum container used for producing ultrafine particles in a nitrogen atmosphere, and were uniformly alloyed. The ultrafine particles produced by using the above binary alloy of 50 at% Al-50 at% Y show that the width (thickness) is about 50 from the results of observation by X-ray diffraction and transmission electron micrographs.
It was found that it is composed of hexagonal columnar or strip-shaped anisotropic particles having a size of about 100 nm to about 500 nm and isotropic particles having a diameter of about 20 to 100 nm. The anisotropic particles contained 5 to 10 atomic% of yttrium, and it was found from the results of electron beam diffraction that they were composed of a single phase of aluminum nitride. The other isotropic particles consisted of yttrium-free aluminum nitride (spherical or regular hexagonal), yttrium nitride (spherical or regular square).

【0021】作製例2 前記作製例1と同様の方法により、母合金としてアルミ
ニウム50at%−ネオジム50at%、アルミニウム
50at%−セリウム50at%及びアルミニウム50
at%−ランタン50at%の各二元合金を用い、窒素
ガスのみからなる雰囲気中でアーク溶解(直流200
A)を行い、超微粒子を作製した。作製された各超微粒
子のX線回折の結果、50at%Al−50at%Nd
又は50at%Al−50at%Ceの二元合金を母合
金として用いた場合、金属アルミニウムの含まれていな
い形状異方性の窒化アルミニウム超微粒子と窒化ネオジ
ム超微粒子又は窒化セリウム超微粒子が作製されたが、
50at%Al−50at%Laを母合金として用いた
場合には、窒化アルミニウム超微粒子及び窒化ランタン
超微粒子の他に金属アルミニウムが含まれていた。ま
た、上記50at%Al−50at%Ndの二元合金を
用いて作製(窒素ガス圧:40kPa)した窒化アルミ
ニウム超微粒子は、透過電子顕微鏡写真による観察の結
果、非常に細長く、約φ20nm×500nm程度のウ
ィスカー状の超微粒子であった。分析の結果、このウィ
スカー状の超微粒子は、窒化アルミニウムの単結晶であ
り、成長方向は窒化アルミニウム結晶のc軸方向であっ
た。
Manufacturing Example 2 By the same method as in Manufacturing Example 1, as a master alloy, 50 at% aluminum-50 at% neodymium, 50 at% aluminum-50 at% cerium and 50 atm aluminum.
At% -lanthanum 50 at% of each binary alloy, arc melting (DC 200
A) was performed to prepare ultrafine particles. As a result of X-ray diffraction of the produced ultrafine particles, 50 at% Al-50 at% Nd
Alternatively, when a binary alloy of 50 at% Al-50 at% Ce was used as a master alloy, shape-anisotropic aluminum nitride ultrafine particles and neodymium nitride ultrafine particles or cerium nitride ultrafine particles containing no metallic aluminum were produced. But,
When 50 at% Al-50 at% La was used as the master alloy, metallic aluminum was contained in addition to the aluminum nitride ultrafine particles and the lanthanum nitride ultrafine particles. Further, the aluminum nitride ultrafine particles produced by using the above binary alloy of 50 at% Al-50 at% Nd (nitrogen gas pressure: 40 kPa) are very long and thin, about φ20 nm × 500 nm, as a result of observation by a transmission electron micrograph. It was a whisker-shaped ultrafine particle. As a result of the analysis, the whisker-shaped ultrafine particles were aluminum nitride single crystals, and the growth direction was the c-axis direction of the aluminum nitride crystals.

【0022】作製例3 母合金としてアルミニウム50at%−クロム50at
%の二元合金を用い、4%H2 を含む窒素ガスからなる
雰囲気中(窒素分圧300Torr)でアーク溶解(直
流200A)を行い、超微粒子を作製した。このとき窒
素ガスは毎分10リットル流しながらアーク溶解を行
い、作製した超微粒子はガスの流れにより基板上に高収
量(約100mg/分)で堆積した。尚、母合金は、窒
素雰囲気で超微粒子を作製させる真空容器と同一の真空
容器内で、アルゴン雰囲気中でアルミニウムとクロムを
アークにより溶解し、均一に合金化したものを用いた。
また、母合金として25at%Al−75at%Cr、
75at%Al−25at%Crの二元合金及び金属ア
ルミニウム並びに金属クロムをそれぞれ用いて同様に超
微粒子を作製した。
Production Example 3 Aluminum as a mother alloy 50 at% -Chromium 50 at
% Binary alloy, arc melting (DC 200 A) was performed in an atmosphere of nitrogen gas containing 4% H 2 (nitrogen partial pressure 300 Torr) to produce ultrafine particles. At this time, arc melting was performed while flowing 10 liters of nitrogen gas per minute, and the produced ultrafine particles were deposited on the substrate in high yield (about 100 mg / min) by the flow of gas. The mother alloy used was one in which aluminum and chromium were melted by an arc in an argon atmosphere in a vacuum container which was the same as the vacuum container for producing ultrafine particles in a nitrogen atmosphere, and were uniformly alloyed.
Further, as a master alloy, 25 at% Al-75 at% Cr,
Ultrafine particles were similarly prepared using a binary alloy of 75 at% Al-25 at% Cr, metallic aluminum, and metallic chromium, respectively.

