JP2000314697A - Spin-polarized scanning tunneling microscope - Google Patents

Spin-polarized scanning tunneling microscope

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JP2000314697A
JP2000314697A JP11122645A JP12264599A JP2000314697A JP 2000314697 A JP2000314697 A JP 2000314697A JP 11122645 A JP11122645 A JP 11122645A JP 12264599 A JP12264599 A JP 12264599A JP 2000314697 A JP2000314697 A JP 2000314697A
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spin
probe
polarized
tunneling microscope
scanning
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Japanese (ja)
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Hiroki Kodama
宏喜 児玉
Takuya Uzumaki
拓也 渦巻
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スピン偏極走査型トンネル顕微鏡に関し、探
針の先端から試料へのスピン偏極電子の安定したトンネ
リングを持続させる。 【解決手段】 レーザ光1を探針2に照射してスピン偏
極した電子を励起するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡
に、探針2を試料面4に対して平行に回転できる回転機
構5を備える。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To maintain stable tunneling of spin-polarized electrons from a tip of a probe to a sample in a spin-polarized scanning tunneling microscope. A spin-polarized scanning tunneling microscope that irradiates a probe with laser light to excite spin-polarized electrons includes a rotation mechanism that can rotate the probe in parallel to a sample surface. Prepare.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はスピン偏極走査型ト
ンネル顕微鏡に関するものであり、特に、常により良い
状態の探針表面にレーザ光を照射するための機構に特徴
のあるスピン偏極走査型トンネル顕微鏡に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spin-polarized scanning tunneling microscope, and more particularly, to a spin-polarized scanning scanning microscope characterized by a mechanism for irradiating a laser beam on a probe surface which is always in a better state. It relates to a tunnel microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ハードディスクなど記録媒体の記
録密度の上昇は著しく、この様な記録媒体の磁気的情報
を評価する手法としては、磁気力顕微鏡(MFM)、ビ
ッター法等の種々の方法があるが、今後さらに記録密度
が上昇し、より微細な領域での評価手法となると、上述
の方法では限界が生ずることが予想される。この様な微
細な領域での磁気的情報の評価方法として、スピン偏極
走査型トンネル顕微鏡が開発され始めており、このスピ
ン偏極走査型トンネル顕微鏡は、原理的には、原子分解
能を有している。
2. Description of the Related Art In recent years, the recording density of a recording medium such as a hard disk has risen remarkably. However, if the recording density further increases in the future and the evaluation method is applied to a finer area, it is expected that the above-mentioned method will have limitations. As a method for evaluating magnetic information in such a fine area, a spin-polarized scanning tunneling microscope has begun to be developed. In principle, this spin-polarized scanning tunneling microscope has atomic resolution. I have.

【0003】例えば、特開昭62−139240号公報
に記載されているスピン偏極走査型トンネル顕微鏡は、
GaAs探針に垂直に円偏光を照射してスピン偏極電子
を生成し、このスピン偏極電子がトンネル効果により試
料に注入されることによるトンネル電流を検出するもの
である。その検出方法は、円偏光を左右に切り替えなが
ら試料面を走査し、試料の磁区に対応したトンネル電流
の平均値を、試料表面の凹凸信号として検出し、試料の
凹凸情報と磁区情報に起因したトンネル電流を同時に取
得するものである。
[0003] For example, a spin-polarized scanning tunneling microscope described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-139240,
The GaAs probe is irradiated with circularly polarized light perpendicularly to generate spin-polarized electrons, and a tunnel current is detected by injecting the spin-polarized electrons into the sample by a tunnel effect. The detection method scans the sample surface while switching the circularly polarized light to the left and right, detects the average value of the tunnel current corresponding to the magnetic domain of the sample as an unevenness signal on the sample surface, and detects the average value of the sample surface unevenness information and the magnetic domain information. The tunnel current is obtained at the same time.

【0004】しかし、この様な検出方法において、装置
の振動等に伴ってトンネル電流に突発的なノイズが混入
した場合、トンネル電流の平均値が変動し正確な凹凸情
報が得られなくなり、この様な不正確な凹凸情報に基づ
いて試料面を走査した場合、GaAs探針と試料面との
距離を一定に保つことができず、検出された磁気情報の
ノイズの影響を受けてしまうという問題がある。
However, in such a detection method, when sudden noise is mixed into the tunnel current due to the vibration of the apparatus or the like, the average value of the tunnel current fluctuates, and accurate unevenness information cannot be obtained. When the sample surface is scanned on the basis of inaccurate irregularity information, the distance between the GaAs probe and the sample surface cannot be kept constant, and the noise of the detected magnetic information is affected. is there.

