JPH02176482A - スピン成極走査トンネリング顕微鏡 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は光学的に誘導させるスピンの成極によって、表
面の磁気的性質を調べるための走査トンネリング顕微鏡
に関する。

Ｂ、従来技術 走査トンネリング顕微鏡自体は一般に知られていて、ト
ンネル電流がトンネル尖端と検査されつつある表面間の
距離に強く依存することにより、表面の形状が原子レベ
ル迄調べられている。走査トンネリング顕微鏡の特徴の
要約については、１９８６年６月刊のＩＢＭ研究開発論
文集第３０巻、第４号、第３５５−３６９頁の、走査ト
ンネリング顕微鏡の発明者であるＧ、ビニッヒ及びＨ，
ローレルによる論文“走査トンネリング顕微鏡”（Ｇ。

Ｂｉｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｈ，Ｒｏｈａｒ、　　”Ｓｃ
ａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ
”、Ｉ　ＭＢ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅ５ｅａｒ
ｃｈ　ａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ、　Ｖｏｌ、　３
０．　Ｎａ４．　Ｊｕｌｙｌ　９８６．　ｐｐ。

３５５−３６９）に与えられている。この論文には１９
８６年迄に出版された関連文献の有用なカタログが与え
られている。

良く知られているように、走査トンネリング顕微鏡の尖
端は、トンネリング電流をモニタし、尖端と表面の距離
の予定値からの偏差に依存するフィードバック信号を与
えることによって、検査中の表面のフロフィールに密接
に追従する。このフィードバック信号を、整置の時間、
尖端の座標に対して対応させることによって、表面の形
状のイメージが発生されている。得られる分解能は単原
子の寸法の程度である。

同程度の分解能の定性的情報、即ち標本の表面の（もし
くは近くの）化学元素に関する情報はヨーロッパ特許（
ＥＰ）第Ａｌ−０１８９４９８号に開示されているタイ
プの、電界放出走査オージェ電子顕微鏡によって得るこ
とができる。鋭く収束された電界放出電子ビームによっ
て衝突された材料によって放出されるオージェ電子のエ
ネルギが、放出した元素の特性を表わしている。

しかしながら、走査トンネリング顕微鏡もオージェ電子
顕微鏡のどれも、標本の表面の磁気的性質について情報
は与えない。原子レベルに近い分解能で、表面の磁気現
象の検出を可能とする他の機器は今日知られていない。

パッケージ密度の高い記憶装置の研究と関連して、１９
８６年９月刊ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・ブ
レティン第３０巻、第４号第１８５８頁（Ｉ　Ｂ　Ｍ　
　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌ
ｌｅｔｉｎ、ＶＯＩ、　３０．　Ｎａ４．　Ｓｅｐｔｅ
ｍｂｅｒ１９８６．　ｐ１８５８）にはスピン成極モー
ドで動作するトンネルに尖端を仕様することが提案され
ている。この提案では、スピンの成極は、ＥｕＳもしく
はＥｕＯのような強磁性の半導体のａ層が被覆されたタ
ングステンの尖端を仕様することによって得られている
。これ等の材料の必要とする低温環境は、１９８７年１
２月刊のＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・プリテ
ン第３０巻第７号第１４０頁（Ｉ　Ｂ　Ｍ　　Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
、ＶＯＬ。

３０、　ＮＱ７．Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９８７．ｐ１４０
）の技術に従い、ホイスラー（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、
ＮｉＭｎＳｂもしくはＰｔＭｎＳｂ、もしくはＣｒＯ２
のような半金属の強磁性体を仕様することによって回避
されている。

スピンが成極した電子の電界放出については、１９７８
年５月刊フィジカル・レビュー・レターズ第４０巻第２
１．２２合併合号、第１４０１−１４０３頁のＭ、ラン
ドルト及びＹ、ヤフェットによる論文″単結晶の鉄表面
から電界放出される電子のスピン成極”　　（Ｍ、Ｌａ
ｎｄｏｌｔ　ａｎｄ　Ｙ、Ｙａｆｅｔ、”５ｐｉｎ−Ｐ
ｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ　
Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｔｔｅｄｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅ−Ｃ
ｒ’ｙｓｔａｌ　Ｉｒｏｎ　５ｕｒｆａｃｅｓ”、Ｐｈ
ｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、ＶＯｌ、４０．　＆２１．２
２．　Ｍａｙ　１９７８．　ｐｐ１４０１−１４０３）
にさらに説明されている。

