KR100456369B1 - 주사형 자기검출장치 및 주사형 자기검출장치용 탐침 - Google Patents

주사형 자기검출장치 및 주사형 자기검출장치용 탐침 Download PDF

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Abstract

신규한 주사형 자기검출장치 및 이것에 이용되는 탐침을 제공한다.
본 발명의 주사형 자기검출장치는 전기전도성의 스핀편극을 가진 단결정상 고체로부터 탐침을 만든다. 그리하여 이 탐침을 자성시료 표면에 근접시켜서 상기 탐침과 상기 자성시료의 표면과의 사이에 발생하는 터널전류로부터 상기 자성시료 표면의 상태를 검출한다.

Description

주사형 자기검출장치 및 주사형 자기검출장치용 탐침{Scanning magnetism detector and probe for the same}
본 발명은 주사형 자기검출장치 및 주사형 자기검출장치용 탐침에 관한 것으로서, 상세하게는 터널(tunnel) 전자현미경 등으로 매우 유용한 주사형 자기검출장치 및 이것에 이용되는 탐침에 관한 것이다.
종래 터널 전류의 측정으로부터 자성시료에 있어서의 표면상태를 원자 스케일로 검출하는 주사형 자기검출장치로서는 금속 강자성체로부터 만들어지는 탐침을 이용하는 것들과 이산화크롬 단결정으로부터 만들어지는 탐침을 이용하는 것이 사용되고 있다.
그러나, 상기 금속 강자성체 탐침을 이용한 주사형 자기검출장치에 있어서는 탐침이 자성시료와 자기적으로 강하게 상호 작용하여 상기 자성시료의 자기적 상태를 교란하는 경우가 있다. 이 때문에 상기 자성시료의 표면상태를 정밀하게 검출하는 것은 곤란하였다.
한편, 이산화크롬 단결정 탐침을 이용한 주사형 자기검출장치에 있어서는 탐침 첨단(forefront)의 자화상태(스핀전자상태)가 명확하지 아니하고, 또한 산화물이기 때문에 탐침첨단의 청정성이 저하되는 경우가 발생한다.
이러한 관점에서 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로부터 만들어진 탐침을 구비한 주사형 자기검출장치가 제안되고 있다. 이러한 주사형 자기검출장치는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 광 여기에 의해서 스핀편극 전도전자의 터널전류를 이용하는 것이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 비자성이기 때문에 앞에서 서술한 자기적 교란을 발생시키지는 않지만 레이저광의 조사를 필요로 하는 장치 자체가 대형화 및 복잡화하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 발생시키지 아니하는 신규한 주사형 자기검출장치 및 이것에 이용되는 탐침을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 주사형 자기검출장치는 자기전도성의 스핀편극을 가지는 단결정상 고체로부터 생긴 탐침을 구비하고, 이 탐침을 자성시료의 표면에 근접시켜 상기 탐침과 상기 자성시료 표면과의 사이에 생기는 터널전류로부터 상기 자성시료의 표면상태를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 주사형 자기검출장치용 탐침은 자기전도성의 스핀편극을 가지는 단결정상 고체로부터 생긴 자성시료의 표면에 근접시켜 상기 자성시료 표면과의 사이에 생기는 터널전류로부터 상기 자성시료의 표면상태를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토한 결과, 상술한 전혀 신규한 구성의 주사형 자기검출장치 및 주사형 자기검출장치용 탐침을 발명하였다.
본 발명의 주사형 자기검출장치에 있어서 탐침을 자성시료의 표면에 근접시키면 상기 탐침의 선단을 구성하는 원자의 파동함수와 상기 자성시료의 표면원자의 S형 파동함수가 중첩되어 상기 자성시료에 의한 자장과의 교환 상호작용에 의해서 상기 탐침은 자기적으로 포화된다. 이 결과, 양자의 사이에 터널전류가 흐르게 되지만, 이 터널전류는 상기 자성시료 표면의 자기능률의 크기 및 방향에 의존한다.
즉, 상기 자성시료 표면의 자기능률의 크기가 증대함에 따라 상기 터널전류의 절대치가 커지게 된다. 또한, 상기 터널전류는 상기 자기능률의 방향과 평행으로 흐른다.
상기 자성시료 표면을 구성하는 원자의 종류와 배열이 변화하면 그의 자기능률도 변화한다. 따라서, 이 자기능률의 특성을 반영하는 터널전류를 계측함으로서 상기 자성시료의 표면상태를 검출하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명을 발명의 실시형태에 근거하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서는 주사형 자기검출장치를 구성하는 탐침이 전기전도성을 가짐과 동시에 스핀편극을 가지는 단결정상 고체로부터 구성되는 것이 필요하다.
