JPH01287606A - 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 - Google Patents
走査型トンネル顕微鏡の微動機構Info
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- JPH01287606A JPH01287606A JP63116927A JP11692788A JPH01287606A JP H01287606 A JPH01287606 A JP H01287606A JP 63116927 A JP63116927 A JP 63116927A JP 11692788 A JP11692788 A JP 11692788A JP H01287606 A JPH01287606 A JP H01287606A
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- H10N30/202—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using longitudinal or thickness displacement combined with bending, shear or torsion displacement
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、走査型トンネル顕微鏡(以下、STMと記
す)の微動機構に係り、特に円筒形の圧電素子分用いた
三次元微動機構に関するものである。
す)の微動機構に係り、特に円筒形の圧電素子分用いた
三次元微動機構に関するものである。
一般に、STMは一対の1■動機構と微動機構とを備え
ており、例えば観察すべき試料が粗動機構に保持される
一方、探針が微動機構に設けられている。そして、まず
粗動81樽により試料面を探針の先端部近傍に接近させ
た後、試料と探針との間に電圧を印加しつつこれらの間
に所定の大きさのトンネル電流が流れるまで、微動機構
を用いて探針をさらに試料面に接近させる。次に、微動
機構により探針を試料面に沿って走査し、このときのト
ンネル電流の変化を利用して試料表面の凹凸形状が原子
尺度で求められる。
ており、例えば観察すべき試料が粗動機構に保持される
一方、探針が微動機構に設けられている。そして、まず
粗動81樽により試料面を探針の先端部近傍に接近させ
た後、試料と探針との間に電圧を印加しつつこれらの間
に所定の大きさのトンネル電流が流れるまで、微動機構
を用いて探針をさらに試料面に接近させる。次に、微動
機構により探針を試料面に沿って走査し、このときのト
ンネル電流の変化を利用して試料表面の凹凸形状が原子
尺度で求められる。
従来、このようなSTMの微動機構としては、■G、B
1nn1g and D、P、E、Sm1th+ Re
v、Sci、Instrum、。
1nn1g and D、P、E、Sm1th+ Re
v、Sci、Instrum、。
Vol、57 pp1688−1689 (1986)
及び■に、[1esocke: 5arface 5c
ience、、Vol、181 pp145−に開示さ
れているような円筒形の圧電素子を用いたものが知られ
ている。
及び■に、[1esocke: 5arface 5c
ience、、Vol、181 pp145−に開示さ
れているような円筒形の圧電素子を用いたものが知られ
ている。
これらの微動機構では、圧電素子からなる円筒の外周面
上に周に沿って四分割された電極が設けられると共に内
周面全面上にも電極が設けられ、円筒の一端部側に探針
が取り付けられている。そして、円筒外周部の互いに対
向する一対の電極に極性が反対の電圧を印加することに
より、探針は円筒の軸と垂直な方向(XY力方向に走査
される。
上に周に沿って四分割された電極が設けられると共に内
周面全面上にも電極が設けられ、円筒の一端部側に探針
が取り付けられている。そして、円筒外周部の互いに対
向する一対の電極に極性が反対の電圧を印加することに
より、探針は円筒の軸と垂直な方向(XY力方向に走査
される。
一方、円筒内周部の電極と外周部の電極との間に電圧を
印加することにより、探針は円筒の軸方向(Z方向)に
走査される。
印加することにより、探針は円筒の軸方向(Z方向)に
走査される。
しかしながら、このような微動機構の走査の感度、すな
わち電極に印加する電圧に対する探針の位置の変位の割
合は、圧電素子の圧電歪定数及び圧電素子と電極の寸法
により決定されることが知られている。従って、従来の
微動機構はその構成に基づく固有の走査感度を有し、こ
の走査感度を自由に変えることはできなかった。
わち電極に印加する電圧に対する探針の位置の変位の割
合は、圧電素子の圧電歪定数及び圧電素子と電極の寸法
により決定されることが知られている。従って、従来の
微動機構はその構成に基づく固有の走査感度を有し、こ
の走査感度を自由に変えることはできなかった。
このため、走査領域を狭くして試料表面の詳細な観測を
しようとする場合には走査感度の小さい微動機構を、逆
に走査領域を広くして試料表面の広域を観測しようとす
る場合には走査感度の太きい微動機構をそれぞれ選択し
て用いていた。このように、従来は観測の目的によって
微動機構を取り替えなければならないという問題点があ
った。
しようとする場合には走査感度の小さい微動機構を、逆
に走査領域を広くして試料表面の広域を観測しようとす
る場合には走査感度の太きい微動機構をそれぞれ選択し
て用いていた。このように、従来は観測の目的によって
微動機構を取り替えなければならないという問題点があ
った。
また、電極に印加する電圧波形を変化させれば、走査感
