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JP2551954B2 - Scanning tunneling microscope - Google Patents
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JP2551954B2 - Scanning tunneling microscope - Google Patents

Scanning tunneling microscope

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JP2551954B2
JP2551954B2 JP62285834A JP28583487A JP2551954B2 JP 2551954 B2 JP2551954 B2 JP 2551954B2 JP 62285834 A JP62285834 A JP 62285834A JP 28583487 A JP28583487 A JP 28583487A JP 2551954 B2 JP2551954 B2 JP 2551954B2
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piezoelectric element
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正志 岩槻
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Nihon Denshi KK
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  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子の印加電圧を制御することによっ
て試料面に探針を近づけて走査しトンネル電流を検出す
る走査トンネル顕微鏡に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a scanning tunneling microscope for detecting a tunnel current by scanning a sample surface by bringing a probe close to the sample surface by controlling an applied voltage to a piezoelectric element.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に、探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重
なり合う1nm程度まで探針を試料に近づけ、この状態で
探針と試料との間に電圧をかけると電流が流れる。この
電流はトンネル電流と呼ばれ、電圧が数mV〜数Vのと
き、1〜10nA程度になる。このトンネル電流の大きさ
は、試料と探針との間の距離により変化するので、トン
ネル電流の大きさを測定することにより試料と探針との
間の距離を超精密測定することができる。従って、探針
位置が既知であれば試料の表面形状を求めることができ
る。またトンネル電流が一定になるように探針位置を制
御すれば探針位置軌跡により同様に試料の表面形状を観
察することができる。
In general, when the probe is brought close to the sample until the atom at the tip of the probe and the electron cloud of the atoms of the sample overlap by about 1 nm, and a voltage is applied between the probe and the sample in this state, a current flows. This current is called a tunnel current, which is about 1 to 10 nA when the voltage is several mV to several V. Since the magnitude of the tunnel current changes depending on the distance between the sample and the probe, the distance between the sample and the probe can be measured ultra-precision by measuring the magnitude of the tunnel current. Therefore, if the probe position is known, the surface shape of the sample can be obtained. Further, if the probe position is controlled so that the tunnel current is constant, the surface shape of the sample can be similarly observed from the probe position locus.

このようなトンネル電流により試料の表面形状を観察
する走査トンネル顕微鏡(STM)においては、試料から
の凹凸像を得るためW(タングステン)等で作製した探
針を試料に近づけトンネル電流を検出する必要がある。
この場合、まず、粗動により探針を0.1μm程度まで試
料に近づけ、そして微動により0.1μmからさらに1nmま
で探針を試料を近づけるため、nmオーダーの制御が必要
になる。
In a scanning tunneling microscope (STM) that observes the surface shape of a sample by such a tunnel current, it is necessary to bring a probe made of W (tungsten) or the like close to the sample to detect the tunnel current in order to obtain an uneven image from the sample. There is.
In this case, first, the probe is brought closer to the sample to about 0.1 μm by the coarse movement, and the probe is brought closer to the sample from 0.1 μm to 1 nm by the fine movement. Therefore, control on the nm order is required.

