JPH03110402A - 表面観察方法及び表面観察装置 - Google Patents
表面観察方法及び表面観察装置Info
- Publication number
- JPH03110402A JPH03110402A JP24633489A JP24633489A JPH03110402A JP H03110402 A JPH03110402 A JP H03110402A JP 24633489 A JP24633489 A JP 24633489A JP 24633489 A JP24633489 A JP 24633489A JP H03110402 A JPH03110402 A JP H03110402A
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- Japan
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- voltage
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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〉
本発明は表面観察方法及び表面観察装置に関し、トンネ
ル電流を検知して原子レベル(数人)の凹凸を測定する
S T M (ScanningTunneling
MIcroscope)の技術を応用したもので、トン
ネル電流のバイアス電圧依存性が物質表面の電子状態、
或いは分子振動周波数によって変化することに着目し、
特に試料表面の電子状態差等を良好に観察し得ろよう工
夫したものである。
ル電流を検知して原子レベル(数人)の凹凸を測定する
S T M (ScanningTunneling
MIcroscope)の技術を応用したもので、トン
ネル電流のバイアス電圧依存性が物質表面の電子状態、
或いは分子振動周波数によって変化することに着目し、
特に試料表面の電子状態差等を良好に観察し得ろよう工
夫したものである。
〈従来の技術〉
STMは、直流のバイアス電圧の印加により探針の尖っ
た先端と試料間に流れろトンネル電流を利用し、試料の
表面と平行な方向及び試料の表面と垂直な方向の探針の
移動を制御し乍ら試料表面の原子レベルの凹凸及び電子
状態の差異の分布を検出し得ろようにしたものである。
た先端と試料間に流れろトンネル電流を利用し、試料の
表面と平行な方向及び試料の表面と垂直な方向の探針の
移動を制御し乍ら試料表面の原子レベルの凹凸及び電子
状態の差異の分布を検出し得ろようにしたものである。
かかるSTMにおける測定は、試料表面を探針でスキャ
ンする際に、探針と試料との間のバイアス電圧を一定に
保ちつつ行なっている。この際、トンネル電流が一定に
なるように探針の上下動にサーボをかけ、その駆動電圧
をモニタするか、或いはサーボを殆んどかけないでトン
ネル電流の変化を観察することによって試料表面の凹凸
を観測している。これは、トンネル電流量が探針と試料
間の距離に非常に敏感であるという特性に着目してこれ
を利用したものである。
ンする際に、探針と試料との間のバイアス電圧を一定に
保ちつつ行なっている。この際、トンネル電流が一定に
なるように探針の上下動にサーボをかけ、その駆動電圧
をモニタするか、或いはサーボを殆んどかけないでトン
ネル電流の変化を観察することによって試料表面の凹凸
を観測している。これは、トンネル電流量が探針と試料
間の距離に非常に敏感であるという特性に着目してこれ
を利用したものである。
一方、異なるバイアス電圧で試料表面の状態を測定する
と異なる像が得られる場合がある。これは、トンネル電
流が試料や探針の電子状態によっても影響されろことを
示している。
と異なる像が得られる場合がある。これは、トンネル電
流が試料や探針の電子状態によっても影響されろことを
示している。
〈発明が解決しようとする課題〉
上述の如く、異なるバイアス電圧で測定した試料表面の
状態を測定した場合、試料表面の電子状態等の差異によ
り得られろ像が異なる場合があるが、異なるバイアス電
圧で測定した試料表面の状態に基づき試料表面の電子状
態を検出しようとしても、異なるバイアス電圧で得られ