度が一定の微動機構でも探針に細かい動きをさせたり、
イ■い動きをさせることができるが、この場合には電極
に電圧を印加するための電圧供給装置が複雑となり高価
になるという問題点があった。
度が一定の微動機構でも探針に細かい動きをさせたり、
イ■い動きをさせることができるが、この場合には電極
に電圧を印加するための電圧供給装置が複雑となり高価
になるという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされた
もので、走査の感度を変えることのできるSTMの微動
機構を得ることを目的とする。
もので、走査の感度を変えることのできるSTMの微動
機構を得ることを目的とする。
この発明に係るSTMの微動R横は、8!構本体と、円
筒形に形成され、その一端が前記機構本体に固定された
圧電素子と、前記圧電素子の他端側に設けられた探針と
、前記圧電素子の内壁上及び外壁上にそれぞれ設けられ
ると共に前記圧電素子の長手方向に沿って複数の電極部
に分割された電極手段とを備えたものである。
筒形に形成され、その一端が前記機構本体に固定された
圧電素子と、前記圧電素子の他端側に設けられた探針と
、前記圧電素子の内壁上及び外壁上にそれぞれ設けられ
ると共に前記圧電素子の長手方向に沿って複数の電極部
に分割された電極手段とを備えたものである。
この発明においては、圧電素子の長手方向に分割された
複数の電極部から駆動電極部を選択してその駆動電極部
に電圧を印加することにより、感度の異なる走査が行わ
れる。
複数の電極部から駆動電極部を選択してその駆動電極部
に電圧を印加することにより、感度の異なる走査が行わ
れる。
以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。
。
第1図はこの発明に係るSTMの微動機構の第1実施例
を示す一部破断斜視図である。平板状の(幾楕本体く以
下、本体と記す)(1)の上に、円筒(C)を形成する
圧電素子(2)の一端部(α)がエポキシ樹脂等の接着
剤により固定され、この圧電素子(2)の内壁及び外壁
上に電極手段(3)が形成されている。ここで、圧電素
子(2)は例えばチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr−
Ti)Ol)がら形成され、円筒(C)の側面の法線方
向を電界方向、円筒(C)の中心軸(Z軸)方向を歪方
向として分極処理が施されている。また、円筒(C)は
その全長にわたって一定の内径、外径及び肉厚Wを有し
ている。
を示す一部破断斜視図である。平板状の(幾楕本体く以
下、本体と記す)(1)の上に、円筒(C)を形成する
圧電素子(2)の一端部(α)がエポキシ樹脂等の接着
剤により固定され、この圧電素子(2)の内壁及び外壁
上に電極手段(3)が形成されている。ここで、圧電素
子(2)は例えばチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr−
Ti)Ol)がら形成され、円筒(C)の側面の法線方
向を電界方向、円筒(C)の中心軸(Z軸)方向を歪方
向として分極処理が施されている。また、円筒(C)は
その全長にわたって一定の内径、外径及び肉厚Wを有し
ている。
ti手段(3)は銀あるいはニッケルから形成され、円
筒(C)の長手方向に分割された二つの電極部から構成
されている。さらに、各電極部はそれぞれ複数の電極を
有する第1電極群(4)及び第2電極群(5)から形成
されている。第1電極群(4)は、円筒(C)の外周部
に設けられると共に周に沿って四分割された電極(4x
“)、(4x−) 、(4y”)及び(4y−)と、円
筒(C)の内周全面に設けられた電極(4z)とから構
成されている。第1図において、電&(4x”)と(4
x−)は互いにX軸上で対向し、電極(4y”)と(4
y”’)は互いにY軸上で対向している。
筒(C)の長手方向に分割された二つの電極部から構成
されている。さらに、各電極部はそれぞれ複数の電極を
有する第1電極群(4)及び第2電極群(5)から形成
されている。第1電極群(4)は、円筒(C)の外周部
に設けられると共に周に沿って四分割された電極(4x
“)、(4x−) 、(4y”)及び(4y−)と、円
筒(C)の内周全面に設けられた電極(4z)とから構
成されている。第1図において、電&(4x”)と(4
x−)は互いにX軸上で対向し、電極(4y”)と(4
y”’)は互いにY軸上で対向している。
また、第1電極群(4)の各電極はZ軸方向の長さLl
を有している。
を有している。
一方、第2電極群(5)は第1電極群(4)と同様に、
円筒(C)の外周部に設けられると共に周に沿って四分
割された電f!(5x”)、(5x−L(5y”)及び
(5y−)と、円筒(C)の内周全面に設けられた電極
(5Z)とから構成され、電[(5X+)と(5x−)
は互いにX軸上で対向し、電極(5y”)と(5y−)
は互いにY軸上で対向している。この第2電極群(5)
の各電極はZ軸方向の長さL2(≠L、)を有している
。
円筒(C)の外周部に設けられると共に周に沿って四分
割された電f!(5x”)、(5x−L(5y”)及び
(5y−)と、円筒(C)の内周全面に設けられた電極
(5Z)とから構成され、電[(5X+)と(5x−)
は互いにX軸上で対向し、電極(5y”)と(5y−)
は互いにY軸上で対向している。この第2電極群(5)
の各電極はZ軸方向の長さL2(≠L、)を有している
。
これら第1電極群(4)と第2電極群(5)はZ軸方向
の長さが異なる他は、材質、形状共に同様であり、第2
電極群(5)は第1電極群(4)を円筒(C)の中心軸
(Z軸)方向に平行移動させたような位置に配置されて
いる。また、第1電極群(4)と第2電極群(5)とは