【0005】そこで、本発明者は、この様な問題を解決
するための走査方法を提案(必要ならば、特開平10−
206434号公報参照)しているので、この様な走査
方法に用いる従来のスピン偏極走査型トンネル顕微鏡を
図5を参照して説明する。 図5参照 図5は、従来のスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の概念
的構成図であり、GaAs探針50にレーザ光44を照
射するための励起光源41は、レーザ駆動回路43によ
って駆動され、波長830nmの近赤外線レーザ光を出
力するAlGaAs系半導体レーザ42、ポッケルスセ
ル駆動回路49から供給される2値の駆動信号の値に応
じてレーザ光の偏波面を0°または90°回転させるポ
ッケルスセル45、レーザ光44を円偏光に変換するλ
/4板46、シャッタ47、円偏光を集束するレンズ4
8から構成される。
The present inventor has proposed a scanning method for solving such a problem (if necessary, see Japanese Patent Application Laid-Open No.
A conventional spin-polarized scanning tunneling microscope used for such a scanning method will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a conceptual configuration diagram of a conventional spin-polarized scanning tunneling microscope. An excitation light source 41 for irradiating a GaAs probe 50 with a laser beam 44 is driven by a laser driving circuit 43. An AlGaAs semiconductor laser 42 that outputs near-infrared laser light having a wavelength of 830 nm, a Pockels cell that rotates the polarization plane of the laser light by 0 ° or 90 ° according to the value of a binary drive signal supplied from a Pockels cell drive circuit 49. 45, λ that converts laser light 44 into circularly polarized light
/ 4 plate 46, shutter 47, lens 4 for focusing circularly polarized light
8.

【0006】また、GaAs探針50は探針ホルダー5
1により支持固定され、GaAs探針50に円偏光した
レーザ光44が照射されると、GaAs探針50の価電
子帯の電子が伝導帯に励起されるが、励起された電子の
内の約3/4は円偏光の伝搬方向と同一方向のスピンを
有し、残りの約1/4の電子は逆方向のスピンを有する
ことになる。
The GaAs probe 50 is connected to the probe holder 5.
When the GaAs probe 50 is irradiated with the circularly polarized laser light 44 supported and fixed by 1, electrons in the valence band of the GaAs probe 50 are excited to the conduction band. 3/4 has a spin in the same direction as the propagation direction of the circularly polarized light, and the remaining about 1/4 of the electrons have a spin in the opposite direction.

【0007】このスピン偏極電子が生成されたGaAs
探針50を試料52に近づけると、スピン偏極電子がト
ンネル効果によって試料52に流れ込むことになるが、
この時、試料52の磁区の磁化方向がスピン偏極電子の
スピンの方向と同一か逆かによって流れる電流が変化す
るので、このトンネル電流を検出することによって磁気
的情報を検出する。
GaAs in which the spin-polarized electrons are generated
When the probe 50 is moved closer to the sample 52, the spin-polarized electrons flow into the sample 52 due to the tunnel effect.
At this time, the flowing current changes depending on whether the magnetization direction of the magnetic domain of the sample 52 is the same as or opposite to the spin direction of the spin-polarized electrons. Therefore, magnetic information is detected by detecting the tunnel current.

【0008】この場合の試料52は、例えば、試料面内
に容易軸を有する磁性体であり、試料52は粗動ステー
ジ54上に固定されたピエゾ素子53上に固定されてい
る。粗動ステージ54は粗動コントローラ59によって
駆動されて互いに直交するX,Y,Z方向に移動し、ま
た、ピエゾ素子53はピエゾコントローラ58によって
互いに直交するX,Y,Z方向に例えば、0.1Åの精
度で微小変位するものであり、これらによって、試料5
2はGaAs探針50に対して相対的に変位する。
The sample 52 in this case is, for example, a magnetic material having an easy axis in the sample plane, and the sample 52 is fixed on a piezo element 53 fixed on a coarse movement stage 54. The coarse movement stage 54 is driven by the coarse movement controller 59 to move in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other, and the piezo element 53 is moved by the piezo controller 58 in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other. The sample is displaced minutely with an accuracy of 1 °.
2 is displaced relatively to the GaAs probe 50.

