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JP3085960B2 - Scanning tunneling potential spectroscopy microscope and scanning tunneling potential spectroscopy information detection method - Google Patents
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JP3085960B2 - Scanning tunneling potential spectroscopy microscope and scanning tunneling potential spectroscopy information detection method - Google Patents

Scanning tunneling potential spectroscopy microscope and scanning tunneling potential spectroscopy information detection method

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JP3085960B2
JP3085960B2 JP01252587A JP25258789A JP3085960B2 JP 3085960 B2 JP3085960 B2 JP 3085960B2 JP 01252587 A JP01252587 A JP 01252587A JP 25258789 A JP25258789 A JP 25258789A JP 3085960 B2 JP3085960 B2 JP 3085960B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microsc
opy:STM)は、電子のトンネル現象を利用して導電性表
面の形状を原子レベルの分解能で測定できる顕微鏡であ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial application] Scanning Tunneling Microsc
opy: STM) is a microscope that can measure the shape of a conductive surface at the atomic resolution using the electron tunneling phenomenon.

STMは尖った探針と試料との間にバイアス電圧を印加
し、探針と試料との間に流れるトンネル電流を一定に保
ちながら探針を走査し、探針の位置情報から試料の凹凸
を反映するSTM像を得る。
The STM applies a bias voltage between the sharp probe and the sample, scans the probe while keeping the tunnel current flowing between the probe and the sample constant, and detects the unevenness of the sample from the position information of the probe. Obtain an STM image to reflect.

トンネル電流は試料と探針との間の距離、試料の微視
的電子物性、試料の局所的電位を反映するため、通常の
STM像は試料表面の微視的な粗さ、微視的な電子物性の
変化、及び、試料表面の電位分布の情報を含んでいる。
そこで、トンネル電流から表面の凹凸像と表面の電子物
性の変化像を分離し、表面の電子物性の変化像を抽出す
る方法を走査型トンネル分光法(Scanning Tunneling S
pectroscopy:STS)という。また、トンネル電流から試
料表面の電位分布を抽出する方法を走査型トンネルポテ
ンシオメトリィ(Scanning Tunneling Potentiometry:S
TP)という。
Tunnel current reflects the distance between the sample and the probe, the microscopic electronic properties of the sample, and the local potential of the sample.
The STM image contains information on the microscopic roughness of the sample surface, microscopic changes in electronic physical properties, and the potential distribution on the sample surface.
Therefore, scanning tunneling spectroscopy (Scanning Tunneling S) is used to separate the surface roughness image and the change image of the electronic properties of the surface from the tunnel current and extract the change image of the electronic properties of the surface.
pectroscopy: STS). In addition, the method of extracting the potential distribution on the sample surface from the tunnel current is described as Scanning Tunneling Potentiometry: S
TP).

この発明は試料の凹凸を測定するとともに、導電性試
料表面の局所的な電位分布および局所的な電子状態を測
定する走査型ポテンシャル分光顕微鏡(Scannig Tunnel
ing Potentio−Spectroscopy:STPS)に関する。
The present invention measures the unevenness of a sample, and also measures a local potential distribution and a local electronic state of a conductive sample surface using a scanning potential spectroscopy microscope (Scannig Tunnel).
ing Potentio-Spectroscopy: STPS).

[従来の技術] 導電性試料と探針との間にバイアス電圧UBを印加し、
探針を試料に10Å程度の距離まで近づけると、探針と試
料との間にトンネル電流が流れる。STMはトンネル電流
を一定に保ちながら探針を試料表面に平行なXY表面で走
査し、探針の動きを記録することによりSTM像を得る。
トンネル電流ITは探針試料間距離Sに対して次のような
指数関数的存在性を示す。
Applying a bias voltage U B between the [prior art] conductive sample and the probe,
When the probe approaches the sample to a distance of about 10 °, a tunnel current flows between the probe and the sample. The STM scans the probe on the XY surface parallel to the sample surface while keeping the tunnel current constant, and records the movement of the probe to obtain an STM image.
Tunneling current I T denotes the exponential existence as follows with respect to the probe-sample distance S.