この論文は特に、単結晶鉄の尖端の調製と特性を取扱っ
ている。しかしながら、この論文に説明された方法によ
ってｍｍできる尖端は、本発明に関連して使用できる尖
端と比較して、頂点で半径が約１０倍も大きい。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、スピン成極電子ビームが入射した点の
材料の磁気的性質を検出するのに、スピン成極を使用す
る走査トンネリング顕微鏡を与えることにある。

Ｄ１問題点を解決するための手段 本発明に従えば、検査すべき試料の表面に０゜１乃至１
０ｎｍの幅のギャップを置いて面するように配置される
トンネル尖端、該トンネル尖端を前記ギャップのところ
に位置付けて前記表面を横切ってラスタ走査するように
移動させるｘ　ｙ　ｚ　駆動装置及び前記ギャップの幅
を略一定に保持する電子回路を有する、スピン成極走査
トンネリング顕微鏡が与えられる０本発明の走査トンネ
リング顕微鏡は、前記トンネリング尖端と前記検査さる
べき試料が、少なくとも部分的に異なる材料より成り、
一方は磁性材料であり、他方は半導体材料より成ること
、偏光ビームを発生する光源が与えられて、前記偏光ビ
ームが前記トンネル尖端の頂点に最も近い、前記表面上
の点に入射するようになっていることで特徴付けられる
。

Ｅ、実施例 本発明は、半導体と磁性導電材料間の、光学的に方向が
定まるスピン成極電子によりトンネリング顕微鏡が実現
できるという認識に基づいている。

この認識には、スピン成極導電電子もしくは価電工孔が
含まれ、その成極ベクトルがトンネル障壁の一側にある
光学装置及び他側にある磁性材料によって変調できるこ
とが含まれる。期待される電流の大きさの程度の概念を
与えると、金の尖端と。

ガリウム・アーセナイドの（１１０）表面間で約１０ｎ
Ａの光励起トンネル電流が観測されている。

表面近くの材料の磁化の方向に夫々の方向が依存する、
スピン・アップ及びスピン・ダウン・トンネル電流間の
区別を最大にするために、磁性材料はほとんど完全に成
極していて、大きな表面交換分離（２１，ｅＶ）を有さ
なければならない、この条件は、たとえばＦｅ　（１０
０）と希土類化合物の場合に満足される。これ等の材料
の磁気的スピンは外部磁界によって配向できる。

成極電子源としては、一般に大きな価電子帯スピン・起
動分離及び長い拡散音を有する第ｍ−ｖ族、第１Ｉ−Ｉ
Ｖ−Ｖ族、第ｎ−ｍ−ｒｖ族の元素の化合物及び他の半
導体が好ましい。これ等の材料中ではアップもしくはダ
ウン状態のスピン成極電子は、右もしくは左円偏光によ
って導電帯に光励起できる。これについては、１９８４
年ノース・ホーランド社刊のＦ、マイエル及びＢ、Ｐ、
ザクハルケニア編“光配向“　（Ｆ、Ｍｅｉｅｒ　ａｎ
ｄ　１３．Ｐ、　Ｚａｋｈａｒｃｈｅｎｙａ　（ｅｄ）
　、“０ｐｔｉｃａｌ　０ｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ”、Ｎ
ｏｒｔｈ−１（ｏｌ、１ａｎｄ、Ｐ、　４８６　）を参
照されたい。