【0009】また、粗動コントローラ59及びピエゾコ
ントローラ58は制御ユニット56の制御下にある。ま
た、GaAs探針50に流れるトンネル電流はプリアン
プ55で増幅されて制御ユニット56に供給される。制
御ユニット56は、コンピュータ57の指令に従って試
料52に対するGaAs探針50の走査を行い、さらに
励起光源41或いはポッケルスセル駆動回路49の制御
を行うものである。
The coarse movement controller 59 and the piezo controller 58 are under the control of a control unit 56. The tunnel current flowing through the GaAs probe 50 is amplified by the preamplifier 55 and supplied to the control unit 56. The control unit 56 scans the GaAs probe 50 on the sample 52 in accordance with a command from the computer 57, and further controls the excitation light source 41 or the Pockels cell drive circuit 49.

【0010】上述のように、スピン偏極走査型トンネル
顕微鏡においては、スピン偏極電子が安定してトンネリ
ングすることが不可欠であり、GaAs探針50から試
料52にトンネリングするスピン偏極電子は、GaAs
探針50と磁性体からなる試料52の表面の状態の良し
悪しに左右されることになる。
As described above, in the spin-polarized scanning tunneling microscope, it is essential that the spin-polarized electrons tunnel stably. The spin-polarized electrons that tunnel from the GaAs probe 50 to the sample 52 are: GaAs
The condition of the surface of the sample 52 made of the probe 50 and the magnetic material depends on the quality of the surface.

【0011】また、探針としてGaAs探針50を用い
る場合、その表面状態は表面準位によるピンニング(p
inning)の影響を受けることになるため、この様
な表面準位によるピンニングを低減させる方法として、
硫黄終端化処理と呼ばれる方法が用いられている。この
硫黄終端化処理とは、GaAs探針50を(NH4 2
S中にディピングしたのち熱処理を施すことにより、G
aAs表面の未結合のダングリング・ボンドを終端させ
る処理であり、この様な硫黄終端化処理によって比較的
安定なトンネリングが実現される。
A GaAs probe 50 is used as a probe.
When the surface state is pinning by the surface state (p
inning)
As a method to reduce pinning due to various surface states,
A method called sulfur termination is used. this
The sulfur terminating process means that the GaAs probe 50 is set to (NHFour) Two
By dipping in S and then performing heat treatment, G
Terminate unbonded dangling bonds on aAs surface
This sulfur-termination treatment is relatively
Stable tunneling is realized.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の硫黄終
端化処理を施した場合にも、測定に際してはGaAs探
針表面にレーザ光を照射しているため、アブレーション
(ablation)効果により、測定時間が長くなる
と、終端したAsが飛散して安定したトンネリングが持
続しないことがある。
However, even when the above-mentioned sulfur-termination treatment is performed, the surface of the GaAs probe is irradiated with laser light at the time of measurement, so that the measurement time is reduced due to the ablation effect. Becomes longer, the terminated As may be scattered and stable tunneling may not be maintained.

【0013】この様なトンネリング不良の原因は解明さ
れていないが、アルバラードによって超真空中でも劣化
が生ずることが報告されており、また、測定開始から数
時間はトンネリングが良好なことからみて、トンネリン
グ不良には長時間のレーザ照射が関与し、レーザ照射に
よってGaAs探針の表面状態が劣化するためと考えら
れる。
Although the cause of such a tunneling defect has not been elucidated, it has been reported that the Alvarade causes deterioration even in an ultra-vacuum, and that tunneling is good for several hours from the start of measurement. It is considered that the failure involves laser irradiation for a long time, and the laser irradiation deteriorates the surface state of the GaAs probe.

【0014】したがって、本発明は、探針の先端から試
料へのスピン偏極電子の安定したトンネリングを持続さ
せることを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to maintain stable tunneling of spin-polarized electrons from the tip of a probe to a sample.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図1を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図1参照 (1)本発明は、レーザ光1を探針2に照射してスピン
偏極した電子を励起するスピン偏極走査型トンネル顕微
鏡において、探針2を試料面4に対して平行に回転でき
る回転機構5を備えたことを特徴とする。
FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention. Referring to FIG. 1, means for solving the problems in the present invention will be described. See FIG. 1. (1) The present invention relates to a spin-polarized scanning tunneling microscope that irradiates a probe 2 with a laser beam 1 to excite spin-polarized electrons. It is characterized by having a rotating mechanism 5 that can rotate.

【0016】この様に、探針2に回転機構5を設けるこ
とによって、トンネル電流が低減した場合、探針2を回
転させることによって、常に表面状態の良好な新しい面
にレーザ光1を照射することができ、それによって、ス
ピン偏極した電子の安定したトンネリングを持続するこ
とができる。
As described above, when the tunneling current is reduced by providing the rotation mechanism 5 on the probe 2, the laser beam 1 is always irradiated on a new surface having a good surface condition by rotating the probe 2. Therefore, stable tunneling of spin-polarized electrons can be maintained.

