JPH0783607A - 走査型探針顕微鏡の制御方法 - Google Patents
走査型探針顕微鏡の制御方法Info
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- JPH0783607A JPH0783607A JP5231399A JP23139993A JPH0783607A JP H0783607 A JPH0783607 A JP H0783607A JP 5231399 A JP5231399 A JP 5231399A JP 23139993 A JP23139993 A JP 23139993A JP H0783607 A JPH0783607 A JP H0783607A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 原子間力顕微鏡像と走査トンネル顕微鏡像を
同じ探針で同時に得ることが可能な走査型探針顕微鏡の
制御方法を提供する。 【構成】 物質表面の各測定点において、導電性針先部
１と物質表面４との間にバイアス電圧を印加し、これら
を相対的に接近させつつ、これらの間に流れるトンネル
電流を測定し、その値が所定値になった時点での導電性
針先部１のＺ軸方向の位置を走査トンネル顕微鏡データ
とする。次に、バイアス電圧を切り、導電性針先部１を
物質表面４に接触させ、カンチレバー３の自由端のたわ
み量を測定し、たわみ量が所定値になった時点でのカン
チレバー３のＺ軸方向の変位量を原子間力顕微鏡データ
とする。
同じ探針で同時に得ることが可能な走査型探針顕微鏡の
制御方法を提供する。 【構成】 物質表面の各測定点において、導電性針先部
１と物質表面４との間にバイアス電圧を印加し、これら
を相対的に接近させつつ、これらの間に流れるトンネル
電流を測定し、その値が所定値になった時点での導電性
針先部１のＺ軸方向の位置を走査トンネル顕微鏡データ
とする。次に、バイアス電圧を切り、導電性針先部１を
物質表面４に接触させ、カンチレバー３の自由端のたわ
み量を測定し、たわみ量が所定値になった時点でのカン
チレバー３のＺ軸方向の変位量を原子間力顕微鏡データ
とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、探針を用いて物質表面
の構造を分子・原子レベルで調べる原子間力顕微鏡の機
能及び走査トンネル顕微鏡の機能を併有する走査型探針
顕微鏡の制御方法に関するものである。
の構造を分子・原子レベルで調べる原子間力顕微鏡の機
能及び走査トンネル顕微鏡の機能を併有する走査型探針
顕微鏡の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体表面を原子・分子レベルで観
察できる走査型探針顕微鏡として走査トンネル顕微鏡や
原子間力顕微鏡が開発されている。まず、走査トンネル
顕微鏡の原理を説明する。先端を先鋭化した導電性針先
部を物質表面に数ｎｍ程度まで接近させ、導電性針先部
と物質表面との間にバイアス電圧を印加すると、導電性
針先部と試料表面との間にトンネル電流が流れる。この
トンネル電流を一定にするように、Ｚ軸方向の位置制御
用圧電体と制御回路とにより導電性針先部と物質表面と
の間の距離をフィードバック制御しながら、物質表面を
走査する。トンネル電流は、物質表面の電子雲の違いや
電位変化を反映するため、このフィードバック制御量を
画像化することにより、物質表面を構成している個々の
原子や分子を区別することが可能となる。
察できる走査型探針顕微鏡として走査トンネル顕微鏡や
原子間力顕微鏡が開発されている。まず、走査トンネル
顕微鏡の原理を説明する。先端を先鋭化した導電性針先
部を物質表面に数ｎｍ程度まで接近させ、導電性針先部
と物質表面との間にバイアス電圧を印加すると、導電性
針先部と試料表面との間にトンネル電流が流れる。この
トンネル電流を一定にするように、Ｚ軸方向の位置制御
用圧電体と制御回路とにより導電性針先部と物質表面と
の間の距離をフィードバック制御しながら、物質表面を
走査する。トンネル電流は、物質表面の電子雲の違いや
電位変化を反映するため、このフィードバック制御量を
画像化することにより、物質表面を構成している個々の
原子や分子を区別することが可能となる。
【０００３】次に原子間力顕微鏡の原理を説明する。原
子間力顕微鏡では微小な力を検出するために、導電性針
先部を有する長さ１００μｍから２００μｍ程度のカン
チレバーが用いられる。物質表面を導電性針先部に近づ
けると、導電性針先部と物質表面間に働く原子間力によ
りカンチレバーにたわみが生じる。このたわみ量を一定
に保つように、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体と制御回路
とによりカンチレバーと物質表面間の距離をフィードバ