第■−■族化合物、代表的にはｐドープド・ガリウム・
アーセナイドと磁性トンネル尖端間のトンネル領域（障
壁）に関連する第２囲の概略的なエネルギ囲で、ｄは障
壁の幅、即ち尖端と表面的の距離、第ｍ−ｖ族化合物の
表面の仕上げ状態に大きく依存し、Ｏ乃至１ｅＶ（両端
は含む）の値を有するδ帯域のまがり、Ｌは空乏領域の
深さ（約５乃至１５ｎｍ）、Ｉｓｓは表面状態トンネ＋
　　　　− ルミ流、Ｉ　　、Ｉ　　は夫々右もしくは左偏光によっ
て励起されたトンネル電流、ＣＢは導電帯、Ｖ十　　　
　− ６，６偏光光子ビームの入射によって生じ十　　　　− るトンネル電流ＩＩ　　は非対称項 によって、強磁性材料の磁化と関連している。ここで、
工、は熱時励起による背景トンネル電流でであり、トン
ネル電圧が０のまわりの有限の範囲内で指数関数的に小
さくなるものである。工　はｂ＋ 励起光の偏光の回転方向とは無関係である。■■　だけ
でなくＩ、はともに表面状態の寄与工。

を含むことができ、工　はトンネル障壁の前に、半導体
の表面状態に落込む光励起電子によって変化できる。変
化した場合は、工１≠■−とＳ　　　　　　　　Ｓ なる、この効果は修正でき、トンネルの非対称性を増強
することもできる。ギャップを越える磁性尖端はフェル
ミ準位上に多数のスピン・アップ磁化によるエネルギを
有する。

スピン成極トンネリング中は、定電流もしくは一定の尖
端／試料距隔によって形状測定が可能であることに注意
されたい。

トンネル電流の非対称性は、試料及び尖端の両方のスピ
ン成極、並びに電位障壁を横切るスピン保存波動関数の
整合によるこれ等の結合から生ず十　　　　− る。基本的な問題は、ＩＩ　　の全スピン・アップ／ダ
ウン状態密度に対する比例性は一般に波動関数の整合に
よっては回復されないことが予想される。実際、磁性材
料内部の成極だけでなくこれ等の密度は波動関数のｄも
しくはｆ成分にょっ＋　　　　− て支配され、一方■　、Ｉ　は通常あまり成極していな
い波動関数の連部の重畳もしくは、良好な近似で適切に
重み付けられた状態密度の積にょって決定される。

後者は別個の測定、即ち半導体から逃れるスピン成極光
電子及び磁性材料からの逆光放出にょって夫々評価でき
る。非対称項ＡＴは積Ｐ０・Ｐｍｃｏｏθから評価でき
る。ただしＰ　はトンネリング領域に到達する導電電子
の成極、Ｐ　は磁性材料のフェルミ準位近くの空の磁気
状態ヘトンネリングする電子の成極であり、θはＰ　と
Ｐ　間Ｃｍ の角度である。光励起されるａ　　Ａ　　（１００）　
　　　Ｓ のＰ　の値をＰ　〜０．３と近似し、偏光単色分ＣＣ− 光測定によって決定される。たとえばＮ：　　（１１）
０）についてのＰ　をＰ　　錫０．５とすると、０ｍ　
　　　　　ｍ ＝Ｏの場合に次の値を得る。

ＡＴ＝０．　３Ｘ０．　５＝Ｏ１１５ （これについては、１９８６年刊磁気学及び磁性材料ジ
ャーナル第５４−５７巻、第６１７−６２１頁のり、Ｔ
、ピアス、Ａ、セイラ、Ｃ，Ｓ。

フライゲリ、Ｊ、Ｌ、ペーニャ及びＲ，Ｊ、セロツタに
よる論文″表面磁性及び電子構造体のスピン成極逆光放
出の研究”　（Ｄ　、　Ｔ　、　Ｐｉｅｒｃｅ　、　Ａ
　、　Ｓｅｉ　ｌｅｒ　。

Ｃ，Ｓ、Ｆｅｉｇｅｒｉｅ、Ｊ、Ｌ、Ｐｅｎａ　ａｎｄ
　Ｒ，Ｊ、　Ｃｅ１ｏｔｔａ　”５ｐｉｎＰｏｌａｒｉ
ｚｅｄ　　Ｉｎｖｅｒｓｅ　　Ｐｈｏｔｏｅｍｉｓｓｉ
ｏｎ　　５ｔｕｄｉｅｓ　　ｏｆ　　５ｕｒｆａｃｅ　
Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　
５ｔｒｕｃｔｕｒｅ”、Ｊｏｕｒｎ、　ｏｆ　Ｍａｇｎ
ａｔｉｓｍ　ａｎｄ　Ｍａｇｎ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ５
４−５７　（１９８６）ｐｐ、６１７−６２１）を参照
されたい。）Ｆｅ　（１００）の場合の対応する値はＰ
％０．２であるから、θ＝０として次の値が予期される
。