【0017】(2)また、本発明は、レーザ光1を探針
2に照射してスピン偏極した電子を励起するスピン偏極
走査型トンネル顕微鏡において、レーザ光1の光路にレ
ーザ光1を走査する光路スキャン機構6を備えたことを
特徴とする。
(2) Further, according to the present invention, in a spin-polarized scanning tunneling microscope for irradiating a probe 2 with a laser beam 1 to excite spin-polarized electrons, the laser beam 1 is applied to an optical path of the laser beam 1. An optical path scanning mechanism 6 for scanning is provided.

【0018】この様に、レーザ光1の光路にレーザ光1
を走査する光路スキャン機構6を設けることによって、
探針2の同じ面内の異なった位置にレーザ光1を照射す
ることができ、それによって、トンネル電流が低減した
場合、レーザ光1を走査して表面状態の良好な位置にレ
ーザ光1を照射することによって、スピン偏極した電子
の安定したトンネリングを持続することができる。
As described above, the laser beam 1
By providing an optical path scanning mechanism 6 for scanning
Different positions in the same plane of the probe 2 can be irradiated with the laser light 1, whereby when the tunnel current is reduced, the laser light 1 is scanned and the laser light 1 is moved to a position where the surface condition is good. By irradiation, stable tunneling of spin-polarized electrons can be maintained.

【0019】(3)また、本発明は、上記(1)または
(2)において、スピン偏極電子に依存する信号をロッ
クイン検出し、検出信号が常に最大になるように回転機
構5または光路スキャン機構6の少なくとも一方を制御
する手段を設けたことを特徴とする。
(3) Further, according to the present invention, in the above (1) or (2), a signal dependent on spin-polarized electrons is lock-in detected, and the rotation mechanism 5 or the optical path is adjusted so that the detected signal is always maximized. A means for controlling at least one of the scanning mechanisms 6 is provided.

【0020】この様に、スピン偏極電子に依存する信
号、即ち、トンネル電流をロックイン検出することによ
って、トンネル電流の変化分のみを抽出することがで
き、それによって、探針2と試料面4との距離の変動に
よるトンネル電流の変化の影響を受けることなく、磁気
的情報を正確に検出することができる。
As described above, by detecting the signal dependent on the spin-polarized electrons, that is, the tunnel current, by lock-in detection, only the change in the tunnel current can be extracted, whereby the probe 2 and the sample surface can be extracted. The magnetic information can be accurately detected without being affected by the change in the tunnel current due to the change in the distance from the tunnel.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】ここで、図2乃至図4を参照して
本発明の実施の形態を説明する。 図2参照 図2は、本発明の実施の形態のスピン偏極走査型トンネ
ル顕微鏡の概念的構成図であり、GaAs探針18にレ
ーザ光14を照射するための励起光源11は、レーザ電
源13によって駆動され、波長831nmの近赤外線レ
ーザ光を出力するAlGaAs系半導体レーザ12、P
EM電源17から供給される50kHzの信号に応じて
左右円偏光を生成するPEM(Photo Elast
ic Moderator)15、光路スキャン機構1
6から構成される。なお、グラントムソンプリズム、λ
/4板、或いは、集束レンズ等の光学要素は図示を省略
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Here, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a spin-polarized scanning tunneling microscope according to an embodiment of the present invention. An excitation light source 11 for irradiating a GaAs probe 18 with laser light 14 includes a laser power supply 13. Semiconductor laser 12, which is driven by the laser and outputs near-infrared laser light having a wavelength of 831 nm.
PEM (Photo Elast) that generates left and right circularly polarized light in accordance with a 50 kHz signal supplied from the EM power supply 17.
ic Modulator) 15, optical path scanning mechanism 1
6 is comprised. The Glan Thompson prism, λ
Optical elements such as a / 4 plate or a focusing lens are not shown.

【0022】また、GaAs探針18は探針ホルダー
(図示せず)を介してピエゾ素子によって構成される探
針回転機構19に支持固定され、GaAs探針18に円
偏光したレーザ光14が照射されると、GaAs探針1
8の価電子帯の電子が伝導帯に励起されるが、励起され
た電子の内の約3/4は円偏光の伝搬方向と同一方向の
スピンを有し、残りの約1/4の電子は逆方向のスピン
を有することになる。
The GaAs probe 18 is supported and fixed by a probe rotating mechanism 19 composed of a piezo element via a probe holder (not shown), and irradiates the GaAs probe 18 with circularly polarized laser light 14. Then, the GaAs probe 1
Eight electrons in the valence band are excited into the conduction band, and about / of the excited electrons have a spin in the same direction as the propagation direction of circularly polarized light, and the remaining about 1 / of electrons Has a spin in the opposite direction.