이와 같은, 단결정상 고체로서는 결정자체가 전기전도성을 가짐과 동시에 스핀편극을 가지는 것, 또는 비전기전도성의 스핀편극을 가지는 결정에 대하여 도너(donor)원자를 첨가하고 전기전도성을 부여하는 것의 2종류가 있다.
전자의 단결정상 고체 경우는, 예를 들면 섬아연광형(zinc-blende)의 결정구조를 가지는 CuF, CuCl, AgI, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, BP, AlAs, AlP, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InAs, InP, InSb 및 SiC를 예시할 수 있다. 또한, 결정자체가 전기전도성을 가짐과 동시에 스핀편극을 가지는 단결정상 고체로서는 다이아몬드형의 결정구조를 가지는 Si, Ge 및 Sn을 예시할 수 있다.
후자의 단결정상 고체 경우는 예를 들어 섬아연광형의 결정구조를 가지는 BN을 예시할 수 있다. 또한, 비전기전도성의 스핀편극을 가지는 결정에 대하여 도너원자를 첨가함으로서 전기전도성을 부여한 단결정상 고체로서는 다이아몬드형의 결정구조를 가진 C를 예시할 수 있다.
이들 섬아연광형 결정구조 및 다이아몬드형 결정구조를 가진 화합물은 그 내부에 전자가 채워져 있지 않은 불완전 비결합궤도를 가지기 때문에 양호한 스핀편극을 나타낸다.
비전기전도성의 섬아연광형 결정구조를 가진 화합물에 대하여 첨가하는 도너원자로서는 주기율표 제Ⅲ족의 B, 같은 주기율표 제Ⅴ족의 P, As를 예시할 수 있다. 이들 원소는 상기 화합물의 결정격자 사이트를 차지하는 구성원자와 치환하여 전자공유원으로서 기능을 발휘한다. 그 결과, 상기 비전기전도성의 화합물에 대하여 전기전도성을 부여하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 탐침은 어떠한 형상을 가지는 것이나 가능하지만, 특히 탐침을구성하는 단결정상고체가 상기 섬아연광형의 결정구조 또는 다이아몬드형 결정구조를 가진 화합물로부터 구성된 경우에는 그 형상은 피라미드형상(pyramid shape)인 것이 바람직하다.
이와 같은 형상의 탐침은, 예를 들면 상술한 섬아연광형 결정구조 또는 다이아몬드형 결정구조를 나타내는 화합물의 결정면이 서로 교차하여 완성되어지는 것이다. 이 경우, 상기 화합물은 피라미드형의 정점부분을 통과하는 대칭축을 가진다. 그러므로, 상기 화합물은 상자성을 나타내고, 외부자장이 존재하지 않는 경우 그 자기능률은 상기 대칭축에 따라서 존재한다. 이 때문에 이와 같은 탐침은 자성표면의 전기적 구조에 강한 영향을 끼치지 아니하고, 상기 자성표면의 상태를 정확하게 검출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 탐침의 크기(dimension)는 자성시료 표면의 검출하려는 정보의 종류에 따라 다르다. 그러나, 상기 자성시료의 표면상태를 원자 레벨에서 검출하고 실용적으로 사용할 수 있는 주사형 자기검출장치 및 그의 탐침을 제공하기 위해서는 탐침은 100 nm이하인 것이 바람직하고, 10 nm이하인 것이 더욱 좋다.
여기서 말하는 "탐침의 크기"는 탐침의 형태를 정의하는 각 구성요소의 크기를 의미한다. 예를 들면, 상술한 것과 같이 탐침이 피라미드형상인 경우, "탐침의 크기"는 탐침의 높이 및 저면을 의미한다.
또한, 상기 탐침은 벌크상의 고체를 쪼개서 형성하는 것이 좋다. 이렇게 하면 상기한 것과 같이 피라미드상의 탐침을 상술한 범위내의 크기로 간편하게 형성할 수가 있다.
또, 상기 탐침은 CVD법이나 MOCVD법 등과 같은 박막형성법을 이용한 결정성장에 의해서 제조할 수 있다.
본 발명의 주사형 자기검출장치는 그 구성 및 검출원리로부터 주사형 자기력 현미경이나 주사형 터널 전자현미경 등으로 이용하는 것이 가능하다. 특히, 종래의 주사형 터널 전자현미경의 탐침을 본 발명의 탐침으로 교체하는 것만으로 본 발명의 주사형 자기검출장치로부터 만들어지는 주사형 터널 전자현미경을 제작할 수 있다.
이상, 구체 예를 들면서 발명의 실시형상을 근거로 하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 내용에 의해 한정되는 것이 아니고 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변형이나 변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 스핀편극을 가진 단결정상 고체로 만든 탐침으로부터 주사형 자기검출장치를 구성하고, 상기 탐침과 자성시료 표면과의 사이에서 상호작용에 의해 발생되는 터널전류를 측정한다. 한편, 이 터널전류는 상기 자성시료 표면의 형태을 반영하여 그 크기(amount) 및 방향이 결정되어진다. 따라서, 상기 자성시료 표면의 형태를 고정밀도로 검출하는 것이 가능하다.