【0023】作製された各超微粒子のX線回折の結果、
25at%Al−75at%Cr又は50at%Al−
50at%Crの二元合金を母合金として用いて作製し
た超微粒子は、金属超微粒子が殆ど含まれていないβ−
Cr2 NとAlNの窒化物超微粒子であった。特に、2
5at%Al−75at%Crを母合金として用いた場
合、X線回折の結果より、90%程度のβ−Cr2 Nを
含んだセラミックス超微粒子が作製された。これに対
し、75at%Al−25at%Crを母合金として用
いて作製した超微粒子には金属間化合物(Al8 Cr
5 、Al13Cr2 )が含まれていた。また、上記50a
t%Al−50at%Crの二元合金を用いて作製した
超微粒子は、透過電子顕微鏡写真による観察の結果、φ
20〜80nm×1μm程度の非常に細長いセラミック
スウィスカーの超微粒子を多量に含んでいた。分析によ
ると、このセラミックスウィスカーは、β−Cr2 N超
微粒子からウィスカー状のAlN超微粒子が延出してい
る構造の複合超微粒子と考えられる。
As a result of X-ray diffraction of each ultrafine particle produced,
25 at% Al-75 at% Cr or 50 at% Al-
The ultrafine particles produced by using a binary alloy of 50 at% Cr as a mother alloy are β-containing almost no ultrafine metal particles.
The particles were nitride ultrafine particles of Cr 2 N and AlN. Especially 2
When 5 at% Al-75 at% Cr was used as the master alloy, the ceramic ultrafine particles containing about 90% of β-Cr 2 N were produced from the result of X-ray diffraction. On the other hand, the ultrafine particles produced by using 75 at% Al-25 at% Cr as the master alloy have intermetallic compounds (Al 8 Cr
5 , Al 13 Cr 2 ) was contained. Also, the above 50a
The ultrafine particles produced by using the binary alloy of t% Al-50at% Cr were observed by the transmission electron micrograph and found that
It contained a large amount of ultra-fine particles of very slender ceramic whiskers having a size of about 20 to 80 nm × 1 μm. According to the analysis, this ceramic whisker is considered to be a composite ultrafine particle having a structure in which whisker-like AlN ultrafine particles extend from β-Cr 2 N ultrafine particles.

【0024】作製例4 母合金としてアルミニウム25at%−クロム25at
%−コバルト50at%の三元合金を用い、作製例3と
同様にして4%H2 を含む窒素ガスからなる雰囲気中
(窒素分圧300Torr)でアーク溶解(直流200
A)を行い、超微粒子を作製した。尚、母合金は、窒素
雰囲気で超微粒子を作製させる真空容器と同一の真空容
器内で、アルゴン雰囲気中でアルミニウム、クロム及び
コバルトをアークにより溶解し、均一に合金化したもの
を用いた。また、母合金として40at%Al−40a
t%Cr−20at%Co、45at%Al−45at
%Cr−10at%Coの各三元合金を用いて同様に超
微粒子を作製した。
Preparation Example 4 Aluminum as a mother alloy 25 at% -Chromium 25 at
% -Cobalt 50 at% ternary alloy, arc melting (DC 200) in an atmosphere consisting of nitrogen gas containing 4% H 2 (nitrogen partial pressure 300 Torr) in the same manner as in Preparation Example 3.
A) was performed to prepare ultrafine particles. The mother alloy used was one in which aluminum, chromium and cobalt were melted by arc in an argon atmosphere in the same vacuum container used for producing ultrafine particles in a nitrogen atmosphere and uniformly alloyed. Further, as a master alloy, 40 at% Al-40a
t% Cr-20at% Co, 45at% Al-45at
Ultrafine particles were similarly prepared using each ternary alloy of% Cr-10 at% Co.