【0023】図3(a)参照 図3(a)は、GaAs探針18の形状を示す概略図で
あり、(100)面を主面とし、不純物濃度が、例え
ば、1017cm-3程度のp型GaAs基板を用い、(0
11)面が表れる様に劈開して棒状体のチップを形成し
たのち、(1−10)面が表れるように再び斜めに劈開
したものであり、このGaAs探針18を回転させるこ
とによって、先端の(100)面、(011)面、或い
は、(1−10)面のいずれかにレーザ光14を照射さ
せることになる。なお、本明細書においては、明細書作
成の都合上、通常“1バー”で表記される面指数を“−
1”で表記する。
FIG. 3A is a schematic view showing the shape of the GaAs probe 18, having a (100) plane as a main surface and an impurity concentration of, for example, about 10 17 cm -3. Using a p-type GaAs substrate of (0
11) The substrate is cleaved to reveal a plane to form a rod-shaped chip, and then cleaved obliquely again so that a (1-10) plane appears. By rotating the GaAs probe 18, the tip is obtained. The (100) plane, the (011) plane, or the (1-10) plane is irradiated with the laser beam 14. In the present specification, for convenience of preparation of the specification, the surface index usually represented by “1 bar” is represented by “−”.
1 ".

【0024】図3(b)参照 図3(b)は、GaAs探針18を探針ホルダー27に
保持させた場合の状態を示す図であり、探針ホルダー2
7に設けた凹部28にGaAs探針18を挿入し、ネジ
29で固定することによって保持するようになってい
る。
FIG. 3B is a view showing a state in which the GaAs probe 18 is held by the probe holder 27, and the probe holder 2 is shown in FIG.
The GaAs probe 18 is inserted into the concave portion 28 provided in 7 and fixed by screws 29 to hold the probe.

【0025】再び、図2参照 また、例えば、磁性体からなる試料20は粗動ステージ
22上に固定されたピエゾ素子21上に固定されてお
り、粗動ステージ22は制御ユニット23の指令により
粗動コントローラ(図示せず)によって駆動されて互い
に直交するX,Y,Z方向に移動し、また、ピエゾ素子
21は制御ユニット23の指令によりピエゾコントロー
ラ(図示せず)によって互いに直交するX,Y,Z方向
に例えば、0.1Åの精度で微小変位するものであり、
これらの動作によって、試料20はGaAs探針18に
対して相対的に変位する。
Referring again to FIG. 2, for example, a sample 20 made of a magnetic material is fixed on a piezo element 21 fixed on a coarse movement stage 22, and the coarse movement stage 22 is coarsely moved by a command from a control unit 23. The piezo element 21 is driven by a motion controller (not shown) to move in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other. , In the Z direction, for example, with a small displacement of 0.1 °.
By these operations, the sample 20 is displaced relative to the GaAs probe 18.

【0026】また、GaAs探針18に流れるトンネル
電流はプリアンプ25で増幅されて制御ユニット23、
及び、ロックインアンプ26に供給される。また、PE
M電源17は、制御ユニット23からの指令によって、
例えば、50kHzの周波数で駆動され、さらに、PE
M電源17の出力はロックインアンプ26のリファレン
スとして使用される。
The tunnel current flowing through the GaAs probe 18 is amplified by the preamplifier 25, and is amplified by the control unit 23.
And, it is supplied to the lock-in amplifier 26. Also, PE
The M power supply 17 is operated by a command from the control unit 23.
For example, driven at a frequency of 50 kHz,
The output of the M power supply 17 is used as a reference of the lock-in amplifier 26.

【0027】この様に、ロックインアンプ26によって
トンネル電流をロックイン検出することによって、トン
ネル電流の変化分のみを抽出することができ、それによ
って、GaAs探針18と試料20の試料面との距離の
変動によるトンネル電流の変化の影響を受けることな
く、磁気的情報を正確に検出することができる。
As described above, by detecting the tunnel current lock-in by the lock-in amplifier 26, only the change in the tunnel current can be extracted, whereby the GaAs probe 18 and the sample surface of the sample 20 can be extracted. Magnetic information can be accurately detected without being affected by a change in tunnel current due to a change in distance.