る二つの像の差異が大きくはないことに起因し、二つの
像の差分をとってもS/N比が悪くな9、また二つの像
を得ろ間に試料と探針の相対位置が変化してしまうと差
分を取ることができなくなってしまう。したがって、従
来技術は試料の表面の電子状態等を観察する手段として
は不備がある。
状態を測定した場合、試料表面の電子状態等の差異によ
り得られろ像が異なる場合があるが、異なるバイアス電
圧で測定した試料表面の状態に基づき試料表面の電子状
態を検出しようとしても、異なるバイアス電圧で得られ
る二つの像の差異が大きくはないことに起因し、二つの
像の差分をとってもS/N比が悪くな9、また二つの像
を得ろ間に試料と探針の相対位置が変化してしまうと差
分を取ることができなくなってしまう。したがって、従
来技術は試料の表面の電子状態等を観察する手段として
は不備がある。
一方、直接、試料表面の電子状態の違いに着目した観察
手段としてSTS (Scanning Tunnel
ingSpectroscopy )がある。このS
TSは、探針が試料表面を走査する際に、時折、走査・
サーボを停止し、各点での電流・電圧特性を測定するも
のである。したがって、このSTSによれば、試料の凹
凸のみならず電子状態の違いを検出することができる。
手段としてSTS (Scanning Tunnel
ingSpectroscopy )がある。このS
TSは、探針が試料表面を走査する際に、時折、走査・
サーボを停止し、各点での電流・電圧特性を測定するも
のである。したがって、このSTSによれば、試料の凹
凸のみならず電子状態の違いを検出することができる。
ところが、このSTSは大量のメモリ空間を必要とする
ばかりでなく、ノイズに対して弱いという問題がある。
ばかりでなく、ノイズに対して弱いという問題がある。
本発明は、上記従来技術に鑑み、ノイズ君こ強<、シか
もSTSに較べて小さなメモリ空間しか必要としないで
、測定したい資料表面の電子状態、或いは分子振動周波
数の違いを像として捉えることを可能にする表面観察方
法及び表面観察装置を提供することを目的とする。
もSTSに較べて小さなメモリ空間しか必要としないで
、測定したい資料表面の電子状態、或いは分子振動周波
数の違いを像として捉えることを可能にする表面観察方
法及び表面観察装置を提供することを目的とする。
く課題を解決するための手段〉
上記目的を達成する本発明の構成は、
直流のバイアス電圧の印加により探針の尖った先端と試
料間に流れるトンネル電流を利用し、試料の表面と平行
な方向及び試料の表面と垂直な方向の探針の移動を制御
し乍ら試料表面の原子レベルの凹凸及び電子状態の差異
の分布を検出する表面観察方法において、(1)前記バ
イアス電圧に交流電圧を重畳すること、 (2)前記(1)において、 試料の表面に垂直な方向の探針の移動 を制御する制御系のカットオフ周波数を交流電圧の周波
数より小さ(するとともに、探針が試料の表面の凹凸に
起因するトンネル電流の変化に追従してこのトンネル電
流を一定に保つよう試料の表面と平行な方向の走査速度
と探針の垂直方向の移動を制御する前記制御系の特性と
の関係を決定するようにしたこと、 前記(2)において、 トンネル電流のうち交流電圧と同周波 数の成分の振幅の試料表面におけろ位置依存性を検出す
ること、 前記(3)において、 トンネル電流のうち交流電圧の周波数 の2倍の周波数の成分の振幅の試料表面における位置依
存性を検出すること、及(3) (4) (5)発振器が発振する交流電圧を直流のバイアス電圧
に重畳する加算器と、前記発振器が発振する交流電圧に
基づく交流信号を参照信号とし、またトンネル電流に基
づく信号を入力信号とするロックインアンプとを有する
ことを特徴とする。
料間に流れるトンネル電流を利用し、試料の表面と平行
な方向及び試料の表面と垂直な方向の探針の移動を制御
し乍ら試料表面の原子レベルの凹凸及び電子状態の差異
の分布を検出する表面観察方法において、(1)前記バ
イアス電圧に交流電圧を重畳すること、 (2)前記(1)において、 試料の表面に垂直な方向の探針の移動 を制御する制御系のカットオフ周波数を交流電圧の周波
数より小さ(するとともに、探針が試料の表面の凹凸に
