JPH04116401A - Device and method of observing magnetic field - Google Patents

Device and method of observing magnetic field

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JPH04116401A
JPH04116401A JP23343890A JP23343890A JPH04116401A JP H04116401 A JPH04116401 A JP H04116401A JP 23343890 A JP23343890 A JP 23343890A JP 23343890 A JP23343890 A JP 23343890A JP H04116401 A JPH04116401 A JP H04116401A
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magnetic field
chip
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control means
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綿貫 理明
Fuminori Sai
佐井 文憲
Kuniaki Sueoka
邦昭 末岡
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Abstract

PURPOSE: To observe a magnetic field in the vicinity of the surface of a sample in scanning tunnel michroscopic mode by providing means for extracting the specific frequency component of a tunneling current generated through interaction of the magnetic field and magnetic moment. CONSTITUTION: The magnetic field observing system comprises a cantilever 16, a chip 12 supported on a cantilever 16 and having a magnetic moment at least at the forward end thereof, and means for applying a voltage between the chip 12 and the surface of a sample. The system further comprises means for keeping a distance between the chip 12 and the surface of a sample at a level permitting a tunnel current flow, and means for extracting a specific frequency component of a tunnel current generated through interaction of a magnetic field connected electrically with the chip 12 and the magnetic moment. While keeping the distance between the chip 12 and the surface of the sample at a level permitting a tunnel current flow, a magnetic field alternating at a specific frequency is generated and the chip 12 is oscillated through interaction of the magnetic moment and the magnetic field. Finaly, the specific frequency component of the tunnel current is extracted.

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明は、試料表面近傍の磁場の観測装置及び方法に関
する。さらに詳しくは、試料表面の形状と磁場に関する
データを同時に測定できる走査型トンネル顕微鏡(ST
M)に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A. Field of Industrial Application The present invention relates to an apparatus and method for observing a magnetic field near the surface of a sample. More specifically, the scanning tunneling microscope (ST
Regarding M).

B、従来技術 近年、磁気記録装置の記録密度が向上してきている。そ
のような装置の構成部品の欠陥等を調べるためには、表
面形状をナノメータの精度で観測することと、その表面
近傍で発生する磁場を観測することが重要である。そし
て、表面形状の磁場に対する影響を調べるために、両者
を同時に観測することが最も望ましい。
B. Prior Art In recent years, the recording density of magnetic recording devices has been improving. In order to investigate defects in the components of such devices, it is important to observe the surface shape with nanometer precision and to observe the magnetic field generated near the surface. In order to investigate the influence of the surface shape on the magnetic field, it is most desirable to observe both at the same time.

Martinらは、以下の文献において、原子開力顕微
鏡の原理を用いた磁力顕微鏡(MFM)を提案している
Martin et al. propose a magnetic force microscope (MFM) using the principle of an atomic open force microscope in the following document.

(1) Y、Martin、 H,に、Wickram
asinghe、  ”Magneticimagin
g by ’force m1croscopy” w
ith 1000人resolution 、 App
l、 Phys、 LetL、、  50(20)、 
 pp、1455−1457. 18 May 198
7゜(2) P、C,D、Hobbs、  D、W−A
braham、  and Il、に、Wickram
asinghe、  ”Magnetic force
 m1croscopy with 25nm res
olution 、  Appl、  Phys、  
Lett、、  55(22)、pp、2357−23
59. 27 November 1989゜これら従
来のMFMは、磁性体で作ったチップを載せたカンチレ
バーをその共振周波数の近傍で常時大きく振動させ、チ
ップが磁力を感知したときに生じる振幅のシフトを、干
渉計等を使って光学的に観測する。磁場に関するデータ
としては、磁場の1階微分又は2階微分を求めることが
できる。同じ装置で磁力の代りにチップ先端の原子と試
料表面の原子との間で働く原子間力をチップに感知させ
れば、表面形状を観測することができる。
(1) Y, Martin, H, Wickram
asinghe, ”Magneticimagin
g by 'force m1croscopy' w
ith 1000 people resolution, App
l, Phys, LetL,, 50(20),
pp, 1455-1457. 18 May 198
7゜(2) P, C, D, Hobbs, D, W-A
braham, and il, wickram
asinghe, ”Magnetic force
m1croscopy with 25nm res
solution, Appl, Phys,
Lett, 55(22), pp, 2357-23
59. 27 November 1989 These conventional MFMs constantly vibrate a cantilever, on which a tip made of a magnetic material is mounted, in the vicinity of its resonant frequency, and use an interferometer or other device to measure the amplitude shift that occurs when the tip senses magnetic force. to observe optically. As data regarding the magnetic field, the first-order differential or second-order differential of the magnetic field can be obtained. If the same device is used, but instead of magnetic force, the tip is made to sense the interatomic force acting between the atoms at the tip of the tip and the atoms on the surface of the sample, the surface shape can be observed.

このように、上記(1)、(2)の装置では、磁力はも
ちろん、表面形状もチップ先端に作用する力に還元して
観測される。したがって、観測された振幅のシフトから
二つの力の影響を区別しなければならないので、磁力と
表面形状を同時に観測するのは極めて困難である。また
、カンチレバーの振幅を光学的に観測するための光学系
のセツティングは煩瑣である。
In this manner, in the devices (1) and (2) above, not only the magnetic force but also the surface shape is reduced to a force acting on the tip of the tip and observed. Therefore, it is extremely difficult to simultaneously observe magnetic force and surface topography, since the effects of the two forces must be distinguished from the observed amplitude shifts. Furthermore, setting up an optical system for optically observing the amplitude of the cantilever is complicated.

このようにMFMは調整や操作が困難であるのに加えて
、いまだに市販されていない。したがって、市販されて
いるものを入手でき、且つ調整や操作の比較的容易なS
TMを使って磁場を観測することのできる装置が望まれ
る。
In addition to being difficult to adjust and operate, MFM is not yet commercially available. Therefore, S is available commercially and is relatively easy to adjust and operate.
A device that can observe magnetic fields using TM is desired.

STMを使って表面形状とチップに働く力の観測を同時
に行なう試みも行われており、以下の文献に開示されて
いる。
Attempts have also been made to simultaneously observe the surface shape and the force acting on the chip using STM, which are disclosed in the following documents.

(3) N、A、Taubenblatt、  ”La
teral Forces and t。
(3) N.A. Taubenblatt, “La.
teral forces and t.

pography using the scanni
ng tunneling m1croscope a
nd optical sensing of the
 tip position 。
pography using the scanni
ng tunneling m1croscope a
nd optical sensing of the
tip position.

IBM Technical Disclosure 
Bulletin、 Vol、32゜No、3A、pp
、250−251. August  1989゜(4
) U、Durig、 J、に、Gimzewski、
 and D、W、Pohl。
IBM Technical Disclosure
Bulletin, Vol, 32°No, 3A, pp
, 250-251. August 1989゜(4
) U, Durig, J., Gimzewski,
and D., W., Pohl.

Experimental 0bservation 
of Forces Acting during S
canning Tunneling Microsc
opy 、 Phys、 Rev、 Lett、、 V
ol、57. No、19. pp、2403−240
6. November 1986゜ このうち、(3)の装置は、STMのチップの振幅の変
化の検出が光学的に行われる点で、上記MFMと同様の
問題点がある。さらに、試料表面と平行な方向にチップ
を揺らす力しか検出できず、磁気ヘッドの発生する磁場
の観測には不適当である。
Experimental 0bservation
of Forces Acting during S
canning tunneling microsc
opy, Phys, Rev, Lett,, V
ol, 57. No, 19. pp, 2403-240
6. November 1986 Among these, the device (3) has the same problem as the above-mentioned MFM in that the change in amplitude of the STM chip is detected optically. Furthermore, it can only detect the force that swings the tip in a direction parallel to the sample surface, making it unsuitable for observing the magnetic field generated by a magnetic head.