IT=UB/RTexp(−BS√φ) (1) ここに、Bは1.025/Å√eV程度の数係数、RTはトンネ
ル抵抗、φはトンネルバリアハイト(φ=(φ
φ)/2、φ1:探針の仕事関数、φ2:試料の仕事関数)
である。清浄な金属表面のトンネルバリアハイトφは約
1〜5eVであるので、(1)式から、Sが1Å変化する
とトンネル電流ITは1桁程度変化することがわかる。ST
Mはトンネル電流ITから試料・探針間距離Sを検出し、
圧電体の微動素子を用いて探針または試料をZ方向に微
動させ、トンネル電流を一定に保つようにサーボをかけ
て距離Sを制御する。この制御はÅ以下の制度で行わ
れ、探針のXY走査の動きと同時に制御電圧を記録するこ
とによって、原子的オーダーの3次元顕微鏡像すなわち
STM像が得られる。
I T = U B / R T exp (−BS√φ) (1) where B is a numerical coefficient of about 1.025 / Å√eV, R T is a tunnel resistance, and φ is a tunnel barrier height (φ = (φ 1 +
φ 2 ) / 2, φ 1 : Work function of probe, φ 2 : Work function of sample
It is. Since the tunnel barrier height φ for the clean metal surface is about 1~5eV, (1) from the equation, S is the tunneling current I T When changes 1Å it can be seen that the changes by about one digit. ST
M detects the distance S between the sample-probe from the tunnel current I T,
The probe or the sample is finely moved in the Z direction using a piezoelectric fine movement element, and the distance S is controlled by servo control so as to keep the tunnel current constant. This control is performed according to the following system. By recording the control voltage simultaneously with the XY scanning movement of the probe, a three-dimensional atomic order microscopic image,
An STM image is obtained.

(1)式に現れるバリアハイトφ、トンネル抵抗RT
バイアス電圧UBが場所によらずに一定の試料を測定した
場合、得られるSTM像は試料表面の凹凸に忠実に表す。
しかしながら、実際に測定される試料はバリアハイト
φ、トンネル抵抗RT、バイアス電圧を決める表面電位分
布が局所的に変化するものが多い。このような試料を測
定して得られるSTM像は、表面の凹凸、トンネルする電
子のエネルギー状態、及び場所による表面電位の違いを
含んでいる。
The barrier height φ, the tunnel resistance R T ,
If the bias voltage U B was measured a certain sample regardless of the location, the resulting STM images faithfully represent the unevenness of the sample surface.
However, many of the samples to be actually measured have local variations in the surface potential distribution that determines the barrier height φ, the tunnel resistance R T , and the bias voltage. An STM image obtained by measuring such a sample includes a difference in surface potential depending on the surface irregularities, the energy state of tunneling electrons, and the location.

トンネル電流から電子のエネルギー状態に関する情報
を分離する方法として、トンネル電流のバイアス電圧UT
依存性∂IT/∂UT、(∂IT/∂UT)/(∂UT/∂IT)、∂2
IT/∂2UTなどから電子やフォノンの状態密度の分布を求
める微分コンダクタンス分光法と、トンネル電流の試料
探針間距離依存性∂lnIT/∂Sからトンネルバリアハイ
トφの分布を求めるバリアハイト分光法とがある。これ
らは総称して走査型トンネル分光顕微鏡(STS)と言わ
れている。
As a method of separating information about the energy state of electrons from the tunnel current, a bias voltage U T of the tunnel current is used.
Dependent ∂I T / ∂U T, (∂I T / ∂U T) / (∂U T / ∂I T), ∂ 2
Differential conductance spectroscopy to find the distribution of states of electrons and phonons from I T / ∂ 2 U T etc. and the distribution of tunnel barrier height φ from the sample probe distance dependence of tunnel current ∂lnI T / ト ン ネ ル S There is barrier height spectroscopy. These are collectively called scanning tunneling spectroscopy microscopes (STS).