走査トンネル顕微鏡は、例えば電子顕微鏡に組み込み
使用され、その例を示したのが第2図である。第2図に
おいて、電子顕微鏡用ホルダー12は、STMユニット1を
組み込んでポールピース11の間に配設されたものであ
り、光軸14付近に探針3と試料2も同時に取り付けら
れ、その断面図を示したのが同図(b)であり、ホルダ
ー12を上から見た図を示したのが同図(c)である。こ
のような構成では、同図(b)に示すように電子顕微鏡
により試料2の表面に或る角度でスポット状に電子線16
を照射し、そこで反射像をスクリーン15に投影させるこ
とによって試料面を観察することができ、さらに走査ト
ンネル顕微鏡で探針3を走査することによって表面細部
を超精密に観察することができる。このように走査トン
ネル顕微鏡を電子顕微鏡に組み込むメリットとしては、
上記探針のアプローチを電子顕微鏡での観察下で行える
と同時に、反射電子線回折(REM)法との併用が可能と
なり、REM法での像観察下で同一場所のSTM像を観察する
ことが可能となることである。
The scanning tunneling microscope is used by being incorporated in, for example, an electron microscope, and an example thereof is shown in FIG. In FIG. 2, a holder 12 for an electron microscope is one in which the STM unit 1 is incorporated and is arranged between the pole pieces 11, and the probe 3 and the sample 2 are simultaneously attached near the optical axis 14, and its cross section is shown. The figure is shown in FIG. 11B, and the figure in which the holder 12 is viewed from above is shown in FIG. In such a configuration, as shown in FIG. 3B, the electron beam 16 is spotted on the surface of the sample 2 at a certain angle by an electron microscope.
The sample surface can be observed by irradiating the sample and projecting a reflected image on the screen 15, and by scanning the probe 3 with a scanning tunneling microscope, the surface details can be observed with high precision. The advantages of incorporating a scanning tunneling microscope into an electron microscope are:
The above-mentioned probe approach can be performed under observation with an electron microscope, and at the same time, it can be used in combination with the backscattered electron diffraction (REM) method, and the STM image at the same location can be observed under the image observation by the REM method. It will be possible.

[発明が解決しようとする問題点] ところで、電子顕微鏡に走査トンネル顕微鏡を組み込
んだ場合、圧電素子は、探針をXY走査させたりZ軸方向
へ移動させたりするのに電圧が印加される。従って、そ
の印加される電圧により電場が発生し、この電場は、探
針の移動に伴って常に変化している。このような圧電素
子が電子線照射下にあるため、圧電素子からの電場が電
子線に偏向を与えるという問題がある。また、このシス
テムが絶縁物から出来ている構造上の問題からチャージ
アップ等が発生し、測定に対して誤差を与える。
[Problems to be Solved by the Invention] By the way, when a scanning tunneling microscope is incorporated in an electron microscope, a voltage is applied to the piezoelectric element to move the probe in XY scanning or move in the Z-axis direction. Therefore, an electric field is generated by the applied voltage, and the electric field constantly changes as the probe moves. Since such a piezoelectric element is irradiated with an electron beam, there is a problem that the electric field from the piezoelectric element deflects the electron beam. In addition, due to structural problems that this system is made of an insulator, charge-up or the like occurs, which causes an error in measurement.

本発明は、上記の問題点を解決するためのものであっ
て、電子顕微鏡に走査トンネル顕微鏡を組み込んだ場合
であっても圧電素子の電場が電子線に影響を与えないよ
うにした走査トンネル顕微鏡を提供することを目的とす
るものである。
The present invention is to solve the above problems, and a scanning tunnel microscope in which the electric field of the piezoelectric element does not affect the electron beam even when the scanning tunnel microscope is incorporated in the electron microscope. It is intended to provide.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

そのために本発明は、圧電素子の印加電圧を制御する
ことによって探針を駆動し試料面に近づけて走査しトン
ネル電流を検出する走査トンネル顕微鏡において、探針
を装着したヘッドを絶縁板及び圧電素子により支持した
探針の走査ユニット部を導体にてシールドし、電子顕微
鏡の電子線照射領域または該照射領域近傍に探針を配置
するようにしたことを特徴とする。
Therefore, the present invention is a scanning tunneling microscope in which a probe is driven to scan a sample surface by controlling an applied voltage to the piezoelectric element to detect a tunnel current. The scanning unit portion of the probe supported by is shielded by a conductor, and the probe is arranged in the electron beam irradiation region of the electron microscope or in the vicinity of the irradiation region.