(4)の装置では、第9図に示すように、表面形状を測
定しようとする金の薄膜の試料100がフレキシブルな
カンチレバー102の先端に載せられる。熱ゆらぎに起
因してカンチレバー102が共振周波数近傍で約0.2
5人の微小な振幅で振動するが、それはトンネル電流の
上記周波数成分の形で検出される。タングステン製のS
TMチップ104の先端と試料表面の間で働くファン・
デア・ワールス力の傾斜が存在すると、カンチレバー1
02の共振周波数が変化する。そこで、トンネル電流を
スペクトル・アナライザーで分析し、共振周波数のシフ
トを検出すれば、ファン・デア・ワールスカに関するデ
ータを得ることができる。
In the apparatus (4), as shown in FIG. 9, a gold thin film sample 100 whose surface shape is to be measured is placed on the tip of a flexible cantilever 102. Due to thermal fluctuations, the cantilever 102 has a frequency of about 0.2 near the resonance frequency.
It vibrates with minute amplitude, but it is detected in the form of the above-mentioned frequency component of tunnel current. Tungsten S
A fan works between the tip of the TM chip 104 and the sample surface.
If there is a slope of the Der Waals force, the cantilever 1
02 resonance frequency changes. Therefore, by analyzing the tunneling current with a spectrum analyzer and detecting shifts in the resonant frequency, data regarding van der Waalska can be obtained.

試料の表面形状のデータは、高周波数成分をカットした
トンネル電流に基づいてチップ104と試料表面の距離
を一定に制御するときの、チップのZ方向駆動手段に与
える信号の形で得られる。
Data on the surface shape of the sample is obtained in the form of a signal given to the Z-direction driving means for the tip when controlling the distance between the tip 104 and the sample surface to be constant based on the tunnel current with high frequency components cut.

しかしながら、この装置のチップを磁性体で作ったとし
ても、薄膜磁気ヘッドの表面形状と磁場を両方観測する
ことは、以下の理由で困難である。
However, even if the chip of this device is made of a magnetic material, it is difficult to observe both the surface shape and magnetic field of the thin-film magnetic head for the following reasons.

(I)通常、磁気ヘッドはスライダと一体化されている
。さらに、磁場を発生させるための電流を供給するため
のワイヤも取り付けられる。したがって、試料の重量は
金の薄膜より遥かに大きくなる。
(I) Usually, the magnetic head is integrated with the slider. Additionally, wires are attached for supplying the current to generate the magnetic field. Therefore, the weight of the sample will be much greater than a thin film of gold.

そのような重い試料を支えるフレキシブルなカンチレバ
ーを用意することが困難である。
It is difficult to prepare a flexible cantilever that can support such a heavy sample.

(II)力に起因するトンネル電流の変化と表面形状に
起因するそれとを区別するためには、試料したがってカ
ンチレバーの振動数は高くなければならない。しかしな
がら、磁気ヘッドのごとき重い試料をカンチレバーに載
せて高周波で振動させることは困難である。もし高周波
で振動させることができたとしても、振幅が小さくなる
ので、共振周波数のシフトを検出するのは困難である。
(II) In order to distinguish between changes in tunneling current due to force and those due to surface topography, the frequency of the sample and therefore the cantilever must be high. However, it is difficult to place a heavy sample such as a magnetic head on a cantilever and vibrate it at high frequency. Even if it were possible to vibrate at a high frequency, the amplitude would be so small that it would be difficult to detect a shift in the resonant frequency.

(Ill)チップよりも遥かに重く、且つ体積の大きい
試料及び試料台の方が振動するのであるから、ノイズの
影響を受けやすく、測定結果のS/N比が低下する。こ
の場合のノイズとは、風や音波等の空気振動、防震台を
通して伝わる振動である。
(Ill) Since the sample and sample stage, which are much heavier and have a larger volume than the chip, vibrate, they are more susceptible to noise and the S/N ratio of the measurement results decreases. In this case, noise refers to air vibrations such as wind and sound waves, and vibrations transmitted through the seismic stand.

要するに、体積及び質量の大きな試料を、それらの小さ
なSTMのチップで観AIJシようとする場合に、試料
の方を動かすのは不自然である。よって、試料を動かさ
ないで、表面形状と磁場のデータを同時に獲得できる測
定装置が望まれる。
In short, when trying to view a sample with a large volume and mass using AIJ with a small STM chip, it is unnatural to move the sample. Therefore, a measurement device is desired that can simultaneously acquire surface shape and magnetic field data without moving the sample.

C1発明が解決しようとする課題 したがって、本発明の目的は、チップを試料表面に沿っ
て走査しながらトンネル電流を測定するSTMモードで
試料表面近傍の磁場を簡単な操作で観測できる新規な装
置を提供することにある。
C1 Problems to be Solved by the Invention Therefore, the purpose of the present invention is to provide a new device that can observe the magnetic field near the sample surface with simple operations in the STM mode, which measures the tunneling current while scanning the tip along the sample surface. It is about providing.

本発明の他の目的は、重い試料であってもその表面形状
及び表面直上の磁場をSTMモードで同時に観測できる
装置及び方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an apparatus and method that can simultaneously observe the surface shape of even a heavy sample and the magnetic field directly above the surface in the STM mode.

]9 本発明のさらに他の目的は、従来のSTMにわずかな修
正を加えた装置で磁場の観測を可能にすることにある。
]9 Yet another object of the present invention is to enable observation of magnetic fields using a conventional STM with slight modifications.

01課題を解決するための手段 本発明の1つの局面によれば、少なくとも表面が導電性
である試料表面近傍の、所定周波数で交番する磁場を観
測するための装置であって、(a)カンチレバーと、 (b)上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端が
磁気モーメントを有するチップと、(c)上記デツプと
上記試料表面との間に電圧を印加する手段と、 (d)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、 (e)上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段 を具備する観測装置が提供される。
01 Means for Solving the Problems According to one aspect of the present invention, there is provided an apparatus for observing a magnetic field alternating at a predetermined frequency near the surface of a sample whose surface is electrically conductive, the apparatus comprising: (a) a cantilever; (b) a tip supported by the cantilever and having at least a tip having a magnetic moment; (c) means for applying a voltage between the depth and the sample surface; (d) the tip and the sample surface. (e) electrically connected to the chip, for extracting the predetermined frequency component of the tunnel current generated as a result of the interaction between the magnetic field and the magnetic moment; An observation device comprising means is provided.

そのような新規なSTMを用いる磁場の観測力法は、 (a)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保ちながら、上記所定周波数で交番す
る磁場を発生させ、上記磁気モーメントを上記磁場と相
互作用させて上記チップを振動させるステップと、 (b)l−ンネル電流の上記所定周波数成分を抽出する
ステップ を含むことを特徴とする。
The magnetic field observation force method using such a novel STM is as follows: (a) While maintaining the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows tunneling current to flow, a magnetic field alternating at the predetermined frequency is generated, and the magnetic field is vibrating the tip by causing a moment to interact with the magnetic field; and (b) extracting the predetermined frequency component of the l-channel current.

本発明の他の局面によれば、少なくとも表面が導電性で
ある試料表面近傍の磁場を観測するための装置であって
、 (a)カンチレバーと、 (b)上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端の
表面が磁性体であるチップと、 (c)上記チップの磁気モーメントの向きを所定周波数
でスイッチする手段と、 (d)上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、 (e)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、 (f)上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生ずるトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段 を具備する観測装置が提供される。
According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for observing a magnetic field near the surface of a sample having at least a conductive surface, the apparatus comprising: (a) a cantilever; (b) a cantilever supported by the cantilever and at least a tip thereof a chip whose surface is magnetic; (c) means for switching the direction of the magnetic moment of the chip at a predetermined frequency; (d) means for applying a voltage between the chip and the sample surface; ) a means for maintaining the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows tunneling current to flow; An observation device is provided that includes means for extracting the predetermined frequency component.

そのような新規なSTMを用いる磁場の観測方法は、 (a)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保ちながら、上記チップの磁気モーメ
ントの向きを所定周波数でスイッチし、上記磁気モーメ
ントを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させ
るステップと、 (b)トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップ を含むことを特徴とする。
A magnetic field observation method using such a novel STM includes: (a) switching the direction of the magnetic moment of the tip at a predetermined frequency while maintaining the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows tunneling current to flow; The method is characterized by comprising the steps of: vibrating the tip by causing the magnetic moment to interact with the magnetic field; and (b) extracting the predetermined frequency component of the tunnel current.