【0028】図4(a)及び(b)参照 図4(a)は、光路スキャン機構16をレーザ光14の
進行方向から見た場合の概念的構成図であり、また、図
4(b)は、光路スキャン機構16をレーザ光14の進
行方向に沿って見た場合の概念的構成図である。図に示
す様に、円形のミラー30を固定点31に対して正三角
形の略頂点の位置に配置した1対のピエゾ素子32,3
3を伸縮させミラー30を若干傾けるものであり、ミラ
ー30の傾きによってレーザ光14は走査される。な
お、図2においては、レーザ光14が、光路スキャン機
構16を透過するように図示しているが、実際には、ミ
ラー30によって異なった方向に反射されるものであ
り、したがって、GaAs探針18の位置も反射したレ
ーザ光14が照射させる位置に配置するものである。
4 (a) and 4 (b) FIG. 4 (a) is a conceptual configuration diagram when the optical path scanning mechanism 16 is viewed from the traveling direction of the laser light 14, and FIG. 4 (b) 3 is a conceptual configuration diagram when the optical path scanning mechanism 16 is viewed along the traveling direction of the laser light 14. As shown in the figure, a pair of piezo elements 32, 3 in which a circular mirror 30 is arranged at a position of a vertex of an equilateral triangle with respect to a fixed point 31
The laser beam 14 is scanned by the inclination of the mirror 30 by expanding and contracting the mirror 3. Although the laser light 14 is shown in FIG. 2 as transmitting through the optical path scanning mechanism 16, the laser light 14 is actually reflected in a different direction by the mirror 30. The position 18 is also arranged at the position where the reflected laser light 14 irradiates.

【0029】この様な構成を前提に踏まえて、本発明の
特徴点である、光路スキャン機構16及び探針回転機構
19の動作を説明する。まず、上述のように、GaAs
探針18の所定の結晶面の所定の位置に円偏光したレー
ザ光14を照射させて、トンネル電流を測定するが、試
料20の磁化状態の信号が弱くなった場合、ロックイン
検出した信号も弱くなるので、ロックイン検出信号の強
度に応じて、光路スキャン機構16を構成するピエゾ素
子32,33に所定の電圧を印加してミラー30を傾斜
させてレーザ光14を同一結晶面内で走査する。この様
に、同一結晶面内を走査しながら得た検出信号が大きく
なった位置で走査を停止し、再び、正規の測定を再開す
る。
Based on such a configuration, the operation of the optical path scanning mechanism 16 and the probe rotating mechanism 19, which are features of the present invention, will be described. First, as described above, GaAs
A predetermined position on a predetermined crystal plane of the probe 18 is irradiated with the circularly polarized laser light 14 to measure a tunnel current. When the signal of the magnetization state of the sample 20 is weakened, the lock-in detected signal is also measured. The laser beam 14 is scanned in the same crystal plane by applying a predetermined voltage to the piezo elements 32 and 33 constituting the optical path scanning mechanism 16 in accordance with the strength of the lock-in detection signal and inclining the mirror 30. I do. As described above, the scanning is stopped at the position where the detection signal obtained while scanning in the same crystal plane becomes large, and the normal measurement is restarted again.

【0030】次に、測定中に再びロックイン検出した信
号が弱くなった場合、再び、光路スキャン機構16によ
ってレーザ光14を走査するが、それでも、ロックイン
検出した信号が大きくならない場合、走査を中止して、
今度は探針回転機構19を回転させることによって、レ
ーザ光14が照射される面を以前とは異なった結晶状態
の良好な新しい結晶面とする。
Next, when the signal detected as lock-in again becomes weaker during the measurement, the laser beam 14 is again scanned by the optical path scanning mechanism 16. However, if the signal detected as lock-in does not increase, the scanning is stopped. Stop,
This time, by rotating the probe rotation mechanism 19, the surface irradiated with the laser beam 14 is set to a new crystal surface having a favorable crystal state different from that before.

【0031】なお、この場合の、探針回転機構19は、
通常使用されているピエゾ素子を利用した回転機構であ
り、ピエゾ素子によるX,Y,Z方向の変位を組み合わ
せることによって、GaAs探針18を擬似的に回転さ
せるものである。
In this case, the probe rotation mechanism 19 is
This is a rotation mechanism using a piezo element that is generally used, and simulates rotation of the GaAs probe 18 by combining displacements in the X, Y, and Z directions by the piezo element.