ック制御しながら、物質表面を走査する。カンチレバー
のたわみ量（すなわち導電性針先部と物質表面間に働く
力）は物質表面の凹凸を反映するため、このフィードバ
ック制御量を画像化することにより、物質表面を構成し
ている原子や分子を区別することが可能となる。
子間力顕微鏡では微小な力を検出するために、導電性針
先部を有する長さ１００μｍから２００μｍ程度のカン
チレバーが用いられる。物質表面を導電性針先部に近づ
けると、導電性針先部と物質表面間に働く原子間力によ
りカンチレバーにたわみが生じる。このたわみ量を一定
に保つように、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体と制御回路
とによりカンチレバーと物質表面間の距離をフィードバ
ック制御しながら、物質表面を走査する。カンチレバー
のたわみ量（すなわち導電性針先部と物質表面間に働く
力）は物質表面の凹凸を反映するため、このフィードバ
ック制御量を画像化することにより、物質表面を構成し
ている原子や分子を区別することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】走査トンネル顕微鏡や
原子間力顕微鏡などの走査型探針顕微鏡では、金属、半
導体、絶縁体などの物質表面の原子の配列を観察するこ
とができる。しかし、導電性針先部を有するカンチレバ
ーを物質表面に数ｎｍの距離まで接近させた場合、ファ
ンデアワールス力等の引力が働き、カンチレバーが物質
表面側にたわみ、導電性針先部をその位置に静止させる
ことが不可能である。そのため、走査トンネル顕微鏡の
機能と原子間力顕微鏡の機能とを同じ探針を用いて同時
に達成する装置はまだ開発されておらず、物質表面の原
子種の同定等は不可能であった。本発明は以上のような
問題点を解決するためになされたものであり、原子間力
顕微鏡の機能と走査トンネル顕微鏡の機能とを併有する
走査型探針顕微鏡の制御方法を得ることを目的としてい
る。
原子間力顕微鏡などの走査型探針顕微鏡では、金属、半
導体、絶縁体などの物質表面の原子の配列を観察するこ
とができる。しかし、導電性針先部を有するカンチレバ
ーを物質表面に数ｎｍの距離まで接近させた場合、ファ
ンデアワールス力等の引力が働き、カンチレバーが物質
表面側にたわみ、導電性針先部をその位置に静止させる
ことが不可能である。そのため、走査トンネル顕微鏡の
機能と原子間力顕微鏡の機能とを同じ探針を用いて同時
に達成する装置はまだ開発されておらず、物質表面の原
子種の同定等は不可能であった。本発明は以上のような
問題点を解決するためになされたものであり、原子間力
顕微鏡の機能と走査トンネル顕微鏡の機能とを併有する
走査型探針顕微鏡の制御方法を得ることを目的としてい
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法は、物質表面
の各測定点において、カンチレバーの自由端近傍に設け
られた導電性針先部と物質表面との間にバイアス電圧を
印加し、前記導電性針先部を前記物質表面に接近または
接触させ、前記導電性針先部と前記物質表面との間に流
れるトンネル電流及び前記導電性針先部と前記物質表面
との間に生じる力を検出しつつ前記物質の表面状態を計
測する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、前記各測
定点において、前記導電性針先部と前記物質表面とが離
れた状態から前記物質表面と前記カンチレバーの固定端
とを相対的に接近させ、前記トンネル電流と前記導電性
針先部と前記物質表面との間に生じる力とを測定するこ
とように構成されている。上記構成において、導電性針
先部と物質表面との間に流れるトンネル電流が所定の設
定値以上になったとき、バイアス電圧を切ることが好ま
しい。また、導電性針先部と物質表面との間に流れるト
ンネル電流が所定の設定値になった時点における導電性
針先部の位置またはカンチレバーの変位にもとずいて表
面状態を画像化することが好ましい。または、導電性針
先部の基準位置における導電性針先部と物質表面との間
に流れるトンネル電流値またはカンチレバーの変位にも
とずいて表面状態を画像化することが好ましい。また
は、カンチレバーの変位が所定の設定値になった時点に
おける導電性針先部の位置またはトンネル電流値にもと
ずいて表面状態を画像化することが好ましい。または、
導電性針先部と物質表面との間に流れるトンネル電流値
が所定の設定値になった時点における導電性針先部の位
置またはカンチレバーの変位にもとずいて表面状態を画
像化することが好ましい。さらに、導電性針先部を物質
表面から引き離した後、前記物質表面のある測定点から
次の測定点へカンチレバーを相対的に移動させることが
好ましい。