本発明の何れの局面においても、上記チップを試料表面
に沿って走査する場合において、さらに、(c)トンネ
ル電流の高周波数成分をカットするステップと、 (d)上記高周波数成分カット後のトンネル電流が一定
になるように上記Z方向制御手段の出力を決定するステ
ップ を付加することによって、試料表面の形状も同時に観測
することが可能になる。
In any aspect of the present invention, when the chip is scanned along the sample surface, the step of (c) cutting off the high frequency components of the tunnel current; (d) the step of cutting the high frequency components of the tunnel current; By adding the step of determining the output of the Z-direction control means so that the current is constant, it becomes possible to simultaneously observe the shape of the sample surface.

E、実施例 例1 第1図は、チップ12を有するSTMユニット10を用
いて、薄膜磁気ヘッドである試料14の表面形状とその
近傍で発生する交流磁場を同時に観測する装置の構成を
示す。STMユニット10は、カンチレバーに取り付け
た、少なくとも先端が磁気モーメントを有するチップを
用意すれば、現在市販されているのものをそのチップを
取替えるだけで転用することができる。
E. Example 1 FIG. 1 shows the configuration of an apparatus that uses an STM unit 10 having a chip 12 to simultaneously observe the surface shape of a sample 14, which is a thin film magnetic head, and the alternating current magnetic field generated in the vicinity thereof. If a tip attached to a cantilever and having at least a magnetic moment at the tip is prepared, the STM unit 10 can be used as a currently commercially available one by simply replacing the tip.

周知のように、STMは導電性の試料表面の形状を観測
するためのものである。したがって、STMで非導電性
の試料の表面を観測するためには、その上に導電性物質
を付着させる必要がある。薄膜磁気ヘッドの検査のため
には数百人の分解能があればよいので、その表面に10
0〜200人程度の厚さのpt等の膜をスパッタにまり
均一に付着させておけばよい。
As is well known, STM is used to observe the shape of a conductive sample surface. Therefore, in order to observe the surface of a non-conductive sample using STM, it is necessary to attach a conductive substance thereon. To inspect a thin-film magnetic head, it is sufficient to have a resolution of several hundred people, so 10
A film of PT or the like having a thickness of about 0 to 200 mm may be deposited uniformly by sputtering.

第2図は、チップ12とその周囲の拡大図である。チッ
プ12は、試料表面に平行な方向に延びるカンチレバー
16の自由端に取り付けられている。本例では、チップ
12は、先端の曲率半径が約0.1μm、長さLlが2
00−300u、mである。また、本例のカンチレバー
16は、長さL2が約700 um、直径は約1100
uである。
FIG. 2 is an enlarged view of the chip 12 and its surroundings. The tip 12 is attached to the free end of a cantilever 16 that extends in a direction parallel to the sample surface. In this example, the tip 12 has a radius of curvature of approximately 0.1 μm and a length Ll of 2
00-300u, m. Further, the cantilever 16 of this example has a length L2 of about 700 um and a diameter of about 1100 um.
It is u.

カンチレバー16の1端は、Z方向に延びる部材18に
よってピエゾ素子20.22.24に対して固定される
。部材18は、本例では直径250μmである。もちろ
ん、部材16と18は一体に成型することができる。ピ
エゾ素子20.22.24は、それぞれカンチレバー1
6、したがってチップ12をx、 y、 z方向に動か
して、チップを試料表面からトンネル電流の流れ得る距
離に保ちつつ、試料表面に沿って走査するための、アク
チュエータとして機能する公知のピエゾ素子である。こ
こで、X% y方向は試料表面に対して平行であり、Z
方向は同表面に対して垂直とする。チップの軸方向はZ
方向と一致している。
One end of the cantilever 16 is fixed to the piezo element 20.22.24 by a member 18 extending in the Z direction. The member 18 has a diameter of 250 μm in this example. Of course, members 16 and 18 can be integrally molded. The piezo elements 20, 22, 24 are connected to the cantilever 1, respectively.
6. Therefore, the tip 12 is moved in the x, y, z directions and scanned along the sample surface while keeping the tip at a distance from the sample surface that allows the tunneling current to flow. be. Here, the X% y direction is parallel to the sample surface, and the Z
The direction is perpendicular to the same surface. The axial direction of the chip is Z
consistent with the direction.

チップ12は、少なくとも先端の表面が、Fe。At least the tip surface of the tip 12 is made of Fe.

Ni等の磁性体で作られる必要がある。チップ12全体
がその内部も含めて強磁性体であってもよい。チップ1
2とカンチレバー16は、一体に成型してもまいし、別
々に成型して後で接合してもよい。
It must be made of a magnetic material such as Ni. The entire chip 12, including its interior, may be made of ferromagnetic material. chip 1
2 and the cantilever 16 may be molded integrally, or may be molded separately and joined later.

一般に磁石がSTMのチップ先端のように鋭く突かった
針の形をとるとき、形状異方性のために、磁気モーメン
トは、針の軸方向を向き、且つその方向は外部の磁場の
向きにほとんど左右されない。
Generally, when a magnet takes the shape of a sharp needle, such as the tip of an STM tip, due to shape anisotropy, the magnetic moment points in the axial direction of the needle, and that direction is in accordance with the direction of the external magnetic field. Almost unaffected.

したがって、チップ12の先端には、試料表面近傍に発
生する磁場によりZ方向の引力又は斥力が作用する。ま
た、チップ12の先端は試料表面まで数十オングストロ
ームまで近づけられるので、ファン−デア・ワールス力
等の非磁気的な力の影響も受ける。したがって、チップ
12の先端に作用するZ方向の力F2は、次の式(1)
のように表わされる。
Therefore, an attractive force or a repulsive force in the Z direction acts on the tip of the tip 12 due to the magnetic field generated near the sample surface. Furthermore, since the tip of the tip 12 can be brought close to the sample surface by several tens of angstroms, it is also affected by non-magnetic forces such as van der Waals forces. Therefore, the force F2 in the Z direction acting on the tip of the tip 12 is expressed by the following formula (1)
It is expressed as

ただし、Fnは、ファン・デア・ワールス力等の非磁気
的な力であり、■はチップ先端の磁気モーメントのzt
j、分の大きさであり、しは試料表面近傍に発生する磁
場HのZ成分であり、rは位置のベクトル、tは時間で
ある。
However, Fn is a non-magnetic force such as van der Waals force, and ■ is the magnetic moment zt of the tip tip.
j is the magnitude of the magnetic field H generated near the sample surface, r is the position vector, and t is the time.

これらの力の総和がカンチレバー16に加わり、カンチ
レバーが撓む結果、チップ12の先端は、Z方向に変位
する。その変位量δ2は、次の式(2)のように定まる
The sum of these forces is applied to the cantilever 16, and as a result of the cantilever being bent, the tip of the tip 12 is displaced in the Z direction. The displacement amount δ2 is determined as shown in the following equation (2).

ここで、Iは慣性モーメント、Lはカンチレバーのアー
ムの長さ、Eはヤング率、dはカンチレバーのばね定数
である。
Here, I is the moment of inertia, L is the length of the arm of the cantilever, E is Young's modulus, and d is the spring constant of the cantilever.

本発明では、チップと試料表面の間の距離は、試料表面
の凹凸によって変化するほかに、カンチレバーの撓みに
よってチップと試料表面の距離がさらにδ2だけ変化す
るので、トンネル電流JTは次の式(3)で与えられる
ように変化する。
In the present invention, in addition to changing the distance between the tip and the sample surface due to the unevenness of the sample surface, the distance between the tip and the sample surface also changes by δ2 due to the deflection of the cantilever, so the tunneling current JT is calculated using the following equation ( 3) changes as given by.

ここで、Zはカンチレバーの撓みがないときの試料表面
とチップの間の距離、Φは仕事関数(試料表面から電子
を出させるのに必要な仕事)、Jo、Aは定数である。
Here, Z is the distance between the sample surface and the tip when the cantilever is not bent, Φ is the work function (work required to emit electrons from the sample surface), and Jo and A are constants.

第1図において、x、y方向制御回路30は、チップ]
2をx、y方向に走査するための電圧信号を、x、y方
向駆動用のピエゾ素子に供給する。
In FIG. 1, the x and y direction control circuit 30 is a chip]
A voltage signal for scanning 2 in the x and y directions is supplied to a piezo element for driving in the x and y directions.