、これらの長さLl及びL2に比べて極めて小さな間隔
を隔てて配置されている。
の長さが異なる他は、材質、形状共に同様であり、第2
電極群(5)は第1電極群(4)を円筒(C)の中心軸
(Z軸)方向に平行移動させたような位置に配置されて
いる。また、第1電極群(4)と第2電極群(5)とは
、これらの長さLl及びL2に比べて極めて小さな間隔
を隔てて配置されている。
また、円筒形の圧電素子〈2)の他端部(β)側には、
探針(6)が取り付けられている。この探針(6)は第
2電極群(5)のうちの一つの電極の上あるいは円筒(
C)の外壁上に接着剤により固定されている。
探針(6)が取り付けられている。この探針(6)は第
2電極群(5)のうちの一つの電極の上あるいは円筒(
C)の外壁上に接着剤により固定されている。
このような微動機構の電極手段(3)に電圧を印加する
ことにより、例えば次の二つの動作<1)及び(II)
を行わせることができる。
ことにより、例えば次の二つの動作<1)及び(II)
を行わせることができる。
(1)まず、第2電極群(5)の各電極を接地してO電
位とする。
位とする。
この状態で、第1電極群(4)の円筒(C)外周部の四
つの電極(4x”) 、(4x”’) 、(4y”)及
び(4y−)を接地して0z位とすると共に円筒(C)
内周部の電極(4z)に電圧±Vを印加すると、圧電素
子(2)はZ軸方向に δ1−±dx (L 、/W)x V ・・・ [1
]の変位で伸縮する。ただし、dは圧電素子(2)の圧
電歪定数である。
つの電極(4x”) 、(4x”’) 、(4y”)及
び(4y−)を接地して0z位とすると共に円筒(C)
内周部の電極(4z)に電圧±Vを印加すると、圧電素
子(2)はZ軸方向に δ1−±dx (L 、/W)x V ・・・ [1
]の変位で伸縮する。ただし、dは圧電素子(2)の圧
電歪定数である。
また、円筒(C)外周部の一対の電& (4x”)及び
(4x−)と円筒(C)内周部の電8i+<4z)とを
接地すると共に円筒(C)外周部の一対の電極(4y”
)及び(4y−)に互いに逆極性の電圧±■を印加する
と、を極(4y”)と電極(4Z)との間及び電極(4
y−)と電極(4z)との間に位置する圧電材料が2軸
方向において互いに逆向きに伸縮するので、円筒(C)
はY−Z面内で湾曲することになる。
(4x−)と円筒(C)内周部の電8i+<4z)とを
接地すると共に円筒(C)外周部の一対の電極(4y”
)及び(4y−)に互いに逆極性の電圧±■を印加する
と、を極(4y”)と電極(4Z)との間及び電極(4
y−)と電極(4z)との間に位置する圧電材料が2軸
方向において互いに逆向きに伸縮するので、円筒(C)
はY−Z面内で湾曲することになる。
同様に、電’Ffx (4y”)、(4y−)及び(4
z)を接地すると共に一対の電極(4×1及び(4x−
)に互いに逆極性の電圧±Vを印加すると、今度は円筒
(C)はX−Z面内で湾曲する。
z)を接地すると共に一対の電極(4×1及び(4x−
)に互いに逆極性の電圧±Vを印加すると、今度は円筒
(C)はX−Z面内で湾曲する。
(I[)第1T4極群(4)の各電極を接地して0z位
とする。
とする。
この状態で、第2電極群(5)の円筒(C)外周部の四
つの電極(5x”)、(5x−) 、(5y”)及び(
5y−)を接地して0z位とすると共に円筒(C)内周
部の電&(5z)に電圧±Vを印加すると、圧電素子(
2)はZ軸方向に δ2−±d x (L 2 / W ) X V ・
・・ [2]の変位で伸縮する。ただし、dは圧電素子
(2)の圧電歪定数である。
つの電極(5x”)、(5x−) 、(5y”)及び(
5y−)を接地して0z位とすると共に円筒(C)内周
部の電&(5z)に電圧±Vを印加すると、圧電素子(
2)はZ軸方向に δ2−±d x (L 2 / W ) X V ・
・・ [2]の変位で伸縮する。ただし、dは圧電素子
(2)の圧電歪定数である。
また、円筒(C)外周部の一対の電極(5x”)及び(
5x−)と円筒(C)内周部の電fi(5z)とを接地
すると共に円筒(C)外周部の一対のt N (5y”
)及び(5y−)に互いに逆極性の電圧±Vを印加する
と、電f!(5y”)と電1f(5z)との間及び電1
(5y−)と電極(5z)との間に位置する圧電材料が
Z軸方向において互いに逆向きに伸縮するので、円筒(
C)はY−Z面内で湾曲することになる。
5x−)と円筒(C)内周部の電fi(5z)とを接地
すると共に円筒(C)外周部の一対のt N (5y”
)及び(5y−)に互いに逆極性の電圧±Vを印加する
と、電f!(5y”)と電1f(5z)との間及び電1
(5y−)と電極(5z)との間に位置する圧電材料が
Z軸方向において互いに逆向きに伸縮するので、円筒(
C)はY−Z面内で湾曲することになる。
同様に、電1(5y”)、(5y−)及び(5Z)を接
地すると共に一対のZ N (5x”)及び(5x−)
に互いに逆極性の電圧上■を印加すると、今度は円筒(
C)はX−Z面内で湾曲する。
地すると共に一対のZ N (5x”)及び(5x−)
に互いに逆極性の電圧上■を印加すると、今度は円筒(
C)はX−Z面内で湾曲する。
従って、第1電極群(4)あるいは第2電極群(5)の
各電極に選択的に電圧を印加することにより、圧電素子
(2)の他端部(β)側に取り付けられた探針(6)を
三次元走査させることができる。ただし、上記の動作(
1)と(II)とでは次の点が異なる。すなわち、第1
電極群(4)の長さLl と第2電極群(5)の長さL
2が異なるので、第[[i群(4)に電圧±Vを印加し
た場合と第2電極群(5)に電圧上■を印加した場合の
円筒(C)の伸縮量には差が生じる。また、動作(I)
では円筒(C)の湾曲時に圧電素子(2)の一端部(α