【0025】作製された各超微粒子のX線回折の結果、
Al−Cr−Co系三元合金を母合金として用いて作製
した超微粒子は、β−Cr2 N(Co固溶)とAlNの
窒化物超微粒子であった。また、上記25at%Al−
25at%Cr−50at%Coの三元合金を用いて作
製した超微粒子は、透過電子顕微鏡写真による観察の結
果、多面体状の超微粒子からウィスカー状もしくは柱状
のセラミック超微粒子が延出している構造の複合超微粒
子を多量に含んでいた。分析によると、この複合超微粒
子は、β−Cr2 N(Co固溶)超微粒子からウィスカ
ー状もしくは柱状のAlN超微粒子が延出している構造
の複合超微粒子と考えられる。
As a result of the X-ray diffraction of the produced ultrafine particles,
The Al-Cr-Co-based ternary alloy ultrafine particles produced by using as a base alloy, were β-Cr 2 N (Co solid solution) and the nitride ultrafine particles AlN. In addition, the above 25 at% Al-
The ultrafine particles produced using a ternary alloy of 25 at% Cr-50 at% Co have a structure in which whisker-like or columnar ceramic ultrafine particles extend from polyhedral ultrafine particles as a result of observation by a transmission electron micrograph. It contained a large amount of composite ultrafine particles. According to the analysis, this composite ultrafine particle is considered to be a composite ultrafine particle having a structure in which whisker-like or columnar AlN ultrafine particles are extended from β-Cr 2 N (Co solid solution) ultrafine particles.

【0026】作製例5 母合金としてアルミニウム10at%−クロム10at
%−鉄80at%の三元合金を用い、作製例3と同様に
して4%H2 を含む窒素ガスからなる雰囲気中(窒素分
圧300Torr)でアーク溶解(直流200A)を行
い、超微粒子を作製した。尚、母合金は、窒素雰囲気で
超微粒子を作製させる真空容器と同一の真空容器内で、
アルゴン雰囲気中でアルミニウム、クロム及び鉄をアー
クにより溶解し、均一に合金化したものを用いた。ま
た、母合金として5at%Al−5at%Cr−90a
t%Fe、25at%Al−25at%Cr−50at
%Fe、30at%Al−30at%Cr−40at%
Fe、40at%Al−40at%Cr−20at%F
e、及び45at%Al−45at%Cr−10at%
Feの各三元合金を用いて同様に超微粒子を作製した。
Preparation Example 5 Aluminum as a mother alloy 10 at% -Chromium 10 at
% -Iron 80 at% ternary alloy, arc melting (DC 200 A) was performed in an atmosphere (nitrogen partial pressure 300 Torr) consisting of nitrogen gas containing 4% H 2 using the ternary alloy in the same manner as in Preparation Example 3 to produce ultrafine particles. It was made. Incidentally, the mother alloy, in the same vacuum container as the vacuum container for producing ultrafine particles in a nitrogen atmosphere,
Aluminum, chromium and iron were melted by an arc in an argon atmosphere and uniformly alloyed. Further, as a master alloy, 5 at% Al-5 at% Cr-90a
t% Fe, 25 at% Al-25 at% Cr-50 at
% Fe, 30 at% Al-30 at% Cr-40 at%
Fe, 40 at% Al-40 at% Cr-20 at% F
e, and 45 at% Al-45 at% Cr-10 at%
Ultrafine particles were similarly produced using each ternary alloy of Fe.