起因するトンネル電流の変化に追従してこのトンネル電
流を一定に保つよう試料の表面と平行な方向の走査速度
と探針の垂直方向の移動を制御する前記制御系の特性と
の関係を決定するようにしたこと、 前記(2)において、 トンネル電流のうち交流電圧と同周波 数の成分の振幅の試料表面におけろ位置依存性を検出す
ること、 前記(3)において、 トンネル電流のうち交流電圧の周波数 の2倍の周波数の成分の振幅の試料表面における位置依
存性を検出すること、及(3) (4) (5)発振器が発振する交流電圧を直流のバイアス電圧
に重畳する加算器と、前記発振器が発振する交流電圧に
基づく交流信号を参照信号とし、またトンネル電流に基
づく信号を入力信号とするロックインアンプとを有する
ことを特徴とする。
用〉
上記構成の本発明において、トンネル電流■は次式で表
わされろ。
わされろ。
く作
但し、v0=直流のバイアス電圧、vrxωt=交流電
圧上式において、バイアス電圧■。に重畳する交流電圧
vabωtと同周波数成分の振幅は、トンネルコンダク
タンスを示すが、この値は試料表面の電子状態密度を反
映している。また、2倍周波数成分の振幅は、分子振動
によるトンネル電流の非弾性散乱を反映している。
圧上式において、バイアス電圧■。に重畳する交流電圧
vabωtと同周波数成分の振幅は、トンネルコンダク
タンスを示すが、この値は試料表面の電子状態密度を反
映している。また、2倍周波数成分の振幅は、分子振動
によるトンネル電流の非弾性散乱を反映している。
く実 施 例〉
以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
第1図は本発明の実施例に係る表面観察装置を示すブロ
ック線図である。同図中、1は16ビツトのマイクロコ
ンピュータ、2は12ビツトのD/A変換器、3は12
ビツトのA/D変換器、4は発振器、5はロックインア
ンプ、6a、6b、6cは圧電アクチュエータ駆動用の
高電圧アンプ、7は平均トンネル電流設定用のリニアア
ンプ、8はトンネル電流測定用の高入力インピーダンス
FET型アンプ、9はPI制御回路、10は抵抗器、1
1は圧電アクチュエータ、12は探針、13は試料、1
4は可変抵抗器、15は直流電源、16は加算器、17
は直流のバイアス電圧源、18 a、 18 b、 1
8 cはボルテージ7オaワ用のオペアンプである。
ック線図である。同図中、1は16ビツトのマイクロコ
ンピュータ、2は12ビツトのD/A変換器、3は12
ビツトのA/D変換器、4は発振器、5はロックインア
ンプ、6a、6b、6cは圧電アクチュエータ駆動用の
高電圧アンプ、7は平均トンネル電流設定用のリニアア
ンプ、8はトンネル電流測定用の高入力インピーダンス
FET型アンプ、9はPI制御回路、10は抵抗器、1
1は圧電アクチュエータ、12は探針、13は試料、1
4は可変抵抗器、15は直流電源、16は加算器、17
は直流のバイアス電圧源、18 a、 18 b、 1
8 cはボルテージ7オaワ用のオペアンプである。
これらのうち圧電アクチュエータ11は、マイクロコン
ピュータ1からD/A変換器2を介して供給される情報
により探jt12を試料13の表面と平行な面(xy平
面)上で移動させ、探針12に試料13の表面を走査さ
せろ。探針12と試料13間には、バイアス電圧源17
による直流バイアス電圧とともにこのバイアス電圧に重
畳した交流電圧が印加される。交流電圧は発振器4によ
り供給され加算器16でバイアス電圧に重畳される。リ
ニアアンプ7は、抵抗器10で電圧に変換され且つアン
プ8で増幅されたトンネル電流値を表わすトンネル電流
信号と、可変抵抗器14及び直流電源15で形成する平
均トンネル電流設定語に設定された平均トンネル電流値
とを比較し、両者の差に応じた偏差信号をPI制御回路
9に送出する。PI制御回路9は前記偏差信号を小さく
するよう圧電アクチュエータ11に電圧を印加し、探針
12を試料13の表面に垂直な方向(Z軸方向)に移動
させて平均トンネル電流が前記平均トンネル電流設定器
に設定された一定値になるように制御する。
ピュータ1からD/A変換器2を介して供給される情報
により探jt12を試料13の表面と平行な面(xy平