Z方向制御回路32は、チップ12をZ方向に動かすた
めの電圧信号をZ方向駆動用のピエゾ素子に供給する。
The Z-direction control circuit 32 supplies a voltage signal for moving the chip 12 in the Z-direction to a piezo element for driving in the Z-direction.

具体的には、これらの回路は1.00V程度の高電圧を
発生するトランジスタ回路であってよい。
Specifically, these circuits may be transistor circuits that generate a high voltage of about 1.00V.

通常のSTMでは、トンネル電流を一定に保ちながら、
チップをx、 y方向に走査する。チップが試料表面の
凸部分上に来るとトンネル電流が増えるので元の電流に
なる位置までチップを上げ、開部分では逆にチップを下
げる。この操作を繰り返し、ピエゾ素子に加えた電圧の
変化を取り出して画像化すれば、表面の構造を原子のス
ケールで観測することも可能である。
In normal STM, while keeping the tunnel current constant,
The chip is scanned in the x and y directions. When the tip comes to a convex part of the sample surface, the tunnel current increases, so the tip is raised to the position where the original current is restored, and conversely, the tip is lowered at an open part. By repeating this operation and capturing the changes in the voltage applied to the piezo element and creating an image, it is possible to observe the surface structure on an atomic scale.

本発明においても表面形状の観測は基本的には同じ原理
に基づいて行なわれる。しかしながら、本発明の装置で
は、チップと試料表面の距離は、試料表面の形状のみで
は決らず、チップ先端に作用する力による影響も受ける
。したがって、トンネル電流には両者の影響が混在して
いる。試料表面形状又は力を正確にポリ定するためには
この両者の影響を分離する必要がある。そのために、本
発明では、磁気ヘッドの発生する磁場が交流磁場である
ことを利用する。
In the present invention, surface shape observation is basically performed based on the same principle. However, in the device of the present invention, the distance between the tip and the sample surface is not determined only by the shape of the sample surface, but is also affected by the force acting on the tip tip. Therefore, both influences coexist on the tunnel current. In order to accurately determine the sample surface shape or force, it is necessary to separate the effects of these two factors. To this end, the present invention utilizes the fact that the magnetic field generated by the magnetic head is an alternating magnetic field.

磁気ヘッド14のコイルには、第1図及び第3図に示す
ように、発振器40の発生する交流信号が供給され、こ
れによって交流磁場が発生する。
As shown in FIGS. 1 and 3, the coil of the magnetic head 14 is supplied with an alternating current signal generated by an oscillator 40, thereby generating an alternating magnetic field.

発振器40の出力はロックイン・アンプ42の基準信号
(Rer)としても使用される。今、磁気ヘッドに与え
る交流信号が角周波数ω。の正弦波であるとする。この
とき、磁気ヘッドの発生ずる交流磁場HのZ成分Hzは
次の式(4)で表わされる。
The output of oscillator 40 is also used as a reference signal (Rer) for lock-in amplifier 42. Now, the AC signal given to the magnetic head has an angular frequency ω. Suppose that it is a sine wave. At this time, the Z component Hz of the alternating current magnetic field H generated by the magnetic head is expressed by the following equation (4).

H=(r、 t) −H−(r)cosωo t  (
4,)このような交流磁場の下では、カンチレバーの自
由端の撓みδ2は次の式(5)で表わされる。
H=(r, t) −H−(r) cosωot (
4,) Under such an alternating magnetic field, the deflection δ2 of the free end of the cantilever is expressed by the following equation (5).

ここで、H,(r)はI(、と略した。上の式かられか
るように、チップは角周波数ω。で振動する。
Here, H, (r) is abbreviated as I(,. As can be seen from the above equation, the tip vibrates at an angular frequency ω.

したがって、トンネル電流は変調を受ける。この変調を
受けたトンネル電流から、ロックイン・アンプ42を通
して角周波数ω。の成分を抽出する。
Therefore, the tunneling current is modulated. From this modulated tunnel current, the angular frequency ω is generated through the lock-in amplifier 42. Extract the components of

ロックイン・アンプ42の出力f (J)は、次の式4
式% したがって、f(J)の対数は、磁力maH,,/aZ
、つまり磁場の傾斜θ1且/aZに比例する。
The output f (J) of the lock-in amplifier 42 is expressed by the following equation 4.
Formula % Therefore, the logarithm of f(J) is the magnetic force maH,,/aZ
, that is, it is proportional to the magnetic field gradient θ1/aZ.

磁場の傾斜a I−I 、/ a zの大きさはロック
イン・アンプ42を通して抽出されたトンネル電流の角
周波数ω。の成分の振幅かられかる。一方、磁場の傾斜
a H,/ a zの符号は、トンネル電流の角周波数
ω。の成分の位相かられかる。例えば、第3図の磁極1
の近傍でc? H,/ a zの符号をプラスとすれば
、磁極2の近傍では磁場の傾斜、9H,。
The magnitude of the magnetic field gradient a I-I,/az is the angular frequency ω of the tunneling current extracted through the lock-in amplifier 42. It is calculated from the amplitude of the component. On the other hand, the sign of the magnetic field gradient a H, / a z is the angular frequency ω of the tunneling current. It is determined from the phase of the components of. For example, magnetic pole 1 in Fig.
c in the vicinity of ? If the sign of H,/a z is positive, the gradient of the magnetic field near magnetic pole 2 is 9H.

/aZの符号はマイナスとなる。これは、磁極1と磁極
2の近傍でトンネル電流の角周波数ω0の成分の位相が
1800ずれることがられかる。このような位相のずれ
は、ロックイン・アンプ42において、トンネル電流と
基準信号(Rer)を比較することによって検出される
The sign of /aZ is negative. This is because the phase of the component of the angular frequency ω0 of the tunnel current is shifted by 1800 in the vicinity of the magnetic pole 1 and the magnetic pole 2. Such a phase shift is detected in the lock-in amplifier 42 by comparing the tunnel current with a reference signal (Rer).

第1図に示されるように、トンネル電流は、ロックイン
・アンプ42に並列に接続されたローパ=30= スフィルタ(LPF)44にも供給される。LPF44
の出力は、フィードバック回路46へ供給される。第4
図に示すように、LPF44の遮断周波数ω。を、交流
磁場の周波数、即ちトンネル電流の交流成分のビークω
。より充分低く設定しておけば、トンネル電流から磁場
の影響を除去することができる。なお、第4図において
、曲線AはLPFの特性を示し、曲線Bはトンネル電流
の交流成分のスペクトルを示している。一般に、薄膜磁
気ヘッドの発生する交流磁場の周波数は10〜20kH
zに設定されるから、そのような遮断周波数を設定する
ことは簡単である。LPF44の出力は、試料表面形状
の影響だけを受ける。フィードバック回路46はLPF
44の出力を基準値と比較し、両者の差を解消するべく
、フィードバック信号をZ方向制御回路32に供給する
。Z方向制御回路32は、フィードバック信号に応じた
電圧信号をZ方向駆動用のピエゾ素子に供給する。
As shown in FIG. 1, the tunneling current is also supplied to a low pass filter (LPF) 44 connected in parallel to the lock-in amplifier 42. LPF44
The output of is supplied to a feedback circuit 46. Fourth
As shown in the figure, the cutoff frequency ω of the LPF 44. is the frequency of the alternating magnetic field, that is, the peak ω of the alternating current component of the tunnel current.
. By setting it sufficiently lower, the influence of the magnetic field can be removed from the tunnel current. In FIG. 4, curve A shows the characteristics of the LPF, and curve B shows the spectrum of the alternating current component of the tunnel current. Generally, the frequency of the alternating current magnetic field generated by a thin film magnetic head is 10 to 20kHz.
z, it is easy to set such a cutoff frequency. The output of the LPF 44 is affected only by the sample surface shape. Feedback circuit 46 is an LPF
44 is compared with a reference value, and a feedback signal is supplied to the Z direction control circuit 32 in order to eliminate the difference between the two. The Z-direction control circuit 32 supplies a voltage signal according to the feedback signal to a piezo element for driving in the Z-direction.