STSに関して本発明者らは、特願平1−177063の中に
おいて、時間変化するバイアス電圧または探針試料間隔
によって、時間変化するトンネル電流を用いて分光信号
を検出する独自の方式を提案している。この方式につい
て、第12図を参照しながら説明する。試料102と探針104
との間に周期的に変化するバイアス電圧UB、例えば第13
図(a)に示される正弦波形の電圧を印加しながら、XY
Z微動機構108を用いて、探針104を試料102に近づける
と、第13図(b)に示されるようなバイアス電圧の基本
周期で振動するトンネル電流ITが流れる。このとき、通
常のSTMと同様に試料・探針間の距離を一定に保つよう
にサーボがかけられる。このとき、試料・探針間距離が
トンネル電流の振動の影響を受けないようにするため、
絶対値検出器114(または振動検出器)とサーボ回路112
からなるフィードバック系の時定数を、バイアス電圧の
基本周期の5倍以上の十分長い時間に設定する。トンネ
ル電流は電流電圧変換器110により電圧に変換されて絶
対値検出器114に入力され、絶対値検出器114は第13図
(c)に示されるトンネル電流の絶対値を検出する。サ
ーボ回路112は、トンネル電流強度が特定の時間平均で
一定になるように、第13図(e)に示される信号で試料
探針間距離を第13図(d)に示される信号のように制御
し、バイアス電圧変動に追いつかないようなサーボ時定
数にできるサーボ系である。また、探針104は試料・探
針間距離が変化しないような速度で走査される。このよ
うな設定で探針104を走査したときのサーボ信号は、試
料表面の凹凸情報になる。上述のようにサーボ時定数と
基本周期が設定されると、基本周波数より高い周波数成
分が含まれる任意のバイアス電圧波形を用いてのサーボ
動作が可能である。
Regarding STS, the present inventors have proposed in Japanese Patent Application No. 1-170663 a unique method of detecting a spectral signal using a time-varying tunnel current with a time-varying bias voltage or a probe sample interval. I have. This method will be described with reference to FIG. Sample 102 and probe 104
Bias voltage U B that periodically changes between
While applying the sine waveform voltage shown in FIG.
Using Z fine movement mechanism 108, the closer the probe 104 into the sample 102, tunnel current I T which oscillates at the fundamental period of the bias voltage as shown in FIG. 13 (b) flows. At this time, servo is applied so as to keep the distance between the sample and the probe constant as in the case of a normal STM. At this time, to prevent the distance between the sample and the probe from being affected by the oscillation of the tunnel current,
Absolute value detector 114 (or vibration detector) and servo circuit 112
Is set to a sufficiently long time that is at least five times the basic period of the bias voltage. The tunnel current is converted into a voltage by the current / voltage converter 110 and input to the absolute value detector 114. The absolute value detector 114 detects the absolute value of the tunnel current shown in FIG. 13 (c). The servo circuit 112 adjusts the distance between the sample probes with the signal shown in FIG. 13 (e) like the signal shown in FIG. 13 (d) so that the tunnel current intensity becomes constant at a specific time average. This is a servo system that can control and set the servo time constant so as not to catch up with the bias voltage fluctuation. The probe 104 is scanned at such a speed that the distance between the sample and the probe does not change. A servo signal when the probe 104 is scanned in such a setting becomes information on the unevenness of the sample surface. When the servo time constant and the basic period are set as described above, the servo operation can be performed using an arbitrary bias voltage waveform including a frequency component higher than the basic frequency.

また実時間で分光的情報を得るため、トンネル電流と
バイアス電圧をアナログ演算ユニット116に入力し、実
時間で演算処理(例えば∂IT/∂UT、(∂IT/∂UT)/
(∂UT/∂IT)等)を行なうことによって、バイアス電
圧振幅の範囲内での分光情報(微分コンダクタンス、状
態密度等)を実時間で入手できる。これらアナログ信号
系の応答周波数は、最低でも印加バイアス電圧の基本周
波数以上にする。アナログ演算ユニット116は、トンネ
ル電流及びバイアス電圧信号から分光情報を取り出すた
めに、微分加減乗除などを組み合わせて作られる。分光
データを求める演算処理が実時間で行われるので、デー
タに対する数値微分などの後処理は必要ない。また、ひ
とつの電圧レベルに対して得られる分光データは凹凸デ
ータと1対1に対応する。このようにして、凹凸像と同
時に分光情報の空間分布(STS像)の実時間検出が可能
となる。
In addition, in order to obtain spectral information in real time, the tunnel current and the bias voltage are input to the analog arithmetic unit 116, and arithmetic processing (for example, ΔI T / ΔU T , (ΔI T / ΔU T ) /
(∂U T / ∂I T ), spectral information (differential conductance, state density, etc.) within the range of the bias voltage amplitude can be obtained in real time. The response frequency of these analog signal systems is at least higher than the basic frequency of the applied bias voltage. The analog operation unit 116 is formed by combining differential addition, subtraction, multiplication, and division to extract spectral information from the tunnel current and the bias voltage signal. Since the calculation processing for obtaining the spectral data is performed in real time, there is no need for post-processing such as numerical differentiation of the data. The spectral data obtained for one voltage level corresponds to the unevenness data on a one-to-one basis. In this way, real-time detection of the spatial distribution of spectral information (STS image) can be performed simultaneously with the uneven image.