)が固定点に、第1を極群(4)と第2電極群(5)の
間の隙間部(γ)が変位点になるのに対して、動作(I
f)では隙間部(γ)が固定点に、圧電素子(2)の他
端部(β)が変位点になる。従って、動作(1)と(I
I)とでは探針(6)のZ軸方向の走査感度(垂直恣度
)及びXY千圃面内の走査感度(水平感度)共に異なる
ことになる。
各電極に選択的に電圧を印加することにより、圧電素子
(2)の他端部(β)側に取り付けられた探針(6)を
三次元走査させることができる。ただし、上記の動作(
1)と(II)とでは次の点が異なる。すなわち、第1
電極群(4)の長さLl と第2電極群(5)の長さL
2が異なるので、第[[i群(4)に電圧±Vを印加し
た場合と第2電極群(5)に電圧上■を印加した場合の
円筒(C)の伸縮量には差が生じる。また、動作(I)
では円筒(C)の湾曲時に圧電素子(2)の一端部(α
)が固定点に、第1を極群(4)と第2電極群(5)の
間の隙間部(γ)が変位点になるのに対して、動作(I
f)では隙間部(γ)が固定点に、圧電素子(2)の他
端部(β)が変位点になる。従って、動作(1)と(I
I)とでは探針(6)のZ軸方向の走査感度(垂直恣度
)及びXY千圃面内の走査感度(水平感度)共に異なる
ことになる。
このように、この実施例によれば、第1電極群(4)と
第2電極群(5)のいずれに電圧を印加するかを運択す
るだけで、容易に走査感度を変えることができる。この
ため、一定の波形の電圧を供給する簡単且つ安価な電圧
供給装置を用いながらも、探針に観測の目的に合った動
きをさせることが可能となる。
第2電極群(5)のいずれに電圧を印加するかを運択す
るだけで、容易に走査感度を変えることができる。この
ため、一定の波形の電圧を供給する簡単且つ安価な電圧
供給装置を用いながらも、探針に観測の目的に合った動
きをさせることが可能となる。
次に、この発明の微動機構の第2実施例を第2図に示す
。
。
この実施例では、金属等の導体からなる直線状の細管(
7)が第2電極群(5)のうちの一つの電極の上あるい
は円筒(C)の外壁上に接着剤(8)により固定されて
いる。そして、細管(7)内に探針(6)が着脱自在に
挿入されている。探針(6)と細管(7)とは、互いに
機械的に接触することにより、電気的な接続がなされて
いる。従って、探針(6)の細管(7)内に挿入される
部分を予め少し曲げておけば、探針(6)の弾力性によ
って探針(6)と細管(7)との電気的な接続がより確
実なものとなる。
7)が第2電極群(5)のうちの一つの電極の上あるい
は円筒(C)の外壁上に接着剤(8)により固定されて
いる。そして、細管(7)内に探針(6)が着脱自在に
挿入されている。探針(6)と細管(7)とは、互いに
機械的に接触することにより、電気的な接続がなされて
いる。従って、探針(6)の細管(7)内に挿入される
部分を予め少し曲げておけば、探針(6)の弾力性によ
って探針(6)と細管(7)との電気的な接続がより確
実なものとなる。
この第2実施例のような構造とすることにより、使用さ
れて先端の傷ついた探針(6)を容易に新しい探針(6
)に交換することが可能となる。
れて先端の傷ついた探針(6)を容易に新しい探針(6
)に交換することが可能となる。
二こで、この第2実施例における微動機構の各部材の材
質及び寸法等を詳細に述べる。
質及び寸法等を詳細に述べる。
圧電素子(2)の材料としては、強誘電体のチタン酸鉛
(PbTiOs)と反強誘電体のジルコン酸鉛(PbZ
rQ*)との固溶体のうち、円筒形圧電素子として周囲
環境の変化に安定で且つ適切な機械的変位の電圧感度が
得られるように、キューり温度、クリープ特性、ヒステ
リシス特性及び圧電歪定数を考慮した混合比のものを用
いる。また、圧電素子く2)の寸法は、適切な機械的変
位が得られるよう圧電歪定数と関連させて決定する0例
えば、圧電歪定数d=−300X10−12精/■、キ
ューり温度的200℃のチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(
Zr−Ti)Os)を、内径10IIIl、外径121
11I11、厚さ1fflI11、長さ19mmの円筒
形状にして用いる。
(PbTiOs)と反強誘電体のジルコン酸鉛(PbZ
rQ*)との固溶体のうち、円筒形圧電素子として周囲
環境の変化に安定で且つ適切な機械的変位の電圧感度が
得られるように、キューり温度、クリープ特性、ヒステ
リシス特性及び圧電歪定数を考慮した混合比のものを用
いる。また、圧電素子く2)の寸法は、適切な機械的変
位が得られるよう圧電歪定数と関連させて決定する0例
えば、圧電歪定数d=−300X10−12精/■、キ
ューり温度的200℃のチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(
Zr−Ti)Os)を、内径10IIIl、外径121
11I11、厚さ1fflI11、長さ19mmの円筒
形状にして用いる。
電極手段(3)は、圧電素子(2)の円筒(C)の表面
上に銀の焼き付け、あるいはニッケルの無電解メツキの
より例えば厚さ3μ菌程度に形成される。
上に銀の焼き付け、あるいはニッケルの無電解メツキの
より例えば厚さ3μ菌程度に形成される。
第1電極群(4)を構成する各電極(4x+) 、(4
x”’)、(4y4″)u4y″′)及び(4z)はZ
軸方向の長さり、=12mmを有し、第2を極群(5)
を構成する各電極(5x”)、(5x−)、(5y”)
、(5y−)及び(5z)はZ軸方向の長さL 2 =
6 wb−を有している。また、円筒(C)外周部に
おいて四分割された第1電極群(4)の電極(4x”)
、 (4x−) 、 (4y”)及び(4y−)間の
間隔、第2電極群く5)の電極(5x”) 、(5x−