この結果、チップの振動の影響を除いたチップ−試料表
面の距離は一定に保たれる。
As a result, the distance between the tip and the sample surface, excluding the influence of tip vibration, is kept constant.

なお、今の例では磁気ヘッドに与える交流信号は正弦波
であったけれども、周波数一定の矩形波を与える場合に
も、同様の方法で試料表面形状の影響と磁場の影響を分
離できる。
In this example, the alternating current signal applied to the magnetic head was a sine wave, but even when a rectangular wave with a constant frequency is applied, the influence of the sample surface shape and the influence of the magnetic field can be separated using the same method.

表面形状は、x、 X方向制御回路30とZ方向制御回
路32の出力にしたがって、表面形状可視化装置50に
よって可視化される。磁場に関するデータ、この場合は
El H−/ a zの分布は、ロックイン・アンプ4
2の出力とXl、X方向制御回路3oの出力にしたがっ
て、磁場傾斜分布可視化装置52によって可視化される
。表面形状可視化装置50及び磁場傾斜分布可視化装置
52は、例えばデイスプレィを備えたコンピュータであ
る。なお、x、X方向制御回路30.z方向制御回路3
2からSTMユニット10へ供給される信号のレベルと
、これら回路30.32から可視化装置50.52へ供
給される信号のレベルは、比例関係にありさえすればよ
いのであって、レベルが一致している必要はない。
The surface shape is visualized by the surface shape visualization device 50 according to the outputs of the x, X direction control circuit 30 and the Z direction control circuit 32. The data regarding the magnetic field, in this case the distribution of El
2, Xl, and the output of the X-direction control circuit 3o, the magnetic field gradient distribution is visualized by the magnetic field gradient distribution visualization device 52. The surface shape visualization device 50 and the magnetic field gradient distribution visualization device 52 are, for example, computers equipped with a display. Note that the x, X direction control circuit 30. Z direction control circuit 3
The level of the signal supplied from the circuit 2 to the STM unit 10 and the level of the signal supplied from the circuit 30.32 to the visualization device 50.52 need only be in a proportional relationship, and the levels must match. There's no need to be.

第5図は、薄膜磁気ヘッドの側部の表面形状の=32= 画像出力の1例である。y軸、y軸は、それぞれチップ
のX走査方向、X走査方向に対応している。
FIG. 5 is an example of the image output of the surface shape of the side portion of the thin film magnetic head. The y-axis and the y-axis correspond to the X-scanning direction and the X-scanning direction of the chip, respectively.

y軸は、試料表面の高さを表わす。チップはX方向に約
8μ、X方向に約2μ走査されている。ここでは、各軸
の目盛の数字は、相対的な尺度を提供している。第6図
は、第5図に対応する同時に測定された磁場傾斜分布の
画像出力である。 y軸の目盛の数字は、磁場傾斜の相
対的な大きさを示している。
The y-axis represents the height of the sample surface. The chip is scanned approximately 8μ in the X direction and approximately 2μ in the X direction. Here, the numbers on each axis' scale provide a relative measure. FIG. 6 is an image output of the simultaneously measured magnetic field gradient distribution corresponding to FIG. The numbers on the y-axis scale indicate the relative magnitude of the magnetic field gradient.

第7図は、薄膜磁気ヘッドの中央部表面形状の画像出力
の1例である。走査範囲のサイズは第5図の場合と同じ
である。LPの部分が左側磁極であり、Gの部分がギャ
ップであり、RPの部分が右側磁極である。左側磁極に
異物が付着しているのが観測される。第8図は、第7図
に対応する同時に測定された磁場傾斜分布の画像出力の
1例である。異物の付着部分で磁場傾斜の値が低くなっ
ていることがわかる。
FIG. 7 is an example of an image output of the surface shape of the central portion of a thin film magnetic head. The size of the scanning range is the same as in FIG. The LP part is the left magnetic pole, the G part is the gap, and the RP part is the right magnetic pole. Foreign matter is observed attached to the left magnetic pole. FIG. 8 is an example of an image output of the simultaneously measured magnetic field gradient distribution corresponding to FIG. 7. It can be seen that the value of the magnetic field gradient is lower in the area where the foreign matter is attached.

例2 例1は、磁気ヘッドの発生する磁場のような動的な磁場
の観測を可能にした。そのほかに、本発明は、磁気媒体
の呈するような静的な磁場の観測にも適用可能である。
Example 2 Example 1 made it possible to observe a dynamic magnetic field such as the magnetic field generated by a magnetic head. In addition, the present invention is also applicable to observation of static magnetic fields such as those exhibited by magnetic media.

以下、そのような観測を可能にする例について説明する
An example that enables such observation will be described below.

動的磁場測定装置のチップ先端は磁気モーメントが一方
向に固定された磁石であるのに対し、静的磁場測定装置
のチップ先端は磁気モーメントの向きが所定の周波数で
スイッチするように構成される。具体的には、チップの
周囲にコイルを巻き、そのコイルに発振器を接続して所
定周波数の交流信号を与えることによって、交流磁場を
発生させる。この交流磁場によって、チップの少なくと
も先端に磁気モーメントを発生させ、且つその向きを上
記所定周波数でスイッチする。交流信号は正弦波でも矩
形波でもまい。
The tip of the tip of a dynamic magnetic field measurement device is a magnet with a magnetic moment fixed in one direction, whereas the tip of a static magnetic field measurement device is configured so that the direction of the magnetic moment switches at a predetermined frequency. . Specifically, an alternating current magnetic field is generated by winding a coil around the chip, connecting an oscillator to the coil, and applying an alternating current signal of a predetermined frequency. This alternating magnetic field generates a magnetic moment at least at the tip of the tip, and its direction is switched at the predetermined frequency. The alternating current signal may be a sine wave or a square wave.

したがって、静的磁場を測定するためには、チップの磁
気モーメントの向きが交替しゃすいことが要請される。
Therefore, in order to measure a static magnetic field, it is required that the direction of the magnetic moment of the chip be alternated.

そのような要請を満たすことの可能なチップ構造の1例
が、末岡他、”FeコートM、 F Mチップによる磁
界画像”、第3回応用物理学関係連合講演会講演予稿集
、31a  PA−9゜pa r t II、P、43
4.1000年3月に開示されている。それによれば、
チップ本体をタングステン製とし、その表面に厚さ10
00〜2000人のFe薄膜をスパッタにより付着した
ものが使用可能である。
An example of a chip structure that can meet such requirements is Sueoka et al., “Magnetic field imaging by Fe-coated M, FM chips,” Proceedings of the 3rd Applied Physics Association Conference, 31a PA- 9゜part II, P, 43
4. Disclosed in March 1000. According to it,
The chip body is made of tungsten, and the surface has a thickness of 10
A thin Fe film of 0.00 to 2000% can be deposited by sputtering.

例1と同じように、磁気モーメントと磁場の相互作用に
よって、チップには磁気的な力が働き、カンチレバーを
撓ませる。したがって、ロックイン・アンプでトンネル
電流から上記所定周波数成分を抽出すれば、表面近傍の
磁場の傾斜の大きさがわかる。また、磁場の傾斜の符号
はトンネル電流の上記所定周波数成分の位相かられかる
。例えば、垂直磁化膜の場合、媒体表面がN極である磁
区の直上で磁場の傾斜の符号がプラスであるならば、媒
体表面がS極である磁区の直上で磁場の傾斜の符号はマ
イナスになる。、これは、前者と後者の磁区の上で、ロ
ックイン・アンプで検出されるトンネル電流の上記所定
周波数成分の位相が1800ずれることかられかる。
As in Example 1, the interaction between the magnetic moment and the magnetic field causes a magnetic force to act on the tip, causing the cantilever to bend. Therefore, by extracting the predetermined frequency component from the tunnel current using a lock-in amplifier, the magnitude of the gradient of the magnetic field near the surface can be determined. Further, the sign of the gradient of the magnetic field is determined from the phase of the predetermined frequency component of the tunnel current. For example, in the case of a perpendicularly magnetized film, if the sign of the magnetic field gradient is positive just above the magnetic domain where the medium surface is the north pole, the sign of the magnetic field gradient is negative just above the magnetic domain where the medium surface is the south pole. Become. This is because the phase of the predetermined frequency component of the tunnel current detected by the lock-in amplifier is shifted by 1800 on the former and latter magnetic domains.