〔作用〕[Action]

本発明の走査トンネル顕微鏡では、圧電素子が取り付
けられる走査ユニット部を導電体により覆いシールドす
るので、電子顕微鏡にユニットが組み込まれても圧電素
子による電場の影響により電子線が偏向されるという影
響を排除することができる。また、電子顕微鏡により電
子線が試料に照射される際にも、走査トンネル顕微鏡ユ
ニットがチャージアップするという問題も回避できる。
In the scanning tunneling microscope of the present invention, the scanning unit portion to which the piezoelectric element is attached is covered and shielded by a conductor, so that even if the unit is incorporated in the electron microscope, the influence that the electron beam is deflected by the influence of the electric field due to the piezoelectric element is reduced. Can be eliminated. Further, it is possible to avoid the problem that the scanning tunneling microscope unit is charged up even when the electron beam is applied to the sample by the electron microscope.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明に係る走査トンネル顕微鏡の走査ユニ
ット部の1実施例を示す図、第2図は走査型トンネル顕
微鏡を組み込んだ電子顕微鏡の構成概要を示す図、第3
図は走査型トンネル顕微鏡の概略構成を示す図、第4図
は3次元アクチュエータの各種形状の例を示す図であ
る。図中、1はSTMユニット、2は試料、3は探針、4
はヘッド、6、8、9と31は圧電素子、5と7は絶縁
板、11はポールピース、12はホルダー、13は駆動機構、
14は光軸、15はスクリーン、16は電子ビーム、21と32は
電極、22はXY走査回路、23はサーボ回路、24はトンネル
電流増幅器、25はバイアス電源、26はメモリ、27はMP
U、28は表示装置を示す。
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a scanning unit section of a scanning tunnel microscope according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an electron microscope incorporating a scanning tunnel microscope, and FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a scanning tunneling microscope, and FIG. 4 is a diagram showing examples of various shapes of a three-dimensional actuator. In the figure, 1 is an STM unit, 2 is a sample, 3 is a probe, 4
Is a head, 6, 8, 9 and 31 are piezoelectric elements, 5 and 7 are insulating plates, 11 is a pole piece, 12 is a holder, 13 is a drive mechanism,
14 is an optical axis, 15 is a screen, 16 is an electron beam, 21 and 32 are electrodes, 22 is an XY scanning circuit, 23 is a servo circuit, 24 is a tunnel current amplifier, 25 is a bias power supply, 26 is a memory, 27 is an MP
U and 28 denote display devices.

第1図において、STMユニット1は、ヘッド4に探針
3が装着され、ヘッド4が絶縁板5、7及び圧電素子
6、8、9により支持されている。圧電素子6、8、9
は、X軸、Y軸、Z軸からなる3次元アクチュエータを
構成し、圧電素子6がZ軸、圧電素子8がX軸、圧電素
子9がY軸を駆動するものであり、この圧電素子6、
8、9を駆動することにより、試料2上を探針3で走査
してトンネル電流及び圧電素子6、8、9の印加電圧を
もとに試料2の表面の凹凸像を得ることができる。
In FIG. 1, in the STM unit 1, a probe 3 is mounted on a head 4, and the head 4 is supported by insulating plates 5, 7 and piezoelectric elements 6, 8, 9. Piezoelectric elements 6, 8, 9
Is a three-dimensional actuator composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis. The piezoelectric element 6 drives the Z axis, the piezoelectric element 8 drives the X axis, and the piezoelectric element 9 drives the Y axis. ,
By driving 8 and 9, it is possible to scan the sample 2 with the probe 3 and obtain an uneven image of the surface of the sample 2 based on the tunnel current and the voltage applied to the piezoelectric elements 6, 8 and 9.

STMユニット1及び試料が第2図に示すホルダー12に
組み込まれるが、本発明の走査トンネル顕微鏡は、この
STMユニット1を導体10により覆いシールドすることに
より、各圧電素子からの電場が光軸上に漏れるのを防止
しようとするものである。
The STM unit 1 and the sample are incorporated in the holder 12 shown in FIG. 2, and the scanning tunneling microscope of the present invention is
By covering and shielding the STM unit 1 with the conductor 10, the electric field from each piezoelectric element is prevented from leaking onto the optical axis.