Claims (23)

  1. 전기전도성의 스핀편극을 가진 단결정상 고체로 만든 탐침을 구비하고, 이 탐침을 자성시료의 표면에 근접시켜서 상기 탐침과 상기 자성시료의 상기 표면과의 사이에 발생하는 터널(tunnel)전류로부터 상기 자성시료의 상기 표면상태를 검출하되, 상기 터널전류는 상기 탐침과 자성시료의 자기필드의 상호작용에 기인된 상기 탐침의 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 섬아연광형(zinc-blende)의 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 CuF, CuCl, AgI, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, BP, AlAs, AlP, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InAs, InP, InSb 및 SiC 중에서 선택된 일종인 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 BN으로 이루어지고 그 결정격자 사이트의 적어도 일부가 도너(donor)원자로 치환되어있는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 다이아몬드형의 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 Si, Ge 및 Sn 중에서 선택된 일종인 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 C로 이루어지고, 이 결정격자 사이트의 적어도 일부가 도너원자로 치환되어 있는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 탐침은 피라미드형을 나타내는 것임을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 탐침의 크기가 10 nm이하인 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 탐침은 벌크 단결정을 쪼개어 얻어진 것임을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 탐침은 벌크 단결정을 쪼개어 얻어진 것임을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 주사형 자기검출장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 주사형 터널 전자현미경.
  13. 전기전도성의 스핀편극을 가지는 단결정상 고체로 제조되고, 자성시료의 표면에 근접시켜서 상기 자성시료 표면과의 사이에 발생하는 터널전류로부터 상기 자성시료의 표면상태를 검출하되, 상기 터널전류는 상기 탐침과 자성시료의 자기필드의 상호작용에 기인된 상기 탐침의 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 섬아연광형의 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 CuF, CuCl, AgI, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, BP, AlAs, AlP, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InAs, InP, InSb 및 SiC 중에서 선택된 일종인 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 BN으로 이루어지고 이 결정격자 사이트의 적어도 일부가 도너원자로 치환되어 있는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 다이아몬드형의 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 Si, Ge 및 Sn 중에서 선택된 일종인 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 단결정상 고체는 C로 이루어지고 이 결정격자 사이트의 적어도 일부가 도너원자로 치환되어 있는 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 탐침은 피라미드형을 나타내는 것임을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 탐침의 크기가 10 nm이하인 것을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 탐침은 벌크 단결정을 쪼개어 얻어진 것임을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 탐침은 벌크 단결정을 쪼개어 얻어진 것임을 특징으로 하는 주사형 자기검출장치용 탐침.
KR10-2002-0011393A 2001-03-05 2002-03-04 주사형 자기검출장치 및 주사형 자기검출장치용 탐침 KR100456369B1 (ko)

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