面)上で移動させ、探針12に試料13の表面を走査さ
せろ。探針12と試料13間には、バイアス電圧源17
による直流バイアス電圧とともにこのバイアス電圧に重
畳した交流電圧が印加される。交流電圧は発振器4によ
り供給され加算器16でバイアス電圧に重畳される。リ
ニアアンプ7は、抵抗器10で電圧に変換され且つアン
プ8で増幅されたトンネル電流値を表わすトンネル電流
信号と、可変抵抗器14及び直流電源15で形成する平
均トンネル電流設定語に設定された平均トンネル電流値
とを比較し、両者の差に応じた偏差信号をPI制御回路
9に送出する。PI制御回路9は前記偏差信号を小さく
するよう圧電アクチュエータ11に電圧を印加し、探針
12を試料13の表面に垂直な方向(Z軸方向)に移動
させて平均トンネル電流が前記平均トンネル電流設定器
に設定された一定値になるように制御する。
このとき、探針12のZ軸方向の移動を制御する制御系
、即ち7ンプ8,7,6c及びPI制御回路9と圧電ア
クチュエータ11とで構成する制御系のカットオフ周波
数を交流電圧の周波数より小さくしている。このことに
より探針12のZ軸方向の移動に関しては交流電圧を重
畳した影響を除去し得る。同時に、探針12が試料13
の表面の凹凸に起因するトンネル電流の変化に追従して
このトンネル電流を一定に保つよう、探針12により試
料13の表面の走査速度と探針12の2軸方向の移動を
*J姉する前記制御系の特性との関係が°決定されてい
る。
、即ち7ンプ8,7,6c及びPI制御回路9と圧電ア
クチュエータ11とで構成する制御系のカットオフ周波
数を交流電圧の周波数より小さくしている。このことに
より探針12のZ軸方向の移動に関しては交流電圧を重
畳した影響を除去し得る。同時に、探針12が試料13
の表面の凹凸に起因するトンネル電流の変化に追従して
このトンネル電流を一定に保つよう、探針12により試
料13の表面の走査速度と探針12の2軸方向の移動を
*J姉する前記制御系の特性との関係が°決定されてい
る。
ロックインアンプ5は、発振器4が供給する交流電圧に
基づくこの交流電圧と同周波数の信号と2倍の周波数の
信号とを参照信号S、、とするとともに、トンネル電流
信号を入力信号S Inとするものである。かくして、
ロックインアンプ5の出力信号S。utば、トンネル電
流信号のうちバイアス電圧に重畳する交流電圧と同周波
数成分及びこの交流電圧の2倍の周波数成分の振幅を表
わす信号となる。
基づくこの交流電圧と同周波数の信号と2倍の周波数の
信号とを参照信号S、、とするとともに、トンネル電流
信号を入力信号S Inとするものである。かくして、
ロックインアンプ5の出力信号S。utば、トンネル電
流信号のうちバイアス電圧に重畳する交流電圧と同周波
数成分及びこの交流電圧の2倍の周波数成分の振幅を表
わす信号となる。
更に、Pi制御回路9が圧電アクチュエータに供給する
電圧信号S、は、アンプ19及びA/D変換変換分3し
てマイクロコンピュータ1に入力される。この電圧信号
S−よ平均トンネル電流値を一定に保持するよう圧電ア
クチュエータ11に印加されて探針12をZ軸方向に移
動させる信号であり、試料13の表面の凹凸形状を反映
している。
電圧信号S、は、アンプ19及びA/D変換変換分3し
てマイクロコンピュータ1に入力される。この電圧信号
S−よ平均トンネル電流値を一定に保持するよう圧電ア
クチュエータ11に印加されて探針12をZ軸方向に移
動させる信号であり、試料13の表面の凹凸形状を反映
している。
上記実施例において、探針12と試料13間にはバイア
ス電圧に交流電圧を重畳した電圧が印加される。一方、
探針12と試料13間は平均トンネル電流が一定になる
ように制御される。このとき、交流電圧の周波数成分に
より探針12がZ軸方向に振動することはない。したが
って、上記実施例におけろトンネル電流信号Iは次式で
表わされる。
ス電圧に交流電圧を重畳した電圧が印加される。一方、
探針12と試料13間は平均トンネル電流が一定になる
ように制御される。このとき、交流電圧の周波数成分に
より探針12がZ軸方向に振動することはない。したが
って、上記実施例におけろトンネル電流信号Iは次式で
表わされる。