ＡＴ＝０．　３Ｘ０．　２＝０．　０６（これについて
は、１９８４年８月刊、フィジシカル・レビュー・レタ
ーズ第５３巻第６号第６１２−６１５頁のＪ、キルシュ
チー２Ｍ。グレーベル、■、ドース及びＨ，シェイドの
論文″強磁性鉄中の空帯域の波動ベクトル依存性の温度
の振舞い”　　（Ｊ、Ｋｉｒｓｃｈｎｅｒ、Ｍ、Ｇｌｏ
ｂｅｌ、Ｖ、Ｄｏｓｅ　ａｎｄ　Ｈ。

５ｃｈｅｉｄｔ“Ｗａｖｅ−Ｖｅｃｔｏｒ−Ｄｅｐｅｎ
ｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　　ｏ
ｆ　　Ｅｍｐｔｙ　　Ｂａｎｄｓ　　ｉｎ　　Ｆｅｒｒ
ｏｍａｇｎｅｔｉｃ　　Ｉｒｏｎ”。

Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、ＶＯｌ、　５３　、　Ｎ
ａ　６　、　Ａｕｇｕｓｔ　１９８４、ｐｐ、６１２　
６１５）を参照されたい。）これ等の関係は、第１図に
示した走査トンネリング顕微鏡に適用される。たとえば
、ガリウム・アルミニウム・アーセナイドＧａＡｌＡｓ
より成る基板２上に指示された、ｎもしくはｐドープド
・ガリウム・アーセナイドＧａＡｓのような半導体Ｍ１
に面して、磁性材料より成るトンネル尖端３が存在する
。ここで磁性材料としては、猫のひげ状の、鉄のような
磁性材料あるいはタングステンの尖端もしくは光学的に
透明な結晶上に蒸着された磁性材料を使用することがで
きる。

トンネル尖端３の性質に依存して、３つの動作モードが
考えられる。第１のモードでは、エネルギｈｖを有する
励起光ビーム４が裏面からトンネル尖端３に導入される
。これには明らかに、たとえば極めて薄い金属（たとえ
ば鉄）層５が被覆された結晶材料より成る光学的に透明
な尖端が必要である。この目的のために、鉄層５の厚さ
は比較的強いレーザ・ビームに透明であるように選択さ
れる。半導体層１及び尖端３間に接続された電圧源すは
ギャップ７にまたがって必要なトンネリング電圧を与え
る。この構成により、半導体層の表面上の、固有のもし
くは欠陥に関連する表面状態、階数、吸着物等が観察で
きる。

本発明に関連して使用されるレーザ光ビームの最適波長
は使用する半導体の化学的性質に依存する＠　Ａ　Ｑ　
　Ｇ　ａ　　　　Ａ　ｓもしは＜ＧａＡｓ　ｘ１−ｘ Ｐ　　　の場合には、波長人は６２０ｎｍ≦入≦−ｘ ８２０ｎｍの間になければならない。

第３図は第１図と実質的に同じ構造を示すが、励起用光
ビームは８で示すように半導体層１（及びもしくは存在
する時は基板２）を通して下から照射されるか、あるい
は９で示すように垂線と角度θをなして半導体層１の表
面上に入射する点で異なっている。

代替構造を第４図に示す。尖端１０は、たとえばガラス
のような光学的に透明な材料より成り、ガリウム・アー
セナイドの薄層１１が被覆されている。尖端１０は基板
１４上に被覆された磁性薄膜１３のような磁性媒体１２
の表面近くに置かれている。

再び、上述のように３つの動作モードが存在し、光エネ
ルギｈｖは夫々（１）裏面から尖端１０を通して、（２
）の側面から角度θで及び（３）磁性薄膜１３の下から
供給される。これ等の３つのモードのどの１つによって
も、磁性表面のドメイン構造が先例のない分解能で検査
できる。

