JPS63142202A - 高周波トンネル顕微鏡 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （概　要〕 トンネル類ｍ＆ｌｉのプローブ、試料間に高周波電圧を
印加し、その高周波電流の大きさの変化率を一定に保つ
ようにプローブ、試料間の距離を間接して、絶縁性試料
の観察を可能とした高周波トンネル顕微鏡。

〔産業上の利用分野〕

本発明はトンネル現象を利用したトンネル顕微鏡に関し
、絶縁性試料の観察を可能にしようとするものである。

〔従来の技術〕

試料とプローブの間に直流電圧を印加し、プローブ先端
を試料表面から数１０人程度の距離に接近させると、ト
ンネル現象によって試料表面とプローブ先端との間を電
子が移動する。このトンネル現象による電流（トンネル
電流）の値はプローブ、試料間の距離に太き（左右され
る。そこモ尖鋭な先端を持つプローブをトンネル電流が
一定になるように該プローブ先端を上下させながら試料
表面に沿って移動させると、プローブ上下位置は試料表
面の凹凸に追従し、該凹凸を表わしていることになる。

トンネル顕微鏡はこの原理に基づ（もので、その分解能
は従来の電子顕微鏡よりはるかに高い。

第３図にこの種のトンネル顕微鏡の原理図を示す。

同図において、３０はプローブ、３１は試料、３２はプ
ローブのアクチュエータ（一般に圧電素子）、３４はプ
ローブ電流の増幅器、３７はフィードバック用の差動増
幅器、ＥＩはプローブ３０と試料３１に電圧を印加する
直流電圧源、Ｅ２は差動増幅器３７の基準電圧源である
。

圧電素子３２は上下に電極（斜線部）を有し、該電極に
印加される電圧に応じて伸縮する。この伸縮量は微小な
ので、数１０人という前記微小距離の調節に通光である
。プローブ３０はこの圧電素子３２に取付けられている
ので、該素子の伸縮に伴ない上下動をする。トンネル現
象で試料３１の表面とプローブ３０の先端との間を電子
○が移動すると、トンネル電流ｉが流れ、検出抵抗Ｒｓ
に電圧降下が生じる。増幅器３４はこの電圧を増幅して
差動増幅器３７の一方の入力端に入力する。

差動増幅器３７の他方の入力端には基準電圧Ｅ２が入力
され、該増幅器はこの入力電圧と基準電圧Ｅ２を比較し
、その差に応じた制御電圧Ｖおよびその逆相の電圧Ｖを
発生する。この電圧Ｖ、Ｖは、トンネル電流ｌの値が一
定となるように圧電素子３２を伸縮させるので、プロー
ブ３０の先端と試料３１の表面との間の間隔（δとする
）は一定になり、プローブ３０を試料表面に沿って水平
移動（例えば図面で左右方向へ移動させるとプローブは
試料３１表面の凹凸に応じて上下動する。プローブの上
下移動量は、圧電素子に加わる電圧がこれを示している
。そこで、プローブ３０を水平方向に２次元的に走査し
、該走査と同期してＣＲＴを走査し、差動増幅器３７の
出力電圧■で該ＣＲＴの輝度変調を行なえば、該ＣＲＴ
の管面に凹凸を濃淡で表わした像が表示され、これによ
り試料３１表面の凹凸を観察することができる。

トンネル顕微鏡は最近提案されたものであるがその進歩
は著しく、テレビ画面と同様な視覚を与え、ＣＲＴの管
面に原子が数個見える、などの状態になっている。本来
は化学的興味から考えられたもので、シリコン表面など
半導体材料の表面の観察が目的とされるが、用途は通常
の顕微鏡と変らず、しかも高性能であるから、モデルと
しては考えられているが現状では見ることは不可能とい
ったものへも利用が考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら第３図に示す従来のトンネル顕微鏡では試
料３１に直流電流を流す必要があるため、絶縁体の表面
や導電性物質ではあっても周囲が絶縁体で囲まれてリー
ド線を取り出せない構造のものは観察できず、従って生
体組織の観察などには利用できない欠点がある。

