JPH03221801A - 走査トンネル顕微鏡 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、走査トンネル顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、導電性の試料表面に
先端の鋭い金属探針を］Ｏオングストローム程度の距離
に近接させ、探針と試料との間にバイアス電圧を印加し
たときに生じるトンネル電流が、探針先端と試料表面と
の距離に指数函数的に依存することを利用して試料表面
の凹凸等の状態を原子的分解能で測定する装置である。

第２図にＳＴＭの概念図を示し、その動作について説明
する。

探針２１はピエゾ素子によって構成されるスキャナー２
２の先端に取り付けられている。スキャナー２２は近接
機構２３によって試料ホルダー２５に取り付けられた試
料２４の表面に近づけることができる。これにより探針
２１は、探針２１と試料２４の間に印加されるバイアス
電圧によってトンネル電流が生しるような距離まで近づ
けられる。

バイアス電圧を印加することによって生じたトンネル電
流は、プリアンプ２６により電流電圧変換した上で増幅
され、サーボ回路２７を通じて。

スキャナー２２の一部である探針先端と試料表面の距離
を制御するピエゾ素子にフィードバックされる。スキャ
ナー２２を試料表面上の試料表面に平行な面内（Ｘ−Ｙ
平面内）で走査したときに。

探針先端と試料表面の間に流れるトンネル電流の値が常
に一定になるように、サーボ回路を通じて、フィードバ
ックをかけるとそのフィードバック電圧は試料表面の凹
凸に対応する。従って１画像表示部２８に走査に応じて
その電圧を表示すれば。

試料表面の凹凸像が得られる。

このような走査トンネル顕微鏡のうち、探針スキャナー
近接機構、試料ホルダー等の機械的な部分をトンネルユ
ニットど呼び、プリアンプ、サーボ回路２画像表示部等
の電気的な部分を制御系と呼ぶ。これら以外に走査トン
ネル顕微鏡を構成する重要な機構としては、外部からの
振動を除くための除震機構（図示せず）かある。

ＳＴＭは、試料表面の実空間像を原子的分解能で得るこ
とができる装置であり、大気中でも表面が安定なグラフ
アイＩ・等の２次元層状物質の表面の原子像が観察でき
る。しかし８一般には試料表面は大気中では酸化等によ
り変質する。そこで、その材料本来の表面を観察するた
めには１０ １０　　　Ｔｏｒｒ程度の超高真空中（ＵＨＶ）におい
て観察しなれけばならない。また、大気中からＵＨＶ中
へ持ち込んだ試料表面は酸化されており何らかの方法で
清浄表面を形成する事が必要である。結晶試料の場合に
清浄表面を形成する方法として、一般に利用されている
有力な方法の一つはＵＨＶ中におけるヘキ開である。

従来、試料のヘキ開面をＳＴＭで観察する方法としては
、試料ヘキ開機構をトンネルユニットとは別の場所に設
け、そこてヘキ開した試料をヘキ開機構から取り外し、
ＵＨＶ中で移動させて、トンネルユニットに取り付けて
観察する方法がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながらこのような方法では、試料ヘキ開機構から
トンネルユニットへ試料を移動させるときに、試料をヘ
キ開機構から取り外し、ＵＨＶ中を移動させ、トンネル
ユニットに取り付けるというステップが必要であり、Ｕ
ＨＶ中で試料を着脱できるトンネルユニットが必要であ
る。真空装置が大きくなる。試料の移動に時間がかかる
。途中で試料を落とすおそれがある等の問題点がある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、トンネルユニットを備えた走査トンネル顕微
鏡において、前記トンネルユニットに該トンネル電流ッ
Ｉ・の試料ホルダを移動させる試料移動手段を設けると
共に、該試料移動手段によって前記試料を移動させたと
きに、同試料表面にヘキ開力を加えることができるヘキ
開手段を設けたことを特徴とする。

［実施例］ 以下に図面を参照して２本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明によるトンネルユニットを示す。