に、本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法は、物質表面
の各測定点において、カンチレバーの自由端近傍に設け
られた導電性針先部と物質表面との間にバイアス電圧を
印加し、前記導電性針先部を前記物質表面に接近または
接触させ、前記導電性針先部と前記物質表面との間に流
れるトンネル電流及び前記導電性針先部と前記物質表面
との間に生じる力を検出しつつ前記物質の表面状態を計
測する走査型探針顕微鏡の制御方法であって、前記各測
定点において、前記導電性針先部と前記物質表面とが離
れた状態から前記物質表面と前記カンチレバーの固定端
とを相対的に接近させ、前記トンネル電流と前記導電性
針先部と前記物質表面との間に生じる力とを測定するこ
とように構成されている。上記構成において、導電性針
先部と物質表面との間に流れるトンネル電流が所定の設
定値以上になったとき、バイアス電圧を切ることが好ま
しい。また、導電性針先部と物質表面との間に流れるト
ンネル電流が所定の設定値になった時点における導電性
針先部の位置またはカンチレバーの変位にもとずいて表
面状態を画像化することが好ましい。または、導電性針
先部の基準位置における導電性針先部と物質表面との間
に流れるトンネル電流値またはカンチレバーの変位にも
とずいて表面状態を画像化することが好ましい。また
は、カンチレバーの変位が所定の設定値になった時点に
おける導電性針先部の位置またはトンネル電流値にもと
ずいて表面状態を画像化することが好ましい。または、
導電性針先部と物質表面との間に流れるトンネル電流値
が所定の設定値になった時点における導電性針先部の位
置またはカンチレバーの変位にもとずいて表面状態を画
像化することが好ましい。さらに、導電性針先部を物質
表面から引き離した後、前記物質表面のある測定点から
次の測定点へカンチレバーを相対的に移動させることが
好ましい。
【０００６】
【作用】物質表面の各測定点において、まず、導電性針
先部と物質表面との間にバイアス電圧を印加し、導電性
針先部と物質表面を相対的に接近させながら、導電性針
先部と物質表面との間に流れるトンネル電流を測定し、
トンネル電流が所定の設定値になった時点における導電
性針先部のＺ軸方向における位置を走査トンネル顕微鏡
データとして記憶する。次に、バイアス電圧を切り、導
電性針先部を物質表面に接触させカンチレバーの自由端
のたわみ量を測定する。たわみ量が所定の設定値になっ
た時点におけるカンチレバーのＺ軸方向における変位量
を原子間力顕微鏡データとして記憶する。そして、導電
性針先部を物質表面から引き離した後、物質表面のある
測定点から次の測定点へカンチレバーをＸ軸方向及び／
又はＹ軸方向に相対的に移動させる。すなわち、本発明
の走査型探針顕微鏡の制御方法によれば、一つの測定点
において、導電性針先部を物質表面から離れた位置から
物質表面にＺ軸方向に相対的に近づけ、さらに物質表面
から引き離すように制御しているので、ファンデルワー
ルス力等の引力により導電性針先部が試料表面に接触し
たとしても、物質表面と導電性針先部を相対的に引き離
すことにより、各測定点において１ｎｍ程度の距離にお
けるトンネル電流を測定することが可能となる。その結
果、原子間力顕微鏡の機能と走査トンネル顕微鏡の機能
とを複合化することが可能となり、これらの像から原子
種の同定等を行い得る。同様に、導電性針先部の基準位
置における導電性針先部と物質表面との間に流れるトン
ネル電流値またはカンチレバーの変位、カンチレバーの
変位が所定の設定値になった時点における導電性針先部
の位置またはトンネル電流値、または導電性針先部と物
質表面との間に流れるトンネル電流値が所定の設定値に
なった時点における導電性針先部の位置またはカンチレ
バーの変位にもとずいて表面状態を画像化しても、原子
間力顕微鏡像及び走査トンネル顕微鏡像が得られる。
先部と物質表面との間にバイアス電圧を印加し、導電性
針先部と物質表面を相対的に接近させながら、導電性針
先部と物質表面との間に流れるトンネル電流を測定し、
トンネル電流が所定の設定値になった時点における導電
性針先部のＺ軸方向における位置を走査トンネル顕微鏡
データとして記憶する。次に、バイアス電圧を切り、導
電性針先部を物質表面に接触させカンチレバーの自由端
のたわみ量を測定する。たわみ量が所定の設定値になっ
た時点におけるカンチレバーのＺ軸方向における変位量
を原子間力顕微鏡データとして記憶する。そして、導電
性針先部を物質表面から引き離した後、物質表面のある
測定点から次の測定点へカンチレバーをＸ軸方向及び／
又はＹ軸方向に相対的に移動させる。すなわち、本発明
の走査型探針顕微鏡の制御方法によれば、一つの測定点
において、導電性針先部を物質表面から離れた位置から
物質表面にＺ軸方向に相対的に近づけ、さらに物質表面
から引き離すように制御しているので、ファンデルワー