一方、半導体のpn接合面や半導体レーザーのヘテロ構
造などのように、表面に電位勾配あるいは電位分布を有
する試料に対して、印加される接合電圧に依存する空間
電荷層の広がりや金属多結晶の導電機構などの局所的な
導電性に関する情報を得るには、表面の電位分布に外乱
を与えずに高分解能で表面の電位分布と凹凸を分離して
測定する必要がある。STMにおいて、トンネル電流は試
料表面と探針先端との間の局所的な電位差によって流れ
るので、表面電位分布の違いによるバイアス電圧の局所
的な変化はトンネル電流値に影響を与える。そこでバイ
アス電圧の印加方法を工夫し、試料表面の凹凸と局所的
表面電位の分布が同時に測定できる走査型トンネルポテ
ンシオメトリィ(STP)が提案されている。
On the other hand, for samples with potential gradients or potential distributions on the surface, such as semiconductor pn junctions or semiconductor laser heterostructures, the spread of space charge layers depending on the applied junction voltage and In order to obtain information on the local conductivity such as the conductive mechanism, it is necessary to separate and measure the surface potential distribution and the unevenness with high resolution without disturbing the surface potential distribution. In the STM, the tunnel current flows due to a local potential difference between the sample surface and the tip of the probe, so that a local change in the bias voltage due to a difference in the surface potential distribution affects the tunnel current value. Therefore, a method of applying a bias voltage has been devised, and a scanning tunnel potentiometry (STP) that can simultaneously measure the unevenness of the sample surface and the distribution of the local surface potential has been proposed.

第14図を参照しながら、STPについて説明する。試料1
22はSiO2基板118及にAu膜120を備え、Au膜120には、電
位勾配ΔU、変調電圧UT、及びオフセット電圧UREGを
与えるための2つの電極124,126が付加される。これら
の電極124及び126の間に、例えば第15図に示されるΔU
=U2−U1の電位差が電源136から供給される。ΔUによ
って試料122は表面の導電性を反映した図6のような電
位分布を形成する。STPでは探針試料間の距離制御は、
例えば発振器134から基本周期ωの変調電圧UT=UTsin
ω0tを試料全体に加えておき、トンネル電流のω成分
の強度をロックインアンプ138で検出し、対数アンプ140
で距離に対する依存性の線形化を行い、比例及び積分制
御142によってトンネル電流のω成分が一定になるよ
うに探針を制御し、制御電圧を記録してSTM像を測定す
る。バイアス電圧UTは平均で0になる信号であるが、試
料の電位分布によっては探針の位置でトンネル電流の平
均が0からずれる。そのとき積分器136によるフィード
バックで試料全体の電位にオフセット電圧UREGを加算
し電流検出系からのずれを戻して、トンネル電流の平均
が0になるようにバイアス電圧に対するフィードバック
を行う。UREGは探針先端の位置に対応する試料の局所
的な電位に相当する。このオフセット値UREGを走査と
ともに記録することによって、試料表面の局所電位情報
が得られ、試料の凹凸と同時に電位分布を記録すること
ができる。このとき、電極124,126の電位はそれぞれU1
=UREG+UTsinωt、U2=UREG+UTsinωt+ΔUにな
る。この電位フィードバックにより、探針と試料との間
には、基本周期で流れるトンネル電流以外の定常的な電
流は流れない。
The STP will be described with reference to FIG. Sample 1
22 has an Au film 120 on an SiO 2 substrate 118 and two electrodes 124 and 126 for applying a potential gradient ΔU, a modulation voltage U T , and an offset voltage UREG are added to the Au film 120. Between these electrodes 124 and 126, for example, ΔU shown in FIG.
= U 2 −U 1 is supplied from the power supply 136. Due to ΔU, the sample 122 forms a potential distribution as shown in FIG. 6 reflecting the surface conductivity. In STP, the distance control between the probe samples is
For example, the modulation voltage U T = U T sin of the fundamental period ω 0 from the oscillator 134
ω 0 t is added to the entire sample, the intensity of the ω 0 component of the tunnel current is detected by the lock-in amplifier 138, and the logarithmic amplifier 140
To linearize the dependence on the distance, control the probe so that the ω 0 component of the tunnel current becomes constant by the proportional and integral control 142, record the control voltage, and measure the STM image. Although the bias voltage U T is a signal which becomes zero on average, deviated from the average is 0 tunneling current position of the probe by the potential distribution of the sample. At that time, the offset voltage UREG is added to the potential of the entire sample by the feedback from the integrator 136 to return the deviation from the current detection system, and the bias voltage is fed back so that the average of the tunnel current becomes zero. UREG corresponds to a local potential of the sample corresponding to the position of the tip of the probe. By recording the offset value UREG together with the scanning, local potential information on the sample surface can be obtained, and the potential distribution can be recorded simultaneously with the unevenness of the sample. At this time, the potentials of the electrodes 124 and 126 are respectively U 1
= UREG + U T sinωt, become U 2 = UREG + U T sinωt + ΔU. Due to this potential feedback, no stationary current other than the tunnel current flowing in the basic period flows between the probe and the sample.