トンネル電流を検出しながら圧電素子6、8、9を駆
動し、試料2の表面の凹凸像を得る全体のシステム概略
構成を示したのが第3図である。
FIG. 3 shows an overall system schematic configuration in which the piezoelectric elements 6, 8 and 9 are driven while detecting the tunnel current to obtain an uneven image of the surface of the sample 2.

第3図において、3次元アクチュエータを構成する圧
電素子6、8、9のそれぞれ両側に配置された電極21に
は、駆動電圧が印加され、この電極間の電圧がMPU27、
メモリ26を通して制御される。すなわち、3次元アクチ
ュエータの制御では、XY走査回路22によりX軸、Y軸方
向圧電素子8、9に対する印加電圧を掃引することによ
り探針3をX軸、Y軸方向に移動させて走査し、この走
査をしながらトンネル電流が一定になるようにサーボ回
路23を通してZ軸方向圧電素子6に対する電圧を制御す
る。そこで、この制御電圧値をMPU27に読み込み表示装
置28に表示することによって、試料2の表面形状を観察
することができる。
In FIG. 3, a driving voltage is applied to the electrodes 21 arranged on both sides of each of the piezoelectric elements 6, 8 and 9 constituting the three-dimensional actuator, and the voltage between the electrodes is MPU27,
Controlled through memory 26. That is, in the control of the three-dimensional actuator, the XY scanning circuit 22 sweeps the applied voltage to the piezoelectric elements 8 and 9 in the X-axis and Y-axis directions to move the probe 3 in the X-axis and Y-axis directions for scanning. While performing this scanning, the voltage to the Z-axis direction piezoelectric element 6 is controlled through the servo circuit 23 so that the tunnel current becomes constant. Therefore, the surface shape of the sample 2 can be observed by reading this control voltage value into the MPU 27 and displaying it on the display device 28.

3次元アクチュエータとしては、直線タイプ以外に、
第4図(a)に示すように圧電素子31をトライポット型
に接着した片持ち式のものが一番多く使用され、またこ
れよりも剛性を高くするために、同図(b)に示すよう
に圧電素子31を、X軸、Y軸は両端支持、Z軸は一端支
持するようにしたものも使用されている。さらに剛性を
高くしたものとして、同図(c)に示すように圧電素子
31を円筒型に構成し、その表面に4個の電極32を貼付
し、裏面電極との間に電圧を印加するようにしたもの
や、同図(d)に示すキュービックタイプのものも使用
されている。
As a three-dimensional actuator, in addition to the linear type,
As shown in FIG. 4 (a), a cantilever type in which a piezoelectric element 31 is bonded in a tripot type is most often used, and in order to make the rigidity higher than this, shown in FIG. 4 (b). As described above, the piezoelectric element 31 is also used in which the X axis and the Y axis are supported at both ends and the Z axis is supported at one end. As shown in FIG. 6C, the piezoelectric element is assumed to have higher rigidity.
A cylindrical type 31 is used, and four electrodes 32 are attached to the surface of the cylindrical type 31 to apply a voltage between the back side electrode and the cubic type shown in FIG. ing.