【0032】この様に、本発明においては、スピン偏極
走査型トンネル顕微鏡を用いて磁性体等の試料20の表
面の磁気的情報を検出する際に、探針回転機構19或い
は光路スキャン機構16を用いて、常に、ロックイン検
出信号が大きく得られる表面状態の良好な結晶面にレー
ザ光14を照射しているので、スピン偏極電子に基づく
トンネル電流の最大値を得ることができ、安定した測定
が可能になる。
As described above, according to the present invention, when the magnetic information on the surface of the sample 20 such as a magnetic material is detected using the spin-polarized scanning tunneling microscope, the probe rotating mechanism 19 or the optical path scanning mechanism 16 is used. Is used to irradiate the laser beam 14 to the crystal plane having a good surface state where a large lock-in detection signal can be obtained. Measurement becomes possible.

【0033】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限ら
れるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、
上記の実施の形態の説明においては、探針回転機構19
として、微小変位の制御が可能なピエゾ素子を用いて構
成しているが、ピエゾ素子に限られるものではなく、入
手が容易なステッピングモータを用いても良いものであ
る。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various changes can be made. For example,
In the description of the above embodiment, the probe rotation mechanism 19
Although a piezo element capable of controlling a small displacement is used as the piezo element, the invention is not limited to the piezo element, and a stepping motor that is easily available may be used.

【0034】また、上記の実施の形態の説明において
は、光路スキャン機構16として、ピエゾ素子32,3
3で駆動されるミラ−30を用いているが、ミラー30
に限られるものではなく、ミラー30と同様に、1対の
ピエゾ素子によって駆動されるプリズムを用いても良い
ものである。
In the above embodiment, the piezo elements 32 and 3 are used as the optical path scanning mechanism 16.
The mirror 30 driven by the mirror 3 is used.
However, a prism driven by a pair of piezo elements may be used similarly to the mirror 30.

【0035】また、上記の実施の形態の説明において
は、レーザ光14の偏波面を回転させる光学素子として
PEM15を用いているが、PEMに限られるものでは
なく、図5に示した従来例と同様にポッケルスセルを用
いても良いものである。
Further, in the above description of the embodiment, the PEM 15 is used as an optical element for rotating the plane of polarization of the laser light 14, but the present invention is not limited to the PEM, and is different from the conventional example shown in FIG. Similarly, a Pockels cell may be used.

【0036】また、上記の実施の形態の説明において
は、探針としてGaAs探針18を用いているが、Ga
Asに限られるものではなく、InP等の直接遷移型の
III-V族化合物半導体であれば良く、その場合には、使
用するIII-V族化合物半導体の禁制帯幅に応じて、半導
体レーザ12の発振波長を変える必要がある。
In the above embodiment, the GaAs probe 18 is used as a probe.
It is not limited to As, but is a direct transition type such as InP.
It is sufficient to use a III-V compound semiconductor, and in that case, it is necessary to change the oscillation wavelength of the semiconductor laser 12 according to the forbidden band width of the III-V compound semiconductor to be used.

【0037】また、上記の実施の形態の説明において
は、検出信号が低下した場合、まず、光路スキャン機構
16を動作させ、そののち探針回転機構19を動作させ
ているが、まず、探針回転機構19を動作させ、そのの
ち光路スキャン機構16を動作させても良いものであ
る。
In the description of the above embodiment, when the detection signal decreases, the optical path scanning mechanism 16 is operated first, and then the probe rotating mechanism 19 is operated. The rotation mechanism 19 may be operated, and then the optical path scanning mechanism 16 may be operated.

【0038】さらに、上記の実施の形態の説明において
は、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡に光路スキャン機
構16及び探針回転機構19の両方を設けているが、場
合によっては、その一方のみを設けるだけでも良く、特
に、探針回転機構のみを設けても良いものである。
Further, in the description of the above embodiment, both the optical path scanning mechanism 16 and the probe rotating mechanism 19 are provided in the spin-polarized scanning tunneling microscope, but in some cases, only one of them is provided. Only, and in particular, only the probe rotating mechanism may be provided.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明によれば、探針回転機構或いは光
路スキャン機構を設けているので、常に表面状態が良好
な新しい結晶面にレーザ光を照射することができ、それ
によって、スピン偏極電子の安定したトンネリングを持
続することができるので、安定した磁気的情報の測定が
可能になり、ひいては、磁気記録媒体の記録密度向上に
寄与するところが大きい。
According to the present invention, since a probe rotating mechanism or an optical path scanning mechanism is provided, a new crystal plane having a good surface condition can always be irradiated with a laser beam, thereby providing a spin polarization. Since stable tunneling of electrons can be maintained, stable measurement of magnetic information can be performed, and this greatly contributes to improvement of the recording density of the magnetic recording medium.