) 、(5y”)及び(5y−)間の間隔、及び第1電
極群(4)と第2電極群(5)との間隔はそれぞれ11
である。
x”’)、(4y4″)u4y″′)及び(4z)はZ
軸方向の長さり、=12mmを有し、第2を極群(5)
を構成する各電極(5x”)、(5x−)、(5y”)
、(5y−)及び(5z)はZ軸方向の長さL 2 =
6 wb−を有している。また、円筒(C)外周部に
おいて四分割された第1電極群(4)の電極(4x”)
、 (4x−) 、 (4y”)及び(4y−)間の
間隔、第2電極群く5)の電極(5x”) 、(5x−
) 、(5y”)及び(5y−)間の間隔、及び第1電
極群(4)と第2電極群(5)との間隔はそれぞれ11
である。
これら第1電極群(4)及び第2電極群(5)の各電極
にはそれぞれ直径0.2mmの銅線からなるリード線(
9)に一端が中性のヤニ入りハンダ(10)により接続
されている。また、これらリード線(9)の他端は図示
しない電圧供給装置に電気的に接続される。
にはそれぞれ直径0.2mmの銅線からなるリード線(
9)に一端が中性のヤニ入りハンダ(10)により接続
されている。また、これらリード線(9)の他端は図示
しない電圧供給装置に電気的に接続される。
本体(1)は、例えば温度30〜100℃での熱膨張係
数がZx 10−’/”C以下のインパール(Fe:6
4%、Ni:36%)あるいは温度30〜100℃での
熱膨張係数が1.3x 10−’/’C以下のスーパー
・インパール(Fe:63%、Ni:32%、Co :
5%)等を用いる。
数がZx 10−’/”C以下のインパール(Fe:6
4%、Ni:36%)あるいは温度30〜100℃での
熱膨張係数が1.3x 10−’/’C以下のスーパー
・インパール(Fe:63%、Ni:32%、Co :
5%)等を用いる。
この本体(1)上に圧電素子(2)を固定するための接
着剤(8)、及び細管(7)を第2電極群(5)のうち
の一つの電極の上あるいは円筒(C)の外壁上に固定す
るための接着剤(8)としては、例えば液たれを防止す
るために揺変性(thixotropic性)を備えた
エポキシ樹脂と、芳香族アミン系の硬化剤とを用いる。
着剤(8)、及び細管(7)を第2電極群(5)のうち
の一つの電極の上あるいは円筒(C)の外壁上に固定す
るための接着剤(8)としては、例えば液たれを防止す
るために揺変性(thixotropic性)を備えた
エポキシ樹脂と、芳香族アミン系の硬化剤とを用いる。
細管(7)の外周部には、例えば直径0.5mmの軟銅
線からなるトンネル電流測定導線(11)の一端が中性
のヤニ入りハンダ(10)により接続されている。この
トンネル電流測定導線(11)の他端は図示しないトン
ネル電流測定装置に電気的に接続される。
線からなるトンネル電流測定導線(11)の一端が中性
のヤニ入りハンダ(10)により接続されている。この
トンネル電流測定導線(11)の他端は図示しないトン
ネル電流測定装置に電気的に接続される。
探針(6)は直径0.25m+aのタングステン(W)
や白金・イリジウム(PL90%−■「10%)合金か
らなるワイヤの先端を機械加工あるいは電解研摩でとが
らせて用いる。
や白金・イリジウム(PL90%−■「10%)合金か
らなるワイヤの先端を機械加工あるいは電解研摩でとが
らせて用いる。
この実施例の動作を以下に述べる。
(I[I)第1電極群(4)のみを駆動させてみる。
第2電極群(5)の各電極を接地して0z位とする。こ
の状態で、第1電極群(4)の円筒(C)外周部の四つ
の電極(4x”) 、(4x−) 、(4y”)及び(
4y−)を接地して0z位とすると共に円筒(C)内周
部の電’FM (4z)に電圧上■を印加すると、[1
]式より圧電素子(2〉は3.6nm/Vの電圧感度で
2軸方向に伸縮する。
の状態で、第1電極群(4)の円筒(C)外周部の四つ
の電極(4x”) 、(4x−) 、(4y”)及び(
4y−)を接地して0z位とすると共に円筒(C)内周
部の電’FM (4z)に電圧上■を印加すると、[1
]式より圧電素子(2〉は3.6nm/Vの電圧感度で
2軸方向に伸縮する。
また、円筒(C)外周部の一対の電ai(4x”)及び
(4x−)と円筒(C)内周部の電極(4z)とを接地
すると共に円筒(C)外周部の一対の電!(4y”)及
び(4y−)に互いに逆極性の電圧±Vを印加すると、
電極(4y”)と電極(4Z)との間及び電極(4y−
)と電極(4Z)との間に位置する圧電材料がZ軸方向
において互いに逆向きに電圧感度3.6nm/Vで伸縮
する。その結果、円@(C)は一端部(α)を固定点、
第1電極群(4)と第2$極群(5)の間の隙間部(γ
)を変位点としてY−Z面内で湾曲することになる。
(4x−)と円筒(C)内周部の電極(4z)とを接地
すると共に円筒(C)外周部の一対の電!(4y”)及
び(4y−)に互いに逆極性の電圧±Vを印加すると、
電極(4y”)と電極(4Z)との間及び電極(4y−
)と電極(4Z)との間に位置する圧電材料がZ軸方向
において互いに逆向きに電圧感度3.6nm/Vで伸縮
する。その結果、円@(C)は一端部(α)を固定点、
第1電極群(4)と第2$極群(5)の間の隙間部(γ
)を変位点としてY−Z面内で湾曲することになる。
同様に、電極(4y”)、(4y−)及び(4z)を接
地すると共に一対の電極(4x”)及び(4x−)に互
いに逆極性の電圧上Vを印加すると、今度は円筒(C)
はX−Z面内で湾曲する。
地すると共に一対の電極(4x”)及び(4x−)に互
いに逆極性の電圧上Vを印加すると、今度は円筒(C)
はX−Z面内で湾曲する。
(lV)第2電極群(5)のみを駆動させてみる。
第1電極群(4)の各電極を接地して01位とする。こ