電子顕微鏡内では、これらの圧電素子の電場が電子線
に与える影響を無視することはできず、例えば光軸から
5mm離れた場所に100V程度与えると、光軸上の電子線
は、120kVの印加電圧で2〜5nm程度シフトする。距離が
一定であれば、電子線に働くクーロン力は、圧電素子に
印加する電圧に比例するので、駆動距離を大きく取るた
めに印加電圧を大きくすれば、当然偏向量も大きくなっ
てくる。このことは電子顕微鏡で探針を駆動するときの
観察像の軸にも影響を与えるため高い倍率で観察時には
像の歪み等になってしまう。また、ピエゾ素子も含めユ
ニット部は、絶縁物であるため電子線がチャージすると
いう問題が起きる。本発明では、これらの問題が上記の
ように圧電素子を配置した探針の走査ユニット部を導体
にてシールドすることにより防止できる。勿論シールド
は接地することが必要である。
In the electron microscope, the effect of the electric field of these piezoelectric elements on the electron beam cannot be ignored, and for example, from the optical axis
When about 100 V is applied to a place 5 mm away, the electron beam on the optical axis shifts about 2 to 5 nm with an applied voltage of 120 kV. If the distance is constant, the Coulomb force acting on the electron beam is proportional to the voltage applied to the piezoelectric element. Therefore, if the applied voltage is increased to increase the driving distance, the deflection amount naturally increases. This also affects the axis of the observed image when the probe is driven by the electron microscope, so that the image becomes distorted when observed at a high magnification. Further, since the unit portion including the piezo element is an insulator, there is a problem that the electron beam is charged. In the present invention, these problems can be prevented by shielding the scanning unit portion of the probe in which the piezoelectric element is arranged as described above with a conductor. Of course, the shield needs to be grounded.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ST
Mユニットを導体で囲みシールドするので、STMユニット
を電子顕微鏡に組み込んだ場合においても、圧電素子の
電場により電子線が偏向される等の影響を排除すること
ができる。また、電子線照射による像観察時にSTMユニ
ットの絶縁部にチャージアップするのを避けることがで
きる。
As is clear from the above description, according to the present invention, ST
Since the M unit is surrounded by the conductor and shielded, even when the STM unit is incorporated in the electron microscope, it is possible to eliminate the influence of deflection of the electron beam by the electric field of the piezoelectric element. Further, it is possible to avoid charging up the insulating portion of the STM unit during image observation by electron beam irradiation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係る走査トンネル顕微鏡の1実施例を
示す図、第2図は走査型トンネル顕微鏡を組み込んだ電
子顕微鏡の構成概要を示す図、第3図は走査型トンネル
顕微鏡の概略構成を示す図、第4図は3次元アクチュエ
ータの各種形状の例を示す図である。 1……STMユニット、2……試料、3……探針、4……
ヘッド、6、8、9……圧電素子、5と7……絶縁板、
11……ポールピース、12……ホルダー、13……駆動機
構、14……光軸、15……スクリーン、16……電子線。
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a scanning tunnel microscope according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an electron microscope incorporating a scanning tunnel microscope, and FIG. 3 is a schematic configuration of a scanning tunnel microscope. And FIG. 4 are diagrams showing examples of various shapes of the three-dimensional actuator. 1 ... STM unit, 2 ... sample, 3 ... probe, 4 ...
Head, 6, 8, 9 ... Piezoelectric element, 5 and 7 ... Insulating plate,
11 …… Pole piece, 12 …… Holder, 13 …… Drive mechanism, 14 …… Optical axis, 15 …… Screen, 16 …… Electron beam.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】圧電素子の印加電圧を制御することによっ
て探針を駆動し試料面に近づけて走査しトンネル電流を
検出する走査トンネル顕微鏡において、探針を装着した
ヘッドを絶縁板及び圧電素子により支持した探針の走査
ユニット部を導体にてシールドし、電子顕微鏡の電子線
照射領域または該照射領域近傍に探針を配置するように
したことを特徴とする走査トンネル顕微鏡。
1. A scanning tunneling microscope in which a probe is driven by controlling an applied voltage to the piezoelectric element to scan a sample surface to detect a tunnel current, and a head equipped with the probe is provided with an insulating plate and a piezoelectric element. A scanning tunneling microscope, wherein the scanning unit portion of the supported probe is shielded by a conductor, and the probe is arranged in the electron beam irradiation region of the electron microscope or in the vicinity of the irradiation region.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
パリティ、Vol.1,No.7,昭和61年7月号、丸善出版事業部、P.52〜54

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