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

【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態のスピン偏極走査型トンネ
ル顕微鏡の概念的構成図である。
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a spin-polarized scanning tunneling microscope according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態に用いるGaAs探針の説
明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a GaAs probe used in the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態に用いる光路スキャン機構
の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of an optical path scanning mechanism used in the embodiment of the present invention.

【図5】従来のスピン偏極走査型トンネル顕微鏡の概念
的構成図である。
FIG. 5 is a conceptual configuration diagram of a conventional spin-polarized scanning tunneling microscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ光 2 探針 3 試料 4 試料面 5 回転機構 6 光路スキャン機構 11 励起光源 12 半導体レーザ 13 レーザ電源 14 レーザ光 15 PEM 16 光路スキャン機構 17 PEM電源 18 GaAs探針 19 探針回転機構 20 試料 21 ピエゾ素子 22 粗動ステージ 23 制御ユニット 24 コンピュータ 25 プリアンプ 26 ロックインアンプ 27 探針ホルダー 28 凹部 29 ネジ 30 ミラー 31 固定点 32 ピエゾ素子 33 ピエゾ素子 41 励起光源 42 半導体レーザ 43 レーザ駆動回路 44 レーザ光 45 ポッケルスセル 46 λ/4板 47 シャッタ 48 レンズ 49 ポッケルスセル駆動回路 50 GaAs探針 51 探針ホルダー 52 試料 53 ピエゾ素子 54 粗動ステージ 55 プリアンプ 56 制御ユニット 57 コンピュータ 58 ピエゾコントローラ 59 粗動コントローラ REFERENCE SIGNS LIST 1 laser light 2 probe 3 sample 4 sample surface 5 rotation mechanism 6 optical path scanning mechanism 11 excitation light source 12 semiconductor laser 13 laser power supply 14 laser light 15 PEM 16 optical path scanning mechanism 17 PEM power supply 18 GaAs probe 19 probe rotation mechanism 20 sample Reference Signs List 21 Piezo element 22 Coarse movement stage 23 Control unit 24 Computer 25 Preamplifier 26 Lock-in amplifier 27 Probe holder 28 Concave part 29 Screw 30 Mirror 31 Fixed point 32 Piezo element 33 Piezo element 41 Excitation light source 42 Semiconductor laser 43 Laser drive circuit 44 Laser light 45 Pockels cell 46 λ / 4 plate 47 Shutter 48 Lens 49 Pockels cell drive circuit 50 GaAs probe 51 Probe holder 52 Sample 53 Piezo element 54 Coarse stage 55 Preamplifier 56 Control unit 57 Computer 58 Piezo controller 59 Coarse controller

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F063 AA50 CA40 DA01 DA05 DB06 DD02 EA16 EA20 EB23 EB27 FA07 LA30 ZA10  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F063 AA50 CA40 DA01 DA05 DB06 DD02 EA16 EA20 EB23 EB27 FA07 LA30 ZA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザ光を探針に照射してスピン偏極し
た電子を励起するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡にお
いて、前記探針を試料面に対して平行に回転できる回転
機構を備えたことを特徴とするスピン偏極走査型トンネ
ル顕微鏡。
1. A spin-polarized scanning tunneling microscope for irradiating a probe with laser light to excite spin-polarized electrons, comprising a rotation mechanism capable of rotating the probe parallel to a sample surface. A spin-polarized scanning tunneling microscope characterized by the following.
【請求項2】 レーザ光を探針に照射してスピン偏極し
た電子を励起するスピン偏極走査型トンネル顕微鏡にお
いて、前記レーザ光の光路にレーザ光を走査する光路ス
キャン機構を備えたことを特徴とするスピン偏極走査型
トンネル顕微鏡。
2. A spin-polarized scanning tunneling microscope for irradiating a probe with laser light to excite spin-polarized electrons, comprising: an optical path scanning mechanism for scanning the optical path of the laser light with the laser light. Features a spin-polarized scanning tunneling microscope.
【請求項3】 上記スピン偏極した電子に依存する信号
をロックイン検出し、検出信号が常に最大になるように
上記回転機構または上記光路スキャン機構の少なくとも
一方を制御する手段を設けたことを特徴とする請求項1
または2に記載のスピン偏極走査型トンネル顕微鏡。
3. A means for lock-in detecting a signal dependent on the spin-polarized electron and controlling at least one of the rotation mechanism and the optical path scanning mechanism so that the detection signal is always maximized. Claim 1.
Or a spin-polarized scanning tunneling microscope according to 2.
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WO2001069771A1 (en) * 2000-03-15 2001-09-20 Japan Science And Technology Corporation Rotary body and quantum electric motor
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