【0027】作製された各超微粒子のX線回折及び透過
電子顕微鏡写真による観察の結果、Al−Cr−Fe系
三元合金を母合金として用いて作製した超微粒子は、多
面体状の超微粒子からウィスカー状もしくは柱状のセラ
ミック超微粒子が延出している構造の複合超微粒子を含
んでいた。分析によると、この複合超微粒子は、10a
t%Al−10at%Cr−80at%Feの母合金を
用いた場合、Crが固溶しているα−Feから成る多面
体状の超微粒子からウィスカー状もしくは柱状のAlN
超微粒子が延出している構造の複合超微粒子であり、4
5at%Al−45at%Cr−10at%Feの母合
金を用いた場合、Feが固溶しているβ−Cr2 Nから
成る多面体状の超微粒子からウィスカー状もしくは柱状
のAlN超微粒子が延出している構造の複合超微粒子で
あると考えられ、また30at%Al−30at%Cr
−40at%Feの母合金を用いた場合、金属間化合物
の多面体状の超微粒子からウィスカー状もしくは柱状の
AlN超微粒子が延出している構造の複合超微粒子であ
ると考えられる。
As a result of observation by X-ray diffraction and transmission electron micrograph of each of the produced ultrafine particles, the ultrafine particles produced using the Al—Cr—Fe ternary alloy as the mother alloy are polyhedral ultrafine particles. The composite ultrafine particles had a structure in which whisker-like or columnar ceramic ultrafine particles were extended. According to the analysis, this composite ultrafine particle is 10a.
When a master alloy of t% Al-10at% Cr-80at% Fe is used, polyhedral ultrafine particles of α-Fe containing Cr in solid solution form whisker-like or columnar AlN.
Composite ultrafine particles having a structure in which ultrafine particles are extended.
When a master alloy of 5 at% Al-45 at% Cr-10 at% Fe is used, whisker-like or columnar AlN ultrafine particles extend from polyhedral ultrafine particles of β-Cr 2 N in which Fe is solid-dissolved. Is considered to be a composite ultrafine particle having a structure of 30 at% Al-30 at% Cr
When a mother alloy of -40 at% Fe is used, it is considered to be a composite ultrafine particle having a structure in which whisker-like or columnar AlN ultrafine particles extend from polyhedral ultrafine particles of an intermetallic compound.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上のように、本発明による試料表面観
察方法は、圧電性を有する超微粒子を先端に取り付けた
探針を試料表面に接触させた状態で水平方向に走査し、
試料表面の凹凸により探針先端に加えられる圧力に応じ
て上記超微粒子から発生する電圧又は電流を検知し、試
料の表面を観察するものであるため、試料表面を直接的
に精度よく観察できる。また、STMのように、試料表
面と探針先端との間隔を一定に保つために探針先端の上
下動をフィードバック制御する必要がなく、従って装置
が簡単かつ安価なものとなる。また、本発明の試料表面
観察用探針は、探針先端に5〜100nmの径の極めて
微細な超微粒子を取り付けてなるものであるため、上記
のような試料表面観察方法の他、STMやAFM、MF
M等の探針としても用いることができ、しかもそれらの
分解能を大巾に向上できる。しかも、このような超微粒
子は、アーク溶解法等を用いた気相法により簡単にしか
も安価に製造でき、その大きさや形態は作製条件によっ
て比較的容易に制御できる。さらに、このような気相法
によって作製される超微粒子は不純物を含んでおらず、
純度が極めて高い。従って、従来の電解研磨による探針
先端の加工のように、イオンエッチングや電解蒸発等の
後処理も不要であるという利点も有する。
As described above, the method for observing a sample surface according to the present invention is such that a probe having ultrafine particles having piezoelectricity attached to its tip is horizontally scanned while being in contact with the sample surface,
Since the voltage or current generated from the ultrafine particles is detected according to the pressure applied to the tip of the probe due to the unevenness of the sample surface and the sample surface is observed, the sample surface can be directly observed with high accuracy. Further, unlike STM, it is not necessary to feedback control the vertical movement of the tip of the probe in order to keep the distance between the sample surface and the tip of the probe constant, and therefore the apparatus becomes simple and inexpensive. Further, since the sample surface observing probe of the present invention has extremely fine ultrafine particles with a diameter of 5 to 100 nm attached to the tip of the probe, in addition to the sample surface observing method as described above, STM and AFM, MF
It can also be used as a probe for M or the like, and the resolution thereof can be greatly improved. Moreover, such ultrafine particles can be easily and inexpensively produced by a vapor phase method using an arc melting method or the like, and the size and shape thereof can be controlled relatively easily depending on production conditions. Furthermore, the ultrafine particles produced by such a vapor phase method do not contain impurities,
The purity is extremely high. Therefore, there is also an advantage that post processing such as ion etching and electrolytic evaporation is not required unlike the conventional processing of the tip of the probe by electrolytic polishing.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の試料表面観察方法の探針部の基本構成
を示す概略拡大図である。
FIG. 1 is a schematic enlarged view showing a basic configuration of a probe portion of a sample surface observing method of the present invention.