このようにして観測された媒体表面の磁場は、試料表面
から数十オングストローム離れた場所でのものであるか
ら、媒体に形成された磁区のパターンが観測できたとい
ってよいことに留意されたい。ただし、媒体上の磁区パ
ターンの観測を成功させるためには、チップ先端の磁気
モーメントが作る磁場の媒体表面上での強さが同媒体の
保磁力Hcより小さいことが要請される。かかる要請を
満たすためには、コイルの巻数と同コイルに流す電流の
値を適当に決める必要がある。
Note that the magnetic field on the medium surface observed in this way was at a distance of several tens of angstroms from the sample surface, so it can be said that the pattern of magnetic domains formed in the medium could be observed. However, in order to successfully observe the magnetic domain pattern on the medium, it is required that the strength of the magnetic field created by the magnetic moment at the tip of the tip on the surface of the medium be smaller than the coercive force Hc of the medium. In order to meet this requirement, it is necessary to appropriately determine the number of turns of the coil and the value of the current flowing through the coil.

例1と同様に、高周波数成分をカットしたトンネル電流
が一定になるようにZ方向制御回路の出力を決定すれば
、X、V、Z方向の制御回路の出力を用いて試料表面の
形状を可視化することも可能である。
As in Example 1, if the output of the Z-direction control circuit is determined so that the tunnel current with high frequency components cut is constant, the shape of the sample surface can be determined using the outputs of the X-, V-, and Z-direction control circuits. It is also possible to visualize it.

変形例 本発明は、チップを動かさないである1点での磁場を観
測する場合にも適用可能である。
Modifications The present invention can also be applied to the case of observing the magnetic field at one point without moving the chip.

また、上記例では1次的には磁場の傾斜が可視化される
けれども、データを加工して、磁場のZ成分、あるいは
その2階微分等の他のデータを可視化することもできる
。もちろん、それらのデータを直ちに可視化しないで記
憶装置に記憶させることもできる。
Furthermore, although the gradient of the magnetic field is primarily visualized in the above example, it is also possible to process the data to visualize other data such as the Z component of the magnetic field or its second order differential. Of course, such data can also be stored in a storage device without being visualized immediately.

F1発明の効果 本発明によれば、チップを試料表面に沿って走査しなが
らトンネル電流を測定するSTMモードで試料表面近傍
の磁場を簡単な操作で観測することができる。
F1 Effects of the Invention According to the present invention, the magnetic field near the sample surface can be observed with a simple operation in the STM mode in which the tunnel current is measured while scanning the tip along the sample surface.

また、本発明によれば、重い試料であってもその表面形
状及び表面直上の磁場をSTMモードで同時に観測する
ことができる。
Further, according to the present invention, even if the sample is heavy, its surface shape and the magnetic field directly above the surface can be observed simultaneously in the STM mode.

また、本発明によれば、従来のSTMにわずかな修正を
加えた装置を使って、磁場の観測が可能になる。
Furthermore, according to the present invention, magnetic fields can be observed using a conventional STM with slight modifications.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の1実施例のハードウェア構成を示す
ブロック図である。第2図は、チップの拡大図である。 第3図は、−に記実施例による磁場観測の原理の説明図
である。第4図は、本発明に用いるLPFの周波数特性
を示す図である。第5図は、試料表面形状の観測結果の
1例を示すグラフである。第6図は、第5図に対応する
磁場の観測結果を示すグラフである。第7図は、試料表
面形状の観測結果の他の例を示すグラフである。第8図
は、第7図に対応する磁場の観測結果を示すグラフであ
る。第9図は、従来技術による、STMを用いた試料表
面形状と力の同時測定装置の説明図である。 出願人   インターナショナル−ビジネス・マシーン
ズ・コーポレーション 代理人   弁理士 頓宮孝−(外−名)Z軸 Z軸 Z軸 Z軸 続 補 正 書(自発 平成 3年 2月 7日
FIG. 1 is a block diagram showing the hardware configuration of one embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the chip. FIG. 3 is an explanatory diagram of the principle of magnetic field observation according to the embodiment described in -. FIG. 4 is a diagram showing the frequency characteristics of the LPF used in the present invention. FIG. 5 is a graph showing an example of the observation results of the sample surface shape. FIG. 6 is a graph showing the observation results of the magnetic field corresponding to FIG. FIG. 7 is a graph showing another example of the observation results of the sample surface shape. FIG. 8 is a graph showing the observation results of the magnetic field corresponding to FIG. FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional device for simultaneously measuring sample surface shape and force using STM. Applicant International Business Machines Corporation Representative Patent Attorney Takashi Tongu (alias) Z-axis