ルス力等の引力により導電性針先部が試料表面に接触し
たとしても、物質表面と導電性針先部を相対的に引き離
すことにより、各測定点において１ｎｍ程度の距離にお
けるトンネル電流を測定することが可能となる。その結
果、原子間力顕微鏡の機能と走査トンネル顕微鏡の機能
とを複合化することが可能となり、これらの像から原子
種の同定等を行い得る。同様に、導電性針先部の基準位
置における導電性針先部と物質表面との間に流れるトン
ネル電流値またはカンチレバーの変位、カンチレバーの
変位が所定の設定値になった時点における導電性針先部
の位置またはトンネル電流値、または導電性針先部と物
質表面との間に流れるトンネル電流値が所定の設定値に
なった時点における導電性針先部の位置またはカンチレ
バーの変位にもとずいて表面状態を画像化しても、原子
間力顕微鏡像及び走査トンネル顕微鏡像が得られる。
【０００７】
【実施例】本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法の一実
施例を図１から図４までを用いて説明する。図１は、本
発明の走査型探針顕微鏡の制御方法の一実施例に適する
走査型探針顕微鏡の構成を示す図である。図１におい
て、探針（プローブ）１００は薄膜カンチレバー３と導
電性針先部（チップ）１とで構成されている。導電性針
先部１は白金イリジウム合金等で形成されている。薄膜
カンチレバー３は、例えば厚さ0.5μm、長さ200μm、幅
40μｍの矩形状窒化珪素等である。導電性針先部１は、
薄膜カンチレバー３の自由端近傍に接着剤等で固定され
ている。薄膜カンチレバー３の導電性針先部１が接着さ
れている側の面には、金属薄膜２が設けられており、導
電性針先部１に流れる電流は金属薄膜２により外部に取
り出される。試料４は導電性試料台８の上に載置され、
導電性試料台８に電気的に接続されている。導電性試料
台８は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３方向の位置制御用圧電
体５、６及び７で構成されたチューブ型の微動機構に取
り付けられている。導電性試料台８には電圧発生装置９
が接続され、また探針１００には電流測定装置１０が接
続されている。
施例を図１から図４までを用いて説明する。図１は、本
発明の走査型探針顕微鏡の制御方法の一実施例に適する
走査型探針顕微鏡の構成を示す図である。図１におい
て、探針（プローブ）１００は薄膜カンチレバー３と導
電性針先部（チップ）１とで構成されている。導電性針
先部１は白金イリジウム合金等で形成されている。薄膜
カンチレバー３は、例えば厚さ0.5μm、長さ200μm、幅
40μｍの矩形状窒化珪素等である。導電性針先部１は、
薄膜カンチレバー３の自由端近傍に接着剤等で固定され
ている。薄膜カンチレバー３の導電性針先部１が接着さ
れている側の面には、金属薄膜２が設けられており、導
電性針先部１に流れる電流は金属薄膜２により外部に取
り出される。試料４は導電性試料台８の上に載置され、
導電性試料台８に電気的に接続されている。導電性試料
台８は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３方向の位置制御用圧電
体５、６及び７で構成されたチューブ型の微動機構に取
り付けられている。導電性試料台８には電圧発生装置９
が接続され、また探針１００には電流測定装置１０が接
続されている。
【０００８】電圧発生装置９により発生されたバイアス
電圧を導電性試料台８を介して試料４と探針１００との
間に印加する。導電性針先部１と試料４との間に流れる
トンネル電流は電流測定装置１０により検出される。試
料４の水平面内（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の走査および
垂直方向（Ｚ軸方向）の制御は、コンピュータ１１と圧
電体駆動装置１２により所定の電圧を発生し、発生した
電圧をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の位置制御用圧電体５、
６及び７に印加することにより行った。カンチレバー３
の自由端のたわみ量及びねじれ量は、出力５ｍＷの半導
体レーザー１３から出射されたレーザー光をレンズ１４
によりカンチレバー自由端の背面に集光し、その反射光
を２分割フォトダイオード１５により検出する光てこに
より測定した。
電圧を導電性試料台８を介して試料４と探針１００との
間に印加する。導電性針先部１と試料４との間に流れる
トンネル電流は電流測定装置１０により検出される。試
料４の水平面内（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の走査および
垂直方向（Ｚ軸方向）の制御は、コンピュータ１１と圧
電体駆動装置１２により所定の電圧を発生し、発生した