この光学的配向の重要な利点は、スピン成極ベクトルＰ
。の方向が光ビームの入射角θによってだけでなく、励
起用光の旋回性によっても制御できる点にある。Ｐｏを
磁性表面に垂直に配向するためには、尖端１０を通す、
もしくは平坦な表面を通す光励起が必要である。すべて
の場合について、制御パラメータの急速な変調が、位相
感知検出とともに必要である。

第５図は本発明に従う走査トンネリング顕微鏡を構成す
る部品及び回路のブロック図である。トンネル尖端１５
はフレーム１７に固定されたｘｙｚ関動装動装置１６っ
て位置が制御される。フレーム１７上の台１８上には検
査すべき試料１９が置かれている。一般に知られている
ように、ｘｙｚｌｌｉ動装置１６は、通常のＳＴＭ　（
走査トンネリング顕微鏡）の電子装置２０によって、尖
端１５と試料１９の表面間の距離が一定に保たれるよう
にトンネル尖端１５の試料１９に関する相対位置を制御
する。

第５図に示した実施例では、尖端１５は透明なタイプの
ものであり、従って円偏光ビーム２１は尖端１５の背面
から尖端１５に入射されている。

この光ビームはレーザ２２によって発生され、変調器２
３を介し、波形発生器２４から受取られる信号に従って
右もしくは左円偏光にされたものである。レンズ及び鎖
糸２５は光ビームをトンネル尖端１５の背面に指向する
働きを有する。

波形発生器２４には又位相感知検出器２６が接続されて
いて、検出器１５はトンネル尖端１５から第２の入力信
号を受取る。検出器２６の機能はゲート装置もしくはデ
ィジタル電子装置によっても遂行できる１表示装置２７
はＳＴＭ電子装置２０及び位相感知検出器２６に接続さ
れている。

本発明は走査トンネリング顕微鏡の特徴を利用するもの
であるが、尖端１５と試料１９間の距雅が増大すると、
トンネリング現象が停止し、装置は電界放出モードに入
ることは明らかであろう。

本発明を電界放出顕微鏡及び通常のトンネリング顕微鏡
の動作モードで動作してみて、原子寸法から、１乃至１
０ｎｍ間の磁気的特徴の面分解能が達成されることがわ
かった。

Ｆ１発明の効果 本発明に従えば、スピン成極電子ビームが入射した点の
材料の磁気的性質を検出するのに、スピン成極を使用す
る走査トンネリング顕微鏡が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１、第３、第４図は、本発明に従うトンネリング顕微
鏡の３つの実施例の図である。第２図は、ｐドープドＧ
ａＡｓ試料と磁性尖端のためのトンネル領域近傍の概略
的エネルギ図である。 第５図は１本発明に従う走査トンネリング顕微鏡を構成
する部品のブロック図である。 １・・・半導体層、２．１４・・・基板、３．１０．１
５・・・トンネル尖端、４．８．９・・・光ビーム、５
・・・金属溜、６・・・電圧源、７・・・ギャップ、１
２．１９・・・試料、１３・・・磁性薄膜、１６・・・
ｘｙｚ駆動装置、２ｏ・・・ＳＴＭ電子装置、２２・・
・レーザ、２３・・・変調器、２４・・・波形発生器、
２５・・・レンズ及び鎖糸、２６・・・位相感知検出器
、２７・・・表示装置。 ３−−一　トンキｌし尖匈恰 ６−・電圧５原 ７“−”キ等ツフ０ 第２図 第Ｓ図 ８．９−・光ビーム 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ０．１乃至１０ｎｍのギャップをへだてて、検査すべき
   試料の表面に面するように配置されるトンネル尖端、前
   記トンネル尖端を前記ギャップのところに位置付けて前
   記表面を横切って前記トンネル尖端をラスタ走査させる
   ｘｙｚ駆動装置、及び前記ギャップの幅を略一定に保持
   するための電子装置を有し、 （イ）前記トンネル尖端及び前記試料は少なくとも部分
   的に異なった材料より成り、材料の一方は極性材料で、
   他方は半導体材料であること。 （ロ）円偏光ビームを放出する光源が与えられ、前記円
   偏光ビームは前記トンネル尖端の頂点に最も近い点で前
   記試料の表面に入射するようにされていること、 を特徴とするスピン成極走査トンネリング顕微鏡。