の状態で、第1電極群(5)の円筒(C)外周部の四つ
の電極(5xカ、(5x−)、(5y”)及び(5y−
)を接地して0z位とすると共に円筒(C)内周部の電
極(5z)に電圧上■を印加すると、[2〕式より圧電
素子(2)は1.8nm/Vの電圧感度でZ軸方向に伸
縮する。
の状態で、第1電極群(5)の円筒(C)外周部の四つ
の電極(5xカ、(5x−)、(5y”)及び(5y−
)を接地して0z位とすると共に円筒(C)内周部の電
極(5z)に電圧上■を印加すると、[2〕式より圧電
素子(2)は1.8nm/Vの電圧感度でZ軸方向に伸
縮する。
また、円筒(C)外周部の一対の電極(5x”)及び(
5x−)と円筒(C)内周部の電!(5z)とを接地す
ると共に円筒<C>外周部の一対の電極(5y”)及び
(5y−)に互いに逆極性の電圧上■を印加すると、電
極(5y”)と電極(5z)との間及び電極(5y−)
と電極(5z)との間に位置する圧電材料がZ軸方向に
おいて互いに逆向きに電圧感度1.8nm/Vで伸縮す
る。その結果、円筒(C)は第1電極群(4)と第2$
極群(5)の間の隙間部(γ)を固定点、他端部くβ)
を変位点としてY−Z面内で湾曲することになる。
5x−)と円筒(C)内周部の電!(5z)とを接地す
ると共に円筒<C>外周部の一対の電極(5y”)及び
(5y−)に互いに逆極性の電圧上■を印加すると、電
極(5y”)と電極(5z)との間及び電極(5y−)
と電極(5z)との間に位置する圧電材料がZ軸方向に
おいて互いに逆向きに電圧感度1.8nm/Vで伸縮す
る。その結果、円筒(C)は第1電極群(4)と第2$
極群(5)の間の隙間部(γ)を固定点、他端部くβ)
を変位点としてY−Z面内で湾曲することになる。
同様に、電極(5y”)、(5y−)及び(5z)を接
地すると共に一対の電極(5K”)及び(5x−)に互
いに逆極性の電圧上■を印加すると、今度は円筒(C)
はX−Z面内で湾曲する。
地すると共に一対の電極(5K”)及び(5x−)に互
いに逆極性の電圧上■を印加すると、今度は円筒(C)
はX−Z面内で湾曲する。
すなわち、第2電極群(5)を駆動させると、圧電素子
(2)は第1電極群(4)を駆動させた場合と同様に伸
縮あるいは湾曲するが、その電圧感度は1、/2どなる
。
(2)は第1電極群(4)を駆動させた場合と同様に伸
縮あるいは湾曲するが、その電圧感度は1、/2どなる
。
(V)第1電極群(4)及び第2電極群(5)の双方を
同時に駆動させてみる。
同時に駆動させてみる。
電1(4x“)と(5x”)、(4z)と(5Z)等の
ように、第1電極群(4)及び第2電極群く5)の相対
応する電極の電位を常に等しくさせた状態で、上記の動
作(I[[)あるいは(IV)と同様に各電極を駆動さ
せる。
ように、第1電極群(4)及び第2電極群く5)の相対
応する電極の電位を常に等しくさせた状態で、上記の動
作(I[[)あるいは(IV)と同様に各電極を駆動さ
せる。
この場合、動作(I[[)と(IV)とが同時に行なわ
れることになるので、圧電素子(2)は一端部(α)を
固定点、他端部(β)を変位点として、電圧感度5.4
0mハで伸縮・湾曲する。
れることになるので、圧電素子(2)は一端部(α)を
固定点、他端部(β)を変位点として、電圧感度5.4
0mハで伸縮・湾曲する。
以上の動作(III)〜(V)のように、第1電極群(
4)のみ駆動、第2電極群く5)のみ駆動、第1電極群
(11)及び第2電極群(5)の双方の駆動という三種
の駆動方法から一つを選択することにより、容易に圧電
素子(2)の走査3度を王道りに変化させることができ
る。従って、一定の波形の電圧を供給する簡単且つ安価
な電圧供給装置を用いながらも、一つの微動機構で三種
類の感度の観測が可能となる。
4)のみ駆動、第2電極群く5)のみ駆動、第1電極群
(11)及び第2電極群(5)の双方の駆動という三種
の駆動方法から一つを選択することにより、容易に圧電
素子(2)の走査3度を王道りに変化させることができ
る。従って、一定の波形の電圧を供給する簡単且つ安価
な電圧供給装置を用いながらも、一つの微動機構で三種
類の感度の観測が可能となる。
尚、この実施例では電極手段(3)を二つの電極部すな
わち第1電極群(4)と第2電極群(5)とに分割する
ことにより三種類の走査感度を実現したが、電極手段(
3)を圧電素子(2)の長手方向に沿って三種以上の互
いに長さの異なる電極部に分割すれば、より多くの種類
の走査感度を選択し得る微動機構が構成される。
わち第1電極群(4)と第2電極群(5)とに分割する
ことにより三種類の走査感度を実現したが、電極手段(
3)を圧電素子(2)の長手方向に沿って三種以上の互
いに長さの異なる電極部に分割すれば、より多くの種類
の走査感度を選択し得る微動機構が構成される。
本発明の第3実施例を第3図に示す。
この第3実施例では、圧電素子(2)の厚さがZ軸方向
に一様ではなく、圧電素子(2)の一端部(α)側と他
端部(β)側とで異なっている。圧電素子(2)は、例
えば圧電歪定数d=−300X 10−12m/Vの圧
電材料からなり、外径12mm、全長L9+IIn+の
円筒(C)を形成している。この圧電素子(2)の一端
部(α)側は長さ9II1mにわたって厚さW、=2m
m−他端部(β)側は長さ9mmにわたって厚さw 2
=11を有し、全長の中間部(γ)の長さ1mmのとこ
ろで厚さが変化している。
に一様ではなく、圧電素子(2)の一端部(α)側と他
端部(β)側とで異なっている。圧電素子(2)は、例
えば圧電歪定数d=−300X 10−12m/Vの圧
電材料からなり、外径12mm、全長L9+IIn+の
円筒(C)を形成している。この圧電素子(2)の一端
部(α)側は長さ9II1mにわたって厚さW、=2m
m−他端部(β)側は長さ9mmにわたって厚さw 2