但し、v0=バイアス電圧、VC&Oωt=交流電圧上
式において、交流電圧(vcaoωt)と同周波数の成
分の振幅は、トンネルコンダクタンスを示すが、この値
は試料13の表面の電子状態密度を反映している。また
、2倍の周波数成分の振幅は、分子振動によるトンネル
電流の非弾性散乱を反映している。したがって、ロック
インアンプ5の出力信号S、ユをA/D変換器3を介し
てマイクロコンピユータ1に取り込み、この情報に基づ
き可視化した像は試料13の表面の結晶と非結晶質の間
の電子状態差を表わすものとなる。
式において、交流電圧(vcaoωt)と同周波数の成
分の振幅は、トンネルコンダクタンスを示すが、この値
は試料13の表面の電子状態密度を反映している。また
、2倍の周波数成分の振幅は、分子振動によるトンネル
電流の非弾性散乱を反映している。したがって、ロック
インアンプ5の出力信号S、ユをA/D変換器3を介し
てマイクロコンピユータ1に取り込み、この情報に基づ
き可視化した像は試料13の表面の結晶と非結晶質の間
の電子状態差を表わすものとなる。
試料13として、5bTr相変化相変化型光ディスク弁
晶質マークを記録した部位を、平均トンネル電流1nA
1平均バイアス電圧80mV1電圧振幅40 mV 、
周波数1&&にて、約3μm四方を測定した結果を第2
図に示す。
晶質マークを記録した部位を、平均トンネル電流1nA
1平均バイアス電圧80mV1電圧振幅40 mV 、
周波数1&&にて、約3μm四方を測定した結果を第2
図に示す。
第2図は、電流振幅の大きいところを明るく、小さいと
ころを暗く示したもので、128×128のドツトから
なる。写真内に比較的明るい三個の円が見えるが、円内
は非晶質、円外は結晶を示す。
ころを暗く示したもので、128×128のドツトから
なる。写真内に比較的明るい三個の円が見えるが、円内
は非晶質、円外は結晶を示す。
〈発明の効果〉
思上実施例とともに具体的に説明したように、本発明に
よれば、探針と試料間に印加するバイアス電圧に交流電
圧を重畳しているので、トンネル電流の特定周波数成分
の振幅が電子状態差を情報として含むものとなり、した
がって前記振幅を抽出することにより前記電子状態差を
容易に可視化することができる。
よれば、探針と試料間に印加するバイアス電圧に交流電
圧を重畳しているので、トンネル電流の特定周波数成分
の振幅が電子状態差を情報として含むものとなり、した
がって前記振幅を抽出することにより前記電子状態差を
容易に可視化することができる。
特に、前記振幅の抽出はロックインアンプで行なうので
ノイズの影響を殆んど受けない。
ノイズの影響を殆んど受けない。
第1図は本発明の実施例に係る装置を示すブロック線図
、第2図は第1図に示す装置により得られた試料表面の
状態を示す顕微鏡写真である。 図 面 中、 4は発振器、 5はロックインアンプ、 12は探針、 13は試料、 16は加算器である。 特 許 出 願 人 日本電信電話株式会社 代 理 人
、第2図は第1図に示す装置により得られた試料表面の
状態を示す顕微鏡写真である。 図 面 中、 4は発振器、 5はロックインアンプ、 12は探針、 13は試料、 16は加算器である。 特 許 出 願 人 日本電信電話株式会社 代 理 人
Claims (5)
- (1)直流のバイアス電圧の印加により探針の尖った先
端と試料間に流れるトンネル電流を利用し、試料の表面
と平行な方向及び試料の表面と垂直な方向の探針の移動
を制御し乍ら試料表面の原子レベルの凹凸及び電子状態
の差異の分布を検出する表面観察方法において、前記バ
イアス電圧に交流電圧を重畳するこ とを特徴とする表面観察方法。 - (2)特許請求の範囲第1項において、 試料の表面に垂直な方向の探針の移動を制御する制御系
のカットオフ周波数を交流電圧の周波数より小さくする
とともに、探針が試料の表面の凹凸に起因するトンネル
電流の変化に追従してこのトンネル電流を一定に保つよ
う試料の表面と平行な方向の走査速度と探針の垂直方向
の移動を制御する前記制御系の特性との関係を決定する
ようにしたことを特徴とする表面観察方法。 - (3)特許請求の範囲第2項において、 トンネル電流のうち交流電圧と同周波数の成分の振幅の