電圧をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の位置制御用圧電体５、
６及び７に印加することにより行った。カンチレバー３
の自由端のたわみ量及びねじれ量は、出力５ｍＷの半導
体レーザー１３から出射されたレーザー光をレンズ１４
によりカンチレバー自由端の背面に集光し、その反射光
を２分割フォトダイオード１５により検出する光てこに
より測定した。
【０００９】以下、超高真空中でＩｎＳｂ結晶の（１１
０）へき開面を観察した場合における、走査型探針顕微
鏡の操作方法について述べる。テルル（Ｔｅ）をドープ
したｎタイプのＩｎＳｂ結晶を導電性試料台８に載置
し、超高真空中でへき開することにより（１１０）清浄
表面を露出させ、これを試料４として用いた。本実施例
では、各測定点において、試料４に＋１.０Ｖのバイア
ス電圧を印加し、導電性針先部１が試料４に接近し、導
電性針先部１と試料４との間に流れるトンネル電流が
０.１ｎＡ以上になった時点で、バイアス電圧を切っ
た。また、導電性針先部１が試料４から斥力を受け、カ
ンチレバー自由端に発生するたわみ量が、１０ｎｍ以上
になった時点で、Ｚ軸方向に導電性針先部１を試料４か
ら引き離すように設定した。さらに、トンネル電流及び
たわみ量が設定値になった時点における導電性針先部１
のＺ軸方向の位置をその測定点におけるそれぞれ走査ト
ンネル顕微鏡像データ及び原子間力顕微鏡像データとし
てコンピュータ１１に取り込んだ。
０）へき開面を観察した場合における、走査型探針顕微
鏡の操作方法について述べる。テルル（Ｔｅ）をドープ
したｎタイプのＩｎＳｂ結晶を導電性試料台８に載置
し、超高真空中でへき開することにより（１１０）清浄
表面を露出させ、これを試料４として用いた。本実施例
では、各測定点において、試料４に＋１.０Ｖのバイア
ス電圧を印加し、導電性針先部１が試料４に接近し、導
電性針先部１と試料４との間に流れるトンネル電流が
０.１ｎＡ以上になった時点で、バイアス電圧を切っ
た。また、導電性針先部１が試料４から斥力を受け、カ
ンチレバー自由端に発生するたわみ量が、１０ｎｍ以上
になった時点で、Ｚ軸方向に導電性針先部１を試料４か
ら引き離すように設定した。さらに、トンネル電流及び
たわみ量が設定値になった時点における導電性針先部１
のＺ軸方向の位置をその測定点におけるそれぞれ走査ト
ンネル顕微鏡像データ及び原子間力顕微鏡像データとし
てコンピュータ１１に取り込んだ。
【００１０】次に、測定時におけるＸ軸及びＺ軸方向の
位置制御用圧電体５及び７に印加する電圧１６及び１７
と、カンチレバー３のたわみ量１８と、試料４に印加し
たバイアス電圧１９と、トンネル電流２０との関係を図
２に示す。カンチレバー３の自由端のたわみ量及び導電
性針先部１と試料４との間に流れるトンネル電流を検出
しながら、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加する電
圧を徐々に増加し、導電性針先部１を試料４表面に接近
させた。トンネル電流が設定値になった時点における、
Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加した電圧２１を走
査トンネル顕微鏡像データとしてコンピュータ１１に記
憶させた。同時に、試料４に印加したバイアス電圧を切
った。さらに、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加す
る電圧を徐々に増加し、導電性針先部１を試料４の表面
に接触させた。導電性針先部１が試料４の表面に接触し
た後、カンチレバー３は徐々にたわむ。カンチレバー３
の自由端のたわみ量が設定値になった時点における、Ｚ
軸方向の位置制御用圧電体７に印加した電圧２２を原子
間力顕微鏡像データとしてコンピュータ１１に記憶させ
た。それと同時に、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印
加している電圧を低下させ、導電性針先部１を試料４か
ら５０ｎｍ引き離した。その後、Ｘ軸方向の位置制御用
圧電体５に所定の電圧を印加し、試料４をＸ軸方向に所
定距離だけ移動させた。その後、再び試料４にバイアス
電圧を印加し、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加す
る電圧を徐々に増加し、同じ操作を繰り返した。各測定
点における測定間隔は１ｍ秒程度であった。このような
測定を２５６回Ｘ軸方向に繰り返し、１ライン分の走査
を終了した。次にＹ軸方向の位置制御用圧電体６により
試料４をＹ軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の操作
によりさらに１ラインの走査を行った。Ｙ軸方向に２５