このユニットは、探針］１．スキャナー１２．探針を試
料に近接させるためのインチワームによる近接機構１３
．試料］４およびそのホルダー１５を探針１１に垂直な
方向に移動させるためのインチワームによる試料移動機
構１６．及び試料を移動させる途中に試料表面に垂直に
力を加えるコイルバネ１７を備えている。また試料ホル
ダー１５は、試料表面が探針］１と平行になるように試
料を取すイ」けられる構造になっている。

次にこのトンネルユニットの使用方法について説明する
。

■試料表面のヘキ開したい場所の端に微小なキズをつけ
る。この試料１４をキズをつけた面がコイルバネ１７の
方を向くようにホルダー１５に取り付ける。この時キズ
をつけた場所が、試料ホルダー１５の端とコイルバネが
当たる部分との間に来るように取り付ける。

■トンネルユニットを真空チャンバー（図示せず）に入
れて排気し、適当なベーキング等を行い。

チャンバー内部を超高真空状態にする。

■試料移動機構１６により、試料１４をコイルバネ１７
の方（矢印Ａ）へ移動させ、コイルバネ１７の先端に当
てる。

■更に試料移動機構１６により試料１４を移動させてコ
イルバネ１７の反力により試料１４をヘキ関する。

■さらに試料１４を移動させてヘキ開面が探針］１の正
面に来るようにする。

■探針近接機構１３により探針１１を試料１４のヘキ開
面に近づけ、トンネル領域に入れる。

■探針１］を走査しＳＴＭ像を得る。

なお１本実施例では、探針近接機構１３．試料移動機構
１６にインチワームを利用したが、ステッピングモータ
ーを利用１５た移動機構１マイクロメータヘツドを外部
から回転導入軸を使って回転させる事による移動機構を
使ってもよい。またはそれらの組み合せでもよい。

また　試料にヘキ開のための力を加える方法として１本
実施例ではコイルバネ１７を利用したが板バネであって
も良い。単に板あるいは棒を使って力を加えた場合、試
料が当たった時、急激に力が加わるため、ヘキ開面にリ
バーパターンが見られる事が多いか、このようにバネを
利用した場合は、試料にヘキ開のための力が徐々に加わ
るため。

ヘキ開かスムーズにでき凹凸の少ないヘキ開面が得られ
る利点がある。

更に２本実施例ど同様の試料ホルダーを複数個備えてお
けば、複数の試料を取り付けて順番にヘキ開して観察す
る事ができ、実験を効率よく行える。

さらにまた１本発明では、試料のヘキ開後に試料を試料
移動機構１６によって、移動させて測定するため、試料
表面から任意の深さに相当する場所をヘキ開面上で探し
て観測できるという利点もある。

［発明の効果］ 本発明によれば、トンネルユニットに試料移動機構とヘ
キ開手段とを一体的に設けたため観察時の試料着脱をす
る必要がなく、ヘキ開市をＵＨＶ中でＳＴＭ観察する事
が容易に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明による試料ヘキ開機構を
組み込んだトンネルユニットの構成図で（ａ）は平面図
、（ｂ）は側面図、第２図は走査トンネル顕微鏡の観測
原理図である。 １１・・・探針、］２・・・スキャナー　１３・・・イ
ンチワームによる探針近接機構、１４・・・試料、１５
・・試料ホルダー、１６・・・インチワームによる試料
移動機構、１７・・・コイルバネ、２１・・・探針　２
２・・・スキャナー１２３・・・近接機構、２４・・・
試料、２５・・試料ホルダー、２６・・・プリアンプ、
２７・・・サーボ回路、２８・・・画像表示部。 第１ 図 （Ｑ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トンネルユニットを備えた走査トンネル顕微鏡にお
   いて、前記トンネルユニットに試料を保持する試料ホル
   ダを移動させる試料移動手段を設けると共に、該試料移
   動手段によって前記試料を移動させたときに該試料表面
   にヘキ開力を加えることができる試料ヘキ開手段を設け
   たことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。 ２、前記試料移動手段がインチワームを利用するもので
   あることを特徴とする請求項１記載の走査トンネル顕微
   鏡。 ３、前記試料ヘキ開手段がバネを利用するものであるこ
   とを特徴とする請求項１及び２記載の走査トンネル顕微
   鏡。