試料表面における位置依存性を検出することを特徴とす
る表面観察方法。 - (4)特許請求の範囲第2項において、 トンネル電流のうち交流電圧の周波数の2倍の周波数の
成分の振幅の試料表面における位置依存性を検出するこ
とを特徴とする表面観察方法。 - (5)直流のバイアス電圧の印加により探針の尖った先
端と試料間に流れるトンネル電流を利用し、試料の表面
と平行な方向及び試料の表面と垂直な方向の探針の移動
を制御し乍ら試料表面の原子レベルの凹凸及び電子状態
の差異の分布を検出する表面観察装置において、発振器
が発振する交流電圧を直流のバイアス電圧に重畳する加
算器と、前記発振器が発振する交流電圧に基づく交流信
号を参照信号とし、またトンネル電流に基づく信号を入
力信号とするロックインアンプとを有することを特徴と
する表面観察装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24633489A JPH03110402A (ja) | 1989-09-25 | 1989-09-25 | 表面観察方法及び表面観察装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24633489A JPH03110402A (ja) | 1989-09-25 | 1989-09-25 | 表面観察方法及び表面観察装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03110402A true JPH03110402A (ja) | 1991-05-10 |
Family
ID=17147021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24633489A Pending JPH03110402A (ja) | 1989-09-25 | 1989-09-25 | 表面観察方法及び表面観察装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03110402A (ja) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63142202A (ja) * | 1986-12-05 | 1988-06-14 | Fujitsu Ltd | 高周波トンネル顕微鏡 |
| JPH01203905A (ja) * | 1988-02-10 | 1989-08-16 | Seiko Instr & Electron Ltd | トンネル領域検出装置 |
| JPH02216001A (ja) * | 1989-02-17 | 1990-08-28 | Hitachi Ltd | 走査型トンネル音響顕微鏡 |
| JPH0343944A (ja) * | 1989-07-11 | 1991-02-25 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法 |
-
1989
- 1989-09-25 JP JP24633489A patent/JPH03110402A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63142202A (ja) * | 1986-12-05 | 1988-06-14 | Fujitsu Ltd | 高周波トンネル顕微鏡 |
| JPH01203905A (ja) * | 1988-02-10 | 1989-08-16 | Seiko Instr & Electron Ltd | トンネル領域検出装置 |
| JPH02216001A (ja) * | 1989-02-17 | 1990-08-28 | Hitachi Ltd | 走査型トンネル音響顕微鏡 |
| JPH0343944A (ja) * | 1989-07-11 | 1991-02-25 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型分光顕微鏡及び走査型分光情報検出方法 |
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