=11を有し、全長の中間部(γ)の長さ1mmのとこ
ろで厚さが変化している。
このような圧電素子(2)の内周部及び外周部に、第1
図及び第2図の実施例と同様に圧電素子(2)の長手方
向に二分割された第1電極群(4)及び第2電極群(5
)が形成されている。ただし、第1電極群(4)の各電
極と第2電極群(5)の各$極は共にZ軸方向の長さL
=9mmを有している。すなわち、圧電素子(2)の厚
い(W 、 = 2■m)部分の内周部及び外周部に第
1電極群(4)が、薄い(W 2 = 1■)部分の内
周部及び外周部に第2電極群(5)が形成されている。
図及び第2図の実施例と同様に圧電素子(2)の長手方
向に二分割された第1電極群(4)及び第2電極群(5
)が形成されている。ただし、第1電極群(4)の各電
極と第2電極群(5)の各$極は共にZ軸方向の長さL
=9mmを有している。すなわち、圧電素子(2)の厚
い(W 、 = 2■m)部分の内周部及び外周部に第
1電極群(4)が、薄い(W 2 = 1■)部分の内
周部及び外周部に第2電極群(5)が形成されている。
これら第1電極群(4)及び第2電極群(5)はそれぞ
れ、円筒(C)の外周部に設けられると共に周に沿って
四分割された電極(4x”)、(4x−)、(4y”)
。
れ、円筒(C)の外周部に設けられると共に周に沿って
四分割された電極(4x”)、(4x−)、(4y”)
。
(4y−)及び(5x”L(5x−)、(5y”)u5
y−)と、円筒(C)の内周全周に設けられた電極(4
z)及び(5z) とから構成されている。また、円筒
(C)外周部において四分割された第1電極群(4)の
電極(4x”) 、 (4x”’) 、 (4y”)及
び(4y−)間の間隔、第2電極群(5)の電極(5K
”)、(5X−)、(5y″″)及び(5y−)間の間
隔、及び第1電極群(4)と第2電極群(5)との間隔
はそれぞれIIである。
y−)と、円筒(C)の内周全周に設けられた電極(4
z)及び(5z) とから構成されている。また、円筒
(C)外周部において四分割された第1電極群(4)の
電極(4x”) 、 (4x”’) 、 (4y”)及
び(4y−)間の間隔、第2電極群(5)の電極(5K
”)、(5X−)、(5y″″)及び(5y−)間の間
隔、及び第1電極群(4)と第2電極群(5)との間隔
はそれぞれIIである。
この実施例によれば、[1コ式あるいは[2]式より、
第1電極群(4)のみを駆動させた場合には1.35n
m/Vの電圧感度で、第2$極群(5)のみを駆動させ
た場合には2.7■m/Vの電圧感度で、第1電極群(
4)と第2電極群(5)の双方を駆動させた場合には4
.05n+s/Vの電圧感度でそれぞれ圧電素子(2)
が伸縮・湾曲する。
第1電極群(4)のみを駆動させた場合には1.35n
m/Vの電圧感度で、第2$極群(5)のみを駆動させ
た場合には2.7■m/Vの電圧感度で、第1電極群(
4)と第2電極群(5)の双方を駆動させた場合には4
.05n+s/Vの電圧感度でそれぞれ圧電素子(2)
が伸縮・湾曲する。
このように、圧電素子(2)の厚さをZ軸方向に二段階
に変化させることにより、三種類の走査感度を選択し得
る微動機構が構成される。
に変化させることにより、三種類の走査感度を選択し得
る微動機構が構成される。
また、この第3実施例では、圧電素子(2)の本体(1
)に固定される端部(α)側が厚く形成されているので
、圧電素子(2)と本体(1)との結合がより強固なも
のになる。
)に固定される端部(α)側が厚く形成されているので
、圧電素子(2)と本体(1)との結合がより強固なも
のになる。
尚、第1及び第2実施例のように第1電極群(4)と第
2電極群(5)の長さを異なったものとすると共に、こ
れら電極群がそれぞれ形成されている部分の圧電素子(
2)の厚さに違いを持たせても、同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。
2電極群(5)の長さを異なったものとすると共に、こ
れら電極群がそれぞれ形成されている部分の圧電素子(
2)の厚さに違いを持たせても、同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。
さらに、圧電素子(2)の厚さをZ軸方向に沿って三段
町以上に変化させ、それぞれの厚さの部分に電極を設け
れば、より多くの種類の走査感度を選択し得る微動機構
が構成される。
町以上に変化させ、それぞれの厚さの部分に電極を設け
れば、より多くの種類の走査感度を選択し得る微動機構
が構成される。
以上説明したようにこの発明に係るSTMの微動機構は
、R1’R本体と、円筒形に形成され、その一端が前記
機構本体に固定された圧電素子と、この圧電素子の他端
側に設けられた探針と、圧電素子の内壁上及び外壁上に
それぞれ設けられると共に圧電素子の長手方向にそって
複数の電極部に分割された電極手段とを備えているので
、この電極手段の複数の電極部に選択的に電圧を印加す
ることにより感度の異なる走査を行うことが可能となる
。
、R1’R本体と、円筒形に形成され、その一端が前記
機構本体に固定された圧電素子と、この圧電素子の他端
側に設けられた探針と、圧電素子の内壁上及び外壁上に
それぞれ設けられると共に圧電素子の長手方向にそって
複数の電極部に分割された電極手段とを備えているので
、この電極手段の複数の電極部に選択的に電圧を印加す
ることにより感度の異なる走査を行うことが可能となる
。
第1図はこの発明の第1実施例に係るSTMの微動機構
を示す一部破断斜視図、第2図はこの発明の第2実施例
を示す一部破断斜視図、第3図は第3実施例を示す一部
破断斜視図である。 図において、(1)は機構本体、(2)は圧電素子、(