本発明はこの点を改良し、絶縁物の表面観察も可能にし
ようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理図で、１０はプローブ、１１は試
料、１２はプローブのアクチュエータ（圧電素子）、１
３は高周波信号源、１４は回路に流れるこの高周波数の
電流を増幅する増幅器、１５はアクチュエータ１２の制
御信号Ｖに小さな変化を繰り返し与えるための交流信号
源、１６はこの信号源の信号と増幅器１４からの高周波
電流の値から、高周波電流のアクチュエータ駆動信号に
対する変化率を出力する回路、１７は回路１６の出力が
一定となるようにアクチュエータ１２にフィードバンク
するための差動増幅器、１８は信号源１５の交流信号を
回路（同期検波）１６の出力に重畳させるトランスであ
る。

〔作用〕

試料１１が絶縁体であっても、その表面にはプローブ１
０と電子をトンネル現象で交換できるような準位が存在
する。従って交流を印加すると電子がプローブ先端より
試料表面の該準位へ及びその逆に移動しトンネル電流が
測定できる。このトンネル電流の大きさの上限は表面に
あるトンネル可能な準位の密度をＮ５ＳＣＩＩＩ　　ｅ
Ｖ　　、交流電圧の振幅をＶ　ＲＦ　＊　プローブと電
子のやりとりをする試料上の領域の面積を５Ｃ１１！、
交流周波数をｆとするとｆ　Ｎ　５ＳＶＨｐ　Ｓ　ｅ程
度となる。−例としてＮ　ｓｓ＝　１０”ｃｍ−２ｅＶ
−”、　　ＶＲＦ　＝　ｌ　ＯＶ、　　Ｓ　＝　　（１
０人）　　、ｆ＝１００ＭＨｚとするとトンネル電流の
大きさは約１６０ＰＡとなり測定可能な値となる。上記
のＶＲＦおよびｆは信号源１３の電圧振幅および周波数
である。

但し、プローブＩＯと試料１１の間は容量により結合さ
れているため、この容量に流れる交流成分がある。従っ
て、容量に流れる電流とトンネル電流を区別しなければ
ならないが、これには次の性質を利用できる。つまり、
容量に流れる電流はプローブ１０と試料１１の距離の変
化に対してさほど変化しないのに対し、トンネル電流は
距離の微小変化に対して急激に変化する。従ってプロー
ブ１０と試料１１の距離を意図的に変化させたときの交
流（高周波）電流の変化率を測定すれば、これはほぼト
ンネル電流からの寄与と考えてよい。

この変化率そのものもプローブと試料の距離により急激
に変化する値であり、この値を一定に保つことで試料の
凹凸の測定ができる。

プローブ１０と試料との間の距離の規則的な変化（揺動
）は、交流信号源１５の交流信号（例えば１００ＫＨｚ
）を圧電素子１２に印加することで発生する。この揺動
により回路１Ｏ−１１−Ｅｓ−１３−Ｒｓに流れる電流
が変化し、これは増幅８１４の出力変化となるが、これ
を信号源１５の信号周波数で同期検波すれば、上記揺動
による回路電流の変化、ひいては容量電流を除いてトン
ネル電流のみを抽出することができる。この回路１６の
出力（トンネル電流）を増幅器１７へ加え、基準値Ｅ２
に等しくなるようにアクチュエータ１２を制御すれば前
記間隙δの一定制御が行なわれる。本回路では回路１６
の出力に信号源１５の出力が重畳されるので間隙δは一
定ではなく該信号源の周波数で変動するが、この変動の
周波数（１００ＫＨｚ）は高いので目視観察はされない
。顕微鏡としての出力はやはり増幅器１７の出力■とし
、これをＣＲＴの輝度変調に用い、ＣＲＴの走査はプロ
ーブ１０のＸ−Ｙ方向走査と同期させる。