６回の走査した後、全測定点において交互に２つづつコ
ンピュータ１１に取り込まれた２５６×２５６組の電圧
データを走査トンネル顕微鏡像及び原子間力顕微鏡像と
して画像化した。
位置制御用圧電体５及び７に印加する電圧１６及び１７
と、カンチレバー３のたわみ量１８と、試料４に印加し
たバイアス電圧１９と、トンネル電流２０との関係を図
２に示す。カンチレバー３の自由端のたわみ量及び導電
性針先部１と試料４との間に流れるトンネル電流を検出
しながら、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加する電
圧を徐々に増加し、導電性針先部１を試料４表面に接近
させた。トンネル電流が設定値になった時点における、
Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加した電圧２１を走
査トンネル顕微鏡像データとしてコンピュータ１１に記
憶させた。同時に、試料４に印加したバイアス電圧を切
った。さらに、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加す
る電圧を徐々に増加し、導電性針先部１を試料４の表面
に接触させた。導電性針先部１が試料４の表面に接触し
た後、カンチレバー３は徐々にたわむ。カンチレバー３
の自由端のたわみ量が設定値になった時点における、Ｚ
軸方向の位置制御用圧電体７に印加した電圧２２を原子
間力顕微鏡像データとしてコンピュータ１１に記憶させ
た。それと同時に、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印
加している電圧を低下させ、導電性針先部１を試料４か
ら５０ｎｍ引き離した。その後、Ｘ軸方向の位置制御用
圧電体５に所定の電圧を印加し、試料４をＸ軸方向に所
定距離だけ移動させた。その後、再び試料４にバイアス
電圧を印加し、Ｚ軸方向の位置制御用圧電体７に印加す
る電圧を徐々に増加し、同じ操作を繰り返した。各測定
点における測定間隔は１ｍ秒程度であった。このような
測定を２５６回Ｘ軸方向に繰り返し、１ライン分の走査
を終了した。次にＹ軸方向の位置制御用圧電体６により
試料４をＹ軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の操作
によりさらに１ラインの走査を行った。Ｙ軸方向に２５
６回の走査した後、全測定点において交互に２つづつコ
ンピュータ１１に取り込まれた２５６×２５６組の電圧
データを走査トンネル顕微鏡像及び原子間力顕微鏡像と
して画像化した。
【００１１】上記方法により得られた走査トンネル顕微
鏡像および原子間力顕微鏡像の概略を図３及び図４に示
す。図３における丸印２３の領域はトンネル電流が流れ
易い領域を示し、Ｉｎ原子の配列を示している。図４に
おける大きな丸印２４の領域は試料表面が他の領域より
高い領域を示し、小さな丸印２５の領域は他の領域より
も少し高い領域を示している。図３と図４を重ね合わせ
ると、図３の丸印は図４の小さな丸印と合致し、これら
はＩｎ原子を表わしている。したがって、図４の大きな
丸はＳｂ原子に対応することがわかる。すなわち、従来
の走査トンネル顕微鏡では、印加電圧の極性によりＩｎ
かＳｂのどちらかの原子を表示できるだけであったが、
本発明の走査型探針顕微鏡によれば両方の原子を表示で
き、得られた走査トンネル顕微鏡像と原子間力顕微鏡像
とを比較することにより原子種の同定も可能である。
鏡像および原子間力顕微鏡像の概略を図３及び図４に示
す。図３における丸印２３の領域はトンネル電流が流れ
易い領域を示し、Ｉｎ原子の配列を示している。図４に
おける大きな丸印２４の領域は試料表面が他の領域より
高い領域を示し、小さな丸印２５の領域は他の領域より
も少し高い領域を示している。図３と図４を重ね合わせ
ると、図３の丸印は図４の小さな丸印と合致し、これら
はＩｎ原子を表わしている。したがって、図４の大きな
丸はＳｂ原子に対応することがわかる。すなわち、従来
の走査トンネル顕微鏡では、印加電圧の極性によりＩｎ
かＳｂのどちらかの原子を表示できるだけであったが、
本発明の走査型探針顕微鏡によれば両方の原子を表示で
き、得られた走査トンネル顕微鏡像と原子間力顕微鏡像
とを比較することにより原子種の同定も可能である。
【００１２】なお、上記実施例では、トンネル電流値、
あるいはカンチレバーのたわみ量（変位）が所定の設定
値になった時点におけるデータを画像化した場合につい
て説明したが、所定の基準位置におけるトンネル電流値
やカンチレバーのたわみ量、トンネル電流値が所定の設
定値になった時点におけるカンチレバーのたわみ量、又
はカンチレバーのたわみ量が所定の設定値になった時点
におけるトンネル電流値を画像化することによっても、
各種表面情報が得られた。