Claims (28)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)少なくとも表面が導電性である試料表面近傍の、
所定周波数で交番する磁場を観測するための装置であっ
て、 (a)カンチレバーと、 (b)上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端が
磁気モーメントを有するチップと、 (c)上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、 (d)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、 (e)上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段 を具備する観測装置。
(1) At least near the surface of the sample whose surface is conductive,
An apparatus for observing a magnetic field alternating at a predetermined frequency, comprising: (a) a cantilever; (b) a tip supported by the cantilever and having at least a magnetic moment at its tip; and (c) the tip and the sample surface. (d) means for maintaining the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows a tunnel current to flow; (e) the magnetic field electrically connected to the tip; An observation device comprising means for extracting the predetermined frequency component of the tunnel current generated as a result of the interaction of the magnetic moments.
(2)上記手段(e)の出力を用いて、上記磁場に関す
るデータを可視化する手段を備えた請求項1記載の装置
2. The apparatus according to claim 1, further comprising means for visualizing data regarding the magnetic field using the output of the means (e).
(3)上記試料表面に垂直な方向をz方向とするとき、
上記チップの少なくとも先端はz方向の磁気モーメント
を有し、上記チップは磁場のz成分のz方向の傾斜が存
在するときに力を受ける請求項1又は2記載の装置。
(3) When the direction perpendicular to the sample surface is defined as the z direction,
3. A device according to claim 1 or 2, wherein at least the tip of the tip has a magnetic moment in the z-direction, and the tip is subjected to a force when there is a gradient in the z-direction of the z-component of the magnetic field.
(4)少なくとも表面が導電性である試料の表面形状と
該試料表面近傍の所定周波数で交番する磁場の観測を同
時に行なうための装置であって、(a)カンチレバーと
、 (b)上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端が
磁気モーメントを有するチップと、 (c)上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、 (d)上記試料表面と平行な方向をx、y方向、上記試
料表面に垂直な方向をz方向とするとき、それぞれの入
力信号に応じて上記チップをx、y、z方向に動かすた
めのx方向駆動手段、y方向駆動手段、及びz方向駆動
手段と、 (e)2方向に関して上記チップと上記試料表面の距離
をトンネル電流の流れ得る距離に保って、上記チップを
x、y方向に走査するべく、それぞれ上記x方向駆動手
段、y方向駆動手段、及びz方向駆動手段に信号を与え
るx方向制御手段、y方向制御手段、及びz方向制御手
段と、 (f)上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段と、 (g)上記チップに電気的に接続された、ローパスフィ
ルタと、 (h)上記ローパスフィルタの出力が一定になるように
上記z方向制御手段の出力を決定する手段を具備する観
測装置。
(4) An apparatus for simultaneously observing the surface shape of a sample having at least a conductive surface and a magnetic field alternating at a predetermined frequency in the vicinity of the sample surface, the apparatus comprising: (a) a cantilever; (c) means for applying a voltage between the tip and the sample surface; (d) a direction parallel to the sample surface in the x and y directions; When the direction perpendicular to the sample surface is the z direction, an x direction driving means, a y direction driving means, and a z direction driving means for moving the chip in the x, y, and z directions according to each input signal; (e) In order to scan the chip in the x and y directions while keeping the distance between the chip and the sample surface at a distance that allows tunneling current to flow in two directions, the x-direction driving means, the y-direction driving means, and x-direction control means, y-direction control means, and z-direction control means for providing signals to the z-direction drive means; (f) electrically connected to said chip, generated as a result of the interaction of said magnetic field and said magnetic moment; (g) a low-pass filter electrically connected to the chip; (h) means for controlling the z-direction so that the output of the low-pass filter is constant; an observation device comprising means for determining the output of
(5)上記x方向制御手段、y方向制御手段及びz方向
制御手段の出力を用いて、上記試料表面形状を可視化す
る手段を備えた請求項4記載の装置。
(5) The apparatus according to claim 4, further comprising means for visualizing the sample surface shape using the outputs of the x-direction control means, the y-direction control means, and the z-direction control means.
(6)上記x方向制御手段、y方向制御手段及び上記手
段(f)の出力を用いて、上記磁場に関するデータを可
視化する手段を備えた請求項4又は5記載の装置。
(6) The apparatus according to claim 4 or 5, further comprising means for visualizing data regarding the magnetic field using the outputs of the x-direction control means, the y-direction control means, and the means (f).
(7)上記チップの少なくとも先端はz方向の磁気モー
メントを有し、上記チップは磁場のz成分のz方向の傾
斜が存在するときに力を受ける請求項4乃至6の何れか
に記載の装置。
(7) The device according to any one of claims 4 to 6, wherein at least the tip of the tip has a magnetic moment in the z direction, and the tip receives a force when there is a gradient in the z direction of the z component of the magnetic field. .
(8)少なくとも表面が導電性である試料表面近傍の磁
場を観測するための装置であって、 (a)カンチレバーと、 (b)上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端の
表面が磁性体であるチップと、 (c)上記チップの磁気モーメントの向きを所定周波数
でスイッチする手段と、 (d)上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、 (e)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、 (f)上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段 を具備する観測装置。
(8) An apparatus for observing a magnetic field near the surface of a sample having at least a conductive surface, the device comprising: (a) a cantilever; and (b) a chip supported by the cantilever and having at least the surface of its tip made of a magnetic material. (c) means for switching the direction of the magnetic moment of the tip at a predetermined frequency; (d) means for applying a voltage between the tip and the sample surface; (e) the tip and the sample surface. (f) electrically connected to the chip, for extracting the predetermined frequency component of the tunnel current generated as a result of the interaction between the magnetic field and the magnetic moment; An observation device equipped with means.
(9)上記手段(f)の出力を用いて、上記磁場に関す
るデータを可視化する手段を備えた請求項8記載の装置
(9) The apparatus according to claim 8, further comprising means for visualizing data regarding the magnetic field using the output of the means (f).
(10)上記試料表面に垂直な方向をz方向とするとき
、上記チップにはz方向の磁気モーメントが発生し、上
記チップは磁場のz成分のz方向の傾斜が存在するとき
に力を受ける請求項8又は9記載の装置。
(10) When the direction perpendicular to the sample surface is defined as the z direction, a magnetic moment in the z direction is generated in the tip, and the tip receives a force when there is a gradient in the z direction of the z component of the magnetic field. The device according to claim 8 or 9.
(11)少なくとも表面が導電性である試料の表面形状
と該試料表面近傍の磁場を同時に観測するための装置で
あって、 (a)カンチレバーと、 (b)上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端の
表面が磁性体であるチップと、 (c)上記チップの磁気モーメントの向きを所定周波数
でスイッチする手段と、 (d)上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、 (e)上記試料表面と平行な方向をx、y方向、上記試
料表面に垂直な方向をz方向とするとき、それぞれの入
力信号に応じて上記チップをx、y、z方向に動かすた
めのx方向駆動手段、y方向駆動手段、及びz方向駆動
手段と、 (f)z方向に関して上記チップと上記試料表面の距離
をトンネル電流の流れ得る距離に保って、上記チップを
x、y方向に走査するべく、それぞれ上記x方向駆動手
段、y方向駆動手段、及びz方向駆動手段に信号を与え
るx方向制御手段、y方向制御手段、及びz方向制御手
段と、 (g)上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段と、 (h)上記チップに電気的に接続された、ローパスフィ
ルタと、 (i)上記ローパスフィルタの出力が一定になるように
上記z方向制御手段の出力を決定する手段を具備する観
測装置。
(11) An apparatus for simultaneously observing the surface shape of a sample whose surface is electrically conductive and the magnetic field near the sample surface, comprising: (a) a cantilever; (b) a device supported by the cantilever and having at least a tip a chip whose surface is magnetic; (c) means for switching the direction of the magnetic moment of the chip at a predetermined frequency; (d) means for applying a voltage between the chip and the sample surface; ) When the x and y directions are parallel to the sample surface and the z direction is perpendicular to the sample surface, the x direction is for moving the chip in the x, y, and z directions according to each input signal. a driving means, a y-direction driving means, and a z-direction driving means; (f) scanning the chip in the x and y directions while keeping the distance between the chip and the sample surface in the z-direction at a distance that allows a tunnel current to flow; (g) electrically connected to the chip; and (g) electrically connected to the chip. means for extracting the predetermined frequency component of the tunnel current generated as a result of the interaction between the magnetic field and the magnetic moment; (h) a low-pass filter electrically connected to the chip; An observation device comprising means for determining the output of the z-direction control means so that the output of the low-pass filter is constant.
(12)上記x方向制御手段、y方向制御手段及びz方
向制御手段の出力にしたがって上記試料表面形状を可視
化する手段を備えた請求項12記載の装置。
(12) The apparatus according to claim 12, further comprising means for visualizing the sample surface shape according to the outputs of the x-direction control means, the y-direction control means, and the z-direction control means.
(13)上記x方向制御手段、y方向制御手段及び上記
手段(g)の出力にしたがって上記磁場に関するデータ
を可視化する手段を備えた請求項11又は12記載の装
置。
(13) The apparatus according to claim 11 or 12, further comprising means for visualizing data regarding the magnetic field according to the outputs of the x-direction control means, the y-direction control means, and the means (g).
(14)上記チップにはz方向の磁気モーメントが発生
し、上記チップは磁場のz成分のz方向の傾斜が存在す
るときに力を受ける請求項11乃至13の何れかに記載
の装置。
(14) The device according to any one of claims 11 to 13, wherein a magnetic moment in the z-direction is generated in the tip, and the tip is subjected to a force when there is a gradient in the z-direction of the z-component of the magnetic field.
(15)カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端が磁気モーメントを有するチップとを
備えたSTMを使って、少なくとも表面が導電性である
試料表面近傍の所定周波数で交番する磁場を観測するた
めの方法であって、(a)上記チップと上記試料表面の
距離をトンネル電流の流れ得る距離に保ちながら、上記
所定周波数で交番する磁場を発生させ、上記磁気モーメ
ントを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させ
るステップと、 (b)トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップ を含む観測方法。