【図2】本発明の試料表面観察方法において探針先端の
超微粒子から発生する電位の変化を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing changes in potential generated from ultrafine particles at the tip of a probe in the sample surface observation method of the present invention.

【図3】アーク溶解により超微粒子を作製する装置の概
略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an apparatus for producing ultrafine particles by arc melting.

【図4】STMの基本構成を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a basic configuration of an STM.

【図5】STMの探針部の概略拡大図である。FIG. 5 is a schematic enlarged view of an STM probe portion.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 探針、1a 超微粒子、2 圧電素子、10 スキ
ャナ、11 試料支持台、12 XY走査回路、13
サーボ回路、14 トンネル電流増幅器、15メモリ、
16 コンピュータ、17 ブラウン管、18 CRT
スクリーン、S試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 probe, 1a ultrafine particles, 2 piezoelectric element, 10 scanner, 11 sample support, 12 XY scanning circuit, 13
Servo circuit, 14 tunnel current amplifier, 15 memory,
16 computers, 17 CRTs, 18 CRTs
Screen, S sample

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電性を有する超微粒子を先端に取り付
けた探針を試料表面に接触させた状態で水平方向に走査
し、試料表面の凹凸により探針先端に加えられる圧力に
応じて上記超微粒子から発生する電圧又は電流を検知
し、試料の表面を観察することを特徴とする試料表面観
察方法。
1. A probe having ultrafine particles having piezoelectricity attached to its tip is horizontally scanned while being in contact with the surface of the sample, and the above-mentioned ultrafine particles are applied in accordance with the pressure applied to the tip of the probe due to unevenness of the sample surface. A sample surface observing method, which comprises observing a surface of a sample by detecting voltage or current generated from fine particles.
【請求項2】 前記超微粒子が、窒化アルミニウム超微
粒子、希土類元素を固溶した窒化アルミニウム超微粒
子、窒化アルミニウムと希土類窒化物の複合相からなる
超微粒子、窒化アルミニウムと金属、金属間化合物又は
窒化物セラミックスの複合相からなるAl−M1 −N
(但し、M1 はCr、Fe、Co及びNiよりなる群か
ら選ばれた少なくとも1種の金属元素を示す)系超微粒
子、窒化アルミニウムと金属、金属間化合物又は窒化物
セラミックスの複合相からなるAl−M2 −M3 −N
(但し、M2 はCr、Co及びFeよりなる群から選ば
れた少なくとも1種の金属元素、M3 はAu、Cu、D
y、Er、Ga、Ge、Gd、Hf、Ho、Lu、M
n、Mo、Nb、Nd、Ni、Pr、Re、Sb、S
c、Si、Sn、Ta、Tb、Ti、Tm、V、W、
Y、Zn及びZrよりなる群から選ばれた少なくとも1
種の金属元素を示す)系超微粒子、チタン酸バリウム超
微粒子、PbZrO3 −PbTiO3 系固溶体超微粒
子、チタン酸鉛超微粒子、SiO2 超微粒子、ニオブ酸
リチウム超微粒子、タンタル酸リチウム超微粒子及びZ
nO超微粒子よりなる群から選ばれた超微粒子である請
求項1に記載の方法。
2. The ultrafine particles are aluminum nitride ultrafine particles, aluminum nitride ultrafine particles in which a rare earth element is solid-soluted, ultrafine particles composed of a composite phase of aluminum nitride and rare earth nitride, aluminum nitride and metal, intermetallic compound or nitride. Al-M 1 -N consisting of composite phase of natural ceramics
(However, M 1 represents at least one kind of metal element selected from the group consisting of Cr, Fe, Co and Ni) Based on ultrafine particles, aluminum nitride and metal, intermetallic compound or composite phase of nitride ceramics al-M 2 -M 3 -N
(However, M 2 is at least one metal element selected from the group consisting of Cr, Co and Fe, and M 3 is Au, Cu, D
y, Er, Ga, Ge, Gd, Hf, Ho, Lu, M
n, Mo, Nb, Nd, Ni, Pr, Re, Sb, S
c, Si, Sn, Ta, Tb, Ti, Tm, V, W,
At least one selected from the group consisting of Y, Zn and Zr