3)は電極手段、(4)は第1電極群、(5)は第2電
極群、(6)は探針である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 第1図 Z 1;ノi−i 木! 2:斤′t、激子 3;電種手以 4:@1を神群 5“第2電極鮮 6:探針 第2図
を示す一部破断斜視図、第2図はこの発明の第2実施例
を示す一部破断斜視図、第3図は第3実施例を示す一部
破断斜視図である。 図において、(1)は機構本体、(2)は圧電素子、(
3)は電極手段、(4)は第1電極群、(5)は第2電
極群、(6)は探針である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 第1図 Z 1;ノi−i 木! 2:斤′t、激子 3;電種手以 4:@1を神群 5“第2電極鮮 6:探針 第2図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 機構本体と、 円筒形に形成され、その一端が前記機構本体に固定され
た圧電素子と、 前記圧電素子の他端側に設けられた探針と、前記圧電素
子の内壁上及び外壁上にそれぞれ設けられると共に前記
圧電素子の長手方向に沿って複数の電極部に分割された
電極手段と を備えたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡の微動
機構。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63116927A JPH0792462B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 |
| US07/233,741 US4945235A (en) | 1988-05-16 | 1988-08-19 | Fine adjustment mechanism for a scanning tunneling microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63116927A JPH0792462B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01287606A true JPH01287606A (ja) | 1989-11-20 |
| JPH0792462B2 JPH0792462B2 (ja) | 1995-10-09 |
Family
ID=14699131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63116927A Expired - Lifetime JPH0792462B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 走査型トンネル顕微鏡の微動機構 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4945235A (ja) |
| JP (1) | JPH0792462B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014006734A1 (ja) * | 2012-07-06 | 2014-01-09 | 株式会社日立製作所 | 力プローブ顕微鏡及び高さ分布測定方法 |
| WO2014041677A1 (ja) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | 株式会社日立製作所 | 力プローブ、計測装置及び計測方法 |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5015850A (en) * | 1989-06-20 | 1991-05-14 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Microfabricated microscope assembly |
| GB2235571B (en) * | 1989-06-26 | 1993-11-17 | Jeol Ltd | Scanning tunnelling microscope |
| GB8928952D0 (en) * | 1989-12-21 | 1990-02-28 | Queensgate Instr Ltd | Piezo-electric actuators |
| JP2891510B2 (ja) * | 1990-05-09 | 1999-05-17 | 日本電子株式会社 | 圧電素子駆動体 |
| JP2501945B2 (ja) * | 1990-08-28 | 1996-05-29 | 三菱電機株式会社 | 原子間力顕微鏡のカンチレバ―及びその製造方法 |
| JPH0758193B2 (ja) * | 1990-09-14 | 1995-06-21 | 三菱電機株式会社 | 原子間力顕微鏡の微動走査機構 |
| USD335888S (en) | 1990-12-03 | 1993-05-25 | Olympus Optical Co., Ltd. | Probe for a scanning tunneling microscope |
| US5200617A (en) * | 1991-05-02 | 1993-04-06 | Wyko Corporation | PMN translator and linearization system in scanning probe microscope |
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