あるいはカンチレバーのたわみ量（変位）が所定の設定
値になった時点におけるデータを画像化した場合につい
て説明したが、所定の基準位置におけるトンネル電流値
やカンチレバーのたわみ量、トンネル電流値が所定の設
定値になった時点におけるカンチレバーのたわみ量、又
はカンチレバーのたわみ量が所定の設定値になった時点
におけるトンネル電流値を画像化することによっても、
各種表面情報が得られた。
【００１３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、物質表
面の各測定点において導電性針先部と物質表面との間に
バイアス電圧を印加し、導電性針先部と物質表面を相対
的に接近させながら、導電性針先部と物質表面との間に
流れるトンネル電流を測定し、トンネル電流が所定の設
定値になった時点における導電性針先部のＺ軸方向にお
ける位置を走査トンネル顕微鏡データとして記憶し、次
にバイアス電圧を切り、導電性針先部を物質表面に接触
させカンチレバーの自由端のたわみ量を測定し、たわみ
量が所定の設定値になった時点におけるカンチレバーの
Ｚ軸方向における変位量を原子間力顕微鏡データとして
記憶するように構成したので、原子間力顕微鏡像と走査
トンネル顕微鏡像を同じ探針で同時に得ることができ、
また、これらの像から原子種の同定等が可能な走査型探
針顕微鏡が得られるという効果を有する。
面の各測定点において導電性針先部と物質表面との間に
バイアス電圧を印加し、導電性針先部と物質表面を相対
的に接近させながら、導電性針先部と物質表面との間に
流れるトンネル電流を測定し、トンネル電流が所定の設
定値になった時点における導電性針先部のＺ軸方向にお
ける位置を走査トンネル顕微鏡データとして記憶し、次
にバイアス電圧を切り、導電性針先部を物質表面に接触
させカンチレバーの自由端のたわみ量を測定し、たわみ
量が所定の設定値になった時点におけるカンチレバーの
Ｚ軸方向における変位量を原子間力顕微鏡データとして
記憶するように構成したので、原子間力顕微鏡像と走査
トンネル顕微鏡像を同じ探針で同時に得ることができ、
また、これらの像から原子種の同定等が可能な走査型探
針顕微鏡が得られるという効果を有する。
【図１】本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法に適する
走査型探針顕微鏡の構成を示す図
走査型探針顕微鏡の構成を示す図
【図２】本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法の一実施
例におけるＸ軸及びＺ軸方向の位置制御用圧電体への印
加電圧、カンチレバーのたわみ量、試料に印加したバイ
アス電圧及びトンネル電流の時間変化の関係を示す図
例におけるＸ軸及びＺ軸方向の位置制御用圧電体への印
加電圧、カンチレバーのたわみ量、試料に印加したバイ
アス電圧及びトンネル電流の時間変化の関係を示す図
【図３】本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法によりに
得られた走査トンネル顕微鏡像を示す図
得られた走査トンネル顕微鏡像を示す図
【図４】本発明の走査型探針顕微鏡の制御方法によりに
得られた原子間力顕微鏡像を示す図
得られた原子間力顕微鏡像を示す図
１ ： 導電性針先部 ２ ： 金属薄膜 ３ ： 薄膜カンチレバー ４ ： 試料 ５ ： Ｘ軸方向の位置制御用圧電体 ６ ： Ｙ軸方向の位置制御用圧電体 ７ ： Ｚ軸方向の位置制御用圧電体 ８ ： 導電性試料台 ９ ： 電圧発生装置 １０ ： 電流測定装置 １１ ： コンピュータ １２ ： 圧電体駆動装置 １３ ： 半導体レーザー １４ ： 集光レンズ １５ ： ２分割フォトダイオード １６ ： Ｘ軸方向の位置制御用圧電体に印加する
電圧 １７ ： Ｚ軸方向の位置制御用圧電体に印加する
電圧 １８ ： カンチレバー自由端のたわみ量 １９ ： 試料に印加するバイアス電圧 ２０ ： トンネル電流 ２１ ： トンネル電流が設定値になった時点での
印加電圧 ２２ ： たわみ量が設定値になった時点での印加
電圧 ２３ ： Ｉｎ原子 ２４ ： Ｓｂ原子 ２５ ： Ｉｎ原子 １００ ： 探針
電圧 １７ ： Ｚ軸方向の位置制御用圧電体に印加する
電圧 １８ ： カンチレバー自由端のたわみ量 １９ ： 試料に印加するバイアス電圧 ２０ ： トンネル電流 ２１ ： トンネル電流が設定値になった時点での
印加電圧 ２２ ： たわみ量が設定値になった時点での印加
電圧 ２３ ： Ｉｎ原子 ２４ ： Ｓｂ原子 ２５ ： Ｉｎ原子 １００ ： 探針
Claims (7)
- 【請求項１】 物質表面の各測定点において、カンチレ
バーの自由端近傍に設けられた導電性針先部と物質表面
との間にバイアス電圧を印加し、前記導電性針先部を前
記物質表面に接近または接触させ、前記導電性針先部と