これによりＣＲＴに試料１０の表面の凹凸像を濃淡像と
して表示することができる。プローブ１０と試料１１の
間に印加する直流バイアス電圧Ｅ３はプローブ１０先端
と試料１１表面との間の電子のトンネル可能を後述のよ
うに補助するものである。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例を示す図で、２０はプローブ
、２１は試料、２２はアクチュエータ（圧電素子）、２
３は１００ＭＨｚの高周波信号源、２４は該１００ＭＨ
ｚを参照波とする同期検波回路、２５は１００　Ｋ　Ｈ
ｚの交流信号源、２６は該１００ＫＨｚを参照波とする
同期検波増幅器、２７は差動増幅器、２８はトランス、
２９は金属製のステージである。同期検波回路２４は、
検出抵抗Ｒｓに流れる電流（トンネル電流＋容量電流）
を電圧換算して増幅する増幅器Ａとその増幅出力を１０
０ＭＨｚで同期検波する同期検波増幅器Ｂとからなり、
回路電流のうちのｌｏＯＭＨ２成分を出力する。第１図
では増幅器１４を用いて単純に回路電流に比例する電圧
を回路１６へ入力したが、この回路電流には信号源１５
の１００ＫＨｚ成分も含まれているから、トンネル電流
検出には第２図のようにこれを除いておいた方がよい。

また本回路の測定原理は本質的にはインピーダンスの変
化検出であり、このインピーダンスはプローブ先端とそ
の直下の試料表面との間の間隙のインピーダンスＺ１と
、該直下の試料表面と電？ＴＡＥ：＋の接続点との間の
試料部分のインピーダンスＺ２との和であるから、Ｚ２
が大きいと２１の変化検出が困難になる。そこで導電性
ステージ２９を用いて試料２１をこれにのせ、゛電源Ｅ
３は該ステージに接続し、試料２１は薄くする等の方法
をとるとよい。

プローブ２０は試料２１に対してＸ、Ｙ方向で移動させ
２次元走査するが、これはステージ２９の移動と合わせ
て行なうとよい。例えばプローブ２０の走査は微小範囲
でのＸ、Ｙ方向走査のみとし、大きな距離でのＸ、Ｙ方
向移動はステージ２９により行なう。

プローブ先端と試料表面準位との間の電子のトンネリン
グはエネルギレベルによっても変る。即ちエネルギの高
い電子が入れる単位、逆にエネルギの低い電子が入れる
準位などがある。第２図はこれを説明する図で縦軸は状
態密度Ｅ、横軸は電子の個数Ｎ　（Ｒ）である。この曲
線の範囲から外れた電子はトンネリングできない。直流
バイアス電圧Ｅ３はエネルギレベルをトンネリング可能
な値に設定する。この電圧Ｅ３を変えて表面準位の情報
を取出すことも可能である。なお、上記ではＣＲＴの濃
淡像は試料表面の凹凸を表わすとしたが、電子のトンネ
リングが関与しているので、詳しくはトンネリングの容
易／困難°性、表面の電子の状態（結合の手）なども表
わしている。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、直流電流を流せない
試料表面の状態をトンネル現象を利用して観察でき、ト
ンネル顕微鏡の用途を拡大できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成図、 第２図は本発明の実施例を示す構成図、第３図は従来の
トンネル顕微鏡の原理図である。 図面で１０．２０はプローブ、１１．２１は試料、１２
．２２はアクチュエータ、１３．２３は高周波信号源、
１４．２４は同期検波回路、１５゜２５は交流信号源、
１６．２６は同期検波回路、１７．２７は差動増幅器、
Ｅ３は直流バイアス源である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料（１１）に微小距離をおいて対向配置され、アクチ
   ュエータ（１２）により該距離を調整されるプローブと
   、 試料（１１）とプローブ（１０）の間に直流バイアス（
   Ｅ＿３）に重畳して高周波電圧（１３）を印加する手段
   と、 プローブ（１０）と試料（１１）との間に流れる高周波
   電流の大きさを検出する手段（Ｒｓ、１４）と、プロー
   ブ（１０）と試料（１１）の距離を周期的に変化させる
   交流信号を発生する手段（１５）と、該距離の周期的な
   変化に対する前記高周波電流の大きさの変化率を測定す
   る手段（１６）と、該変化率が一定値となるようにアク
   チュエータ（１２）に制御信号を送るフィードバック回
   路（１７）とを有することを特徴とする高周波トンネル
   顕微鏡。