Ultrafine particles of various metal elements), barium titanate ultrafine particles, PbZrO 3 -PbTiO 3 based solid solution ultrafine particles, lead titanate ultrafine particles, SiO 2 ultrafine particles, lithium niobate ultrafine particles, lithium tantalate ultrafine particles, and Z
The method according to claim 1, which is an ultrafine particle selected from the group consisting of nO ultrafine particles.
【請求項3】 前記超微粒子が、5〜100nmの径の
棒状、針状、ウィスカー状、又は球状の超微粒子である
請求項1又は2に記載の方法。
3. The method according to claim 1, wherein the ultrafine particles are rod-shaped, needle-shaped, whisker-shaped, or spherical ultrafine particles having a diameter of 5 to 100 nm.
【請求項4】 探針先端に5〜100nmの径の超微粒
子を取り付けてなる試料表面観察用探針。
4. A probe for observing a sample surface, wherein ultrafine particles having a diameter of 5 to 100 nm are attached to the tip of the probe.
【請求項5】 超微粒子の径が5〜50nmである請求
項4に記載の探針。
5. The probe according to claim 4, wherein the ultrafine particles have a diameter of 5 to 50 nm.
【請求項6】 前記超微粒子が、棒状、針状、ウィスカ
ー状、又は球状の超微粒子である請求項4又は5に記載
の探針。
6. The probe according to claim 4, wherein the ultrafine particles are rod-shaped, needle-shaped, whisker-shaped, or spherical ultrafine particles.
【請求項7】 前記超微粒子が、圧電性、導電性、又は
磁性を有する請求項4乃至6のいずれか一項に記載の探
針。
7. The probe according to claim 4, wherein the ultrafine particles have piezoelectricity, conductivity, or magnetism.
【請求項8】 前記超微粒子が、窒化アルミニウム超微
粒子、希土類元素を固溶した窒化アルミニウム超微粒
子、窒化アルミニウムと希土類窒化物の複合相からなる
超微粒子、窒化アルミニウムと金属、金属間化合物又は
窒化物セラミックスの複合相からなるAl−M1 −N
(但し、M1 はCr、Fe、Co及びNiよりなる群か
ら選ばれた少なくとも1種の金属元素を示す)系超微粒
子、窒化アルミニウムと金属、金属間化合物又は窒化物
セラミックスの複合相からなるAl−M2 −M3 −N
(但し、M2 はCr、Co及びFeよりなる群から選ば
れた少なくとも1種の金属元素、M3 はAu、Cu、D
y、Er、Ga、Ge、Gd、Hf、Ho、Lu、M
n、Mo、Nb、Nd、Ni、Pr、Re、Sb、S
c、Si、Sn、Ta、Tb、Ti、Tm、V、W、
Y、Zn及びZrよりなる群から選ばれた少なくとも1
種の金属元素を示す)系超微粒子、チタン酸バリウム超
微粒子、PbZrO3 −PbTiO3 系固溶体超微粒
子、チタン酸鉛超微粒子、SiO2 超微粒子、ニオブ酸
リチウム超微粒子、タンタル酸リチウム超微粒子及びZ
nO超微粒子よりなる群から選ばれた超微粒子である請
求項4乃至7のいずれか一項に記載の探針。
8. The ultrafine particles are aluminum nitride ultrafine particles, aluminum nitride ultrafine particles in which a rare earth element is solid-soluted, ultrafine particles composed of a composite phase of aluminum nitride and rare earth nitride, aluminum nitride and metal, intermetallic compound or nitride. Al-M 1 -N consisting of composite phase of natural ceramics
(However, M 1 represents at least one kind of metal element selected from the group consisting of Cr, Fe, Co and Ni) Based on ultrafine particles, aluminum nitride and metal, intermetallic compound or composite phase of nitride ceramics al-M 2 -M 3 -N
(However, M 2 is at least one metal element selected from the group consisting of Cr, Co and Fe, and M 3 is Au, Cu, D
y, Er, Ga, Ge, Gd, Hf, Ho, Lu, M
n, Mo, Nb, Nd, Ni, Pr, Re, Sb, S
c, Si, Sn, Ta, Tb, Ti, Tm, V, W,
At least one selected from the group consisting of Y, Zn and Zr
Ultrafine particles of various metal elements), barium titanate ultrafine particles, PbZrO 3 -PbTiO 3 based solid solution ultrafine particles, lead titanate ultrafine particles, SiO 2 ultrafine particles, lithium niobate ultrafine particles, lithium tantalate ultrafine particles, and Z
The probe according to any one of claims 4 to 7, which is an ultrafine particle selected from the group consisting of nO ultrafine particles.
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