前記物質表面との間に流れるトンネル電流及び前記導電
性針先部と前記物質表面との間に生じる力を検出しつつ
前記物質の表面状態を計測する走査型探針顕微鏡の制御
方法であって、前記各測定点において、前記導電性針先
部と前記物質表面とが離れた状態から前記物質表面と前
記カンチレバーの固定端とを相対的に接近させ、前記ト
ンネル電流と前記導電性針先部と前記物質表面との間に
生じる力とを測定することを特徴とする走査型探針顕微
鏡の制御方法。 - 【請求項２】 導電性針先部と物質表面との間に流れる
トンネル電流が所定の設定値以上になったとき、バイア
ス電圧を切ることを特徴とする請求項１記載の走査型探
針顕微鏡の制御方法。 - 【請求項３】 導電性針先部と物質表面との間に流れる
トンネル電流が所定の設定値になった時点における導電
性針先部の位置またはカンチレバーの変位にもとずいて
表面状態を画像化することを特徴とする請求項１または
２に記載の走査型探針顕微鏡の制御方法。 - 【請求項４】 導電性針先部の基準位置における導電性
針先部と物質表面との間に流れるトンネル電流値または
カンチレバーの変位にもとずいて表面状態を画像化する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の走査型探針
顕微鏡の制御方法。 - 【請求項５】 カンチレバーの変位が所定の設定値にな
った時点における導電性針先部の位置またはトンネル電
流値にもとずいて表面状態を画像化することを特徴とす
る請求項１または２に記載の走査型探針顕微鏡の制御方
法。 - 【請求項６】 導電性針先部と物質表面との間に流れる
トンネル電流値が所定の設定値になった時点における位
置またはカンチレバーの変位にもとずいて表面状態を画
像化することを特徴とする請求項１または２に記載の走
査型探針顕微鏡の制御方法。 - 【請求項７】 導電性針先部を物質表面から引き離した
後、前記物質表面のある測定点から次の測定点へカンチ
レバーを相対的に移動させることを特徴とする請求項１
から６のいずれかに記載の走査型探針顕微鏡の制御方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5231399A JPH0783607A (ja) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | 走査型探針顕微鏡の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5231399A JPH0783607A (ja) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | 走査型探針顕微鏡の制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0783607A true JPH0783607A (ja) | 1995-03-28 |
Family
ID=16923000
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5231399A Pending JPH0783607A (ja) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | 走査型探針顕微鏡の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0783607A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009036528A (ja) * | 2007-07-31 | 2009-02-19 | Shimadzu Corp | 表面物性の測定方法及び微細加工方法 |
| JP4697852B2 (ja) * | 2002-10-17 | 2011-06-08 | インテル・コーポレーション | 分子構造を検出および同定するための走査型プローブ顕微鏡像のモデルを用いた融合 |
-
1993
- 1993-09-17 JP JP5231399A patent/JPH0783607A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4697852B2 (ja) * | 2002-10-17 | 2011-06-08 | インテル・コーポレーション | 分子構造を検出および同定するための走査型プローブ顕微鏡像のモデルを用いた融合 |
| JP2009036528A (ja) * | 2007-07-31 | 2009-02-19 | Shimadzu Corp | 表面物性の測定方法及び微細加工方法 |
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