(15) To observe a magnetic field alternating at a predetermined frequency near the surface of a sample whose surface is at least electrically conductive using an STM equipped with a cantilever and a tip supported by the cantilever and having at least a magnetic moment at its tip. (a) generating a magnetic field alternating at the predetermined frequency while maintaining the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows tunneling current to flow, and causing the magnetic moment to interact with the magnetic field; An observation method comprising: vibrating the chip; and (b) extracting the predetermined frequency component of the tunnel current.
(16)上記ステップ(b)で抽出されたトンネル電流
の上記所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデー
タを可視化するステップを含む請求項15記載の方法。
(16) The method according to claim 15, further comprising the step of visualizing data regarding the magnetic field using the predetermined frequency component of the tunneling current extracted in step (b).
(17)上記試料表面に垂直な方向をz方向とするとき
、上記チップの少なくとも先端はz方向の磁気モーメン
トを有し、上記ステップ(a)において上記チップは磁
場のz成分のz方向の傾斜が存在するときに力を受ける
請求項15又は16記載の方法。
(17) When the direction perpendicular to the sample surface is the z direction, at least the tip of the tip has a magnetic moment in the z direction, and in step (a) the tip has a magnetic moment in the z direction of the z component of the magnetic field. 17. The method according to claim 15 or 16, wherein the force is applied when the is present.
(18)カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端が磁気モーメントを有するチップと、
上記試料表面と平行な方向をx、y方向、上記試料表面
に垂直な方向をz方向とするとき、それぞれの入力信号
に応じて上記チップをx、y、z方向に動かすためのx
方向駆動手段、y方向駆動手段、及びz方向駆動手段と
、それぞれ上記x方向駆動手段、y方向駆動手段、及び
z方向駆動手段に信号を与えるx方向制御手段、y方向
制御手段、及びz方向制御手段とを備えたSTMを使っ
て、少なくとも表面が導電性である試料の表面形状と該
試料表面近傍の所定周波数で交番する磁場を同時に観測
するための方法であって、(a)上記チップと上記試料
表面の距離をトンネル電流の流れ得る距離に保って、上
記チップを上記試料表面に沿って走査しながら、上記所
定周波数で交番する磁場を発生させ、上記磁気モーメン
トを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させる
ステップと、 (b)トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップと、 (c)トンネル電流の上記所定周波数を含む高周波数成
分をカットするステップと、 (d)上記高周波数成分カット後のトンネル電流が一定
になるように上記z方向制御手段の出力を決定するステ
ップ を含む観測方法。
(18) a cantilever; a chip supported by the cantilever and having at least a tip having a magnetic moment;
When the directions parallel to the sample surface are x and y directions, and the directions perpendicular to the sample surface are z directions, x to move the chip in x, y, and z directions according to each input signal
directional driving means, y-direction driving means, and z-direction driving means; A method for simultaneously observing the surface shape of a sample having at least a conductive surface and a magnetic field alternating at a predetermined frequency in the vicinity of the sample surface using an STM equipped with a control means, the method comprising: (a) the above-mentioned chip; While scanning the tip along the sample surface while keeping the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows tunneling current to flow, a magnetic field alternating at the predetermined frequency is generated, and the magnetic moment interacts with the magnetic field. (b) extracting the predetermined frequency component of the tunnel current; (c) cutting the high frequency component of the tunnel current including the predetermined frequency; (d) An observation method including the step of determining the output of the z-direction control means so that the tunnel current after cutting high frequency components is constant.
(19)上記x方向制御手段、y方向制御手段及びz方
向制御手段の出力を用いて、上記試料表面形状を可視化
するステップを含む請求項18記載の方法。
(19) The method according to claim 18, further comprising the step of visualizing the sample surface shape using the outputs of the x-direction control means, the y-direction control means, and the z-direction control means.
(20)上記x方向制御手段とy方向制御手段の出力及
び上記ステップ(b)で抽出されたトンネル電流の上記
所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデータを可
視化するステップを含む請求項18又は19記載の方法
(20) Claim 18, further comprising the step of visualizing data regarding the magnetic field using the outputs of the x-direction control means and the y-direction control means and the predetermined frequency component of the tunnel current extracted in step (b). 19. The method described in 19.
(21)上記チップの少なくとも先端はz方向の磁気モ
ーメントを有し、上記ステップ(a)において上記チッ
プは磁場のz成分のz方向の傾斜が存在するときに力を
受ける請求項18乃至20の何れかに記載の方法。
(21) At least the tip of the tip has a magnetic moment in the z direction, and in step (a) the tip is subjected to a force when there is a gradient in the z direction of the z component of the magnetic field. Any method described.
(22)カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端の表面が磁性体であるチップとを備え
たSTMを使って、少なくとも表面が導電性である試料
表面近傍の磁場を観測するための方法であって、 (a)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保ちながら、上記チップの磁気モーメ
ントの向きを所定周波数でスイッチし、上記磁気モーメ
ントを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させ
るステップと、 (b)トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップ を含む観測方法。
(22) A method for observing a magnetic field near the surface of a sample whose surface is electrically conductive, using an STM equipped with a cantilever and a tip supported by the cantilever and whose tip surface is a magnetic material. (a) Switching the direction of the magnetic moment of the tip at a predetermined frequency while maintaining the distance between the tip and the surface of the sample at a distance that allows tunneling current to flow, and causing the magnetic moment to interact with the magnetic field. An observation method comprising: vibrating the chip; and (b) extracting the predetermined frequency component of the tunnel current.
(23)上記ステップ(b)で抽出されたトンネル電流
の上記所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデー
タを可視化するステップを含む請求項22記載の方法。
(23) The method according to claim 22, further comprising the step of visualizing data regarding the magnetic field using the predetermined frequency component of the tunneling current extracted in step (b).
(24)上記試料表面に垂直な方向をz方向とするとき
、上記ステップ(a)において、上記チップにz方向の
磁気モーメントを発生させ、上記チップは磁場のz成分
のz方向の傾斜が存在するときに力を受ける請求項22
又は23記載の方法。
(24) When the direction perpendicular to the sample surface is defined as the z direction, in the step (a), a magnetic moment in the z direction is generated in the tip, and the tip has a gradient in the z direction of the z component of the magnetic field. Claim 22: The force is applied when the
or the method described in 23.
(25)カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端の表面が磁性体であるチップと、上記
試料表面と平行な方向をx、y方向、上記試料表面に垂
直な方向をz方向とするとき、それぞれの入力信号に応
じて上記チップをx、y、z方向に動かすためのx方向
駆動手段、y方向駆動手段、及びz方向駆動手段と、そ
れぞれ上記x方向駆動手段、y方向駆動手段、及びz方
向駆動手段に信号を与えるx方向制御手段、y方向制御
手段、及びz方向制御手段とを備えたSTMを使って、
少なくとも表面が導電性である試料の表面形状と該試料
表面近傍の磁場を同時に観測するための方法であって、 (a)上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保って、上記チップを上記試料表面に
沿って走査しながら、上記チップの磁気モーメントの向
きを所定周波数でスイッチし、上記磁気モーメントを上
記磁場と相互作用させて上記チップを振動させるステッ
プと、 (b)トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップと、 (c)トンネル電流の上記所定周波数を含む高周波数成
分をカットするステップと、 (d)上記高周波数成分カット後のトンネル電流が一定
になるように上記z方向制御手段の出力を決定するステ
ップ を含む観測方法。
(25) When a cantilever and a chip supported by the cantilever and having at least the surface of the tip are magnetic, the x and y directions are parallel to the sample surface, and the z direction is perpendicular to the sample surface. , x-direction driving means, y-direction driving means, and z-direction driving means for moving the chip in the x, y, and z directions according to respective input signals, and the x-direction driving means, y-direction driving means, respectively; and x-direction control means, y-direction control means, and z-direction control means for providing a signal to the z-direction drive means,
A method for simultaneously observing the surface shape of a sample having at least a conductive surface and the magnetic field near the sample surface, the method comprising: (a) keeping the distance between the tip and the sample surface at a distance that allows a tunneling current to flow; , while scanning the tip along the sample surface, switching the direction of the magnetic moment of the tip at a predetermined frequency, and causing the magnetic moment to interact with the magnetic field to vibrate the tip; (b) extracting the predetermined frequency component of the tunnel current; (c) cutting the high frequency component of the tunnel current including the predetermined frequency; and (d) ensuring that the tunnel current after cutting the high frequency component remains constant. An observation method comprising the step of determining an output of the z-direction control means.
(26)上記x方向制御手段、y方向制御手段及びz方
向制御手段の出力を用いて、上記試料表面形状を可視化
するステップを含む請求項25記載の方法。
(26) The method according to claim 25, further comprising the step of visualizing the sample surface shape using the outputs of the x-direction control means, the y-direction control means, and the z-direction control means.
(27)上記x方向制御手段とy方向制御手段の出力及
び上記ステップ(b)で抽出されたトンネル電流の上記
所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデータを可
視化するステップを含む請求項25又は26記載の方法
(27) Claim 25, further comprising the step of visualizing data regarding the magnetic field using the outputs of the x-direction control means and the y-direction control means and the predetermined frequency component of the tunnel current extracted in step (b). 26. The method described in 26.
(28)上記ステップ(a)において、上記チップには
z方向の磁気モーメントを発生させ、上記チップは磁場
のz成分のz方向の傾斜が存在するときに力を受ける請
求項25乃至27の何れかに記載の方法。
(28) In the step (a), a magnetic moment in the z-direction is generated in the chip, and the chip receives a force when there is a gradient in the z-direction of the z-component of the magnetic field. Method described in Crab.
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Title
JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY=1988 *

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