[発明が解決しようとする課題] STPは、試料のXY平面の電位分布を測定し、測定され
た電位分布からXY平面における電位勾配を計算すること
ができ、この情報は試料の局所的な抵抗率すなわち電荷
の易動度を反映している。しかし、Z方向の電荷の運動
に関する情報はSTPによる測定からは得られない。ま
た、電位分布を形成するに至った試料局所的な物質の同
定ができない。さらに、電流の伝搬に寄与している電荷
のエネルギー状態に関する情報が得られない。一方、ST
Sでは、試料に流れている電流を乱すことなく、電位勾
配を有する試料の分光情報を得ることができない。
[Problems to be Solved by the Invention] The STP can measure the potential distribution in the XY plane of the sample and calculate the potential gradient in the XY plane from the measured potential distribution. This information is based on the local resistance of the sample. It reflects the rate, the mobility of the charge. However, information on the movement of the charge in the Z direction is not obtained from the STP measurement. Further, it is not possible to identify a substance local to the sample that has led to the formation of the potential distribution. Furthermore, information on the energy state of the charge contributing to the propagation of the current cannot be obtained. Meanwhile, ST
In S, spectral information of a sample having a potential gradient cannot be obtained without disturbing the current flowing through the sample.

そこで、この発明は試料の凹凸を測定するととも、試
料の局所的な電位分布と分光情報が同時に測定できる走
査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a scanning tunneling potential spectroscopy microscope capable of measuring unevenness of a sample and simultaneously measuring local potential distribution and spectral information of the sample.

[課題を解決するための手段] この発明による走査型トンネルポテンシャル分光顕微
鏡は、一定周期で時間変化する所定波形の変調電圧を含
むバイアス電圧を試料に印加する手段と、0電位の探針
と前記試料との間に流れるトンネル電流を検出する手段
と、トンネル電流の絶対値を検出する手段と、トンネル
電流の絶対値を用いて前記試料と前記探針との間の距離
を変調電圧の周期の5倍以上の時定数でサーボ制御する
手段と、出力されるサーボ信号から試料の凹凸データを
得る手段と、トンネル電流がバイアス電圧の1周期毎の
平均で0となるようにフィードバック制御するためにバ
イアス電圧のオフセット電圧を制御する手段と、オフセ
ット電圧より試料の局所電位データを検出する手段と、
トンネル電流と変調電圧からアナログ演算ユニットによ
り微分コンダクタンスの実時間のアナログ演算を行い微
分コンダクタンスデータを得る手段と、試料の探針との
間の距離を一定に保持した状態で、前記凹凸データと同
時に前記微分コンダクタンスデータ及び前記局所電位デ
ータの実時間測定をする手段とを備える。
[Means for Solving the Problems] A scanning tunneling potential spectroscopy microscope according to the present invention includes a means for applying a bias voltage including a modulation voltage having a predetermined waveform, which changes with time in a constant cycle, to a sample; Means for detecting a tunnel current flowing between the sample and the sample, means for detecting an absolute value of the tunnel current, and a distance between the sample and the probe using the absolute value of the tunnel current. A means for performing servo control with a time constant of 5 times or more, a means for obtaining unevenness data of a sample from an output servo signal, and a means for performing feedback control so that a tunnel current becomes 0 on average per one cycle of a bias voltage. Means for controlling the offset voltage of the bias voltage, means for detecting local potential data of the sample from the offset voltage,
Means for performing real-time analog calculation of differential conductance by an analog arithmetic unit from a tunnel current and a modulation voltage to obtain differential conductance data, and a state in which the distance between the sample and the probe is kept constant, and simultaneously with the irregularity data. Means for real-time measurement of the differential conductance data and the local potential data.

[作用] この発明の走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡の
作用について、第1図を参照して説明する。試料10には
電位勾配ΔU及びバイアス電圧UBを印加するための電極
14,16が設けられる。人為的に電位勾配を与える必要の
ない場合には電極はひとつでもよい。両電極14及び16に
は、発振器20から一定周期で時間変化する所定波形電圧
(例えば正弦波UTsinω0t)にポテンシャルサーボ回路2
2から出力されるオフセット電圧UREGが加算されたバイ
アス電圧UBが印加される。さらに、電極16には、電位差
発生器18から発生されるX方向に電位勾配を与えるため
の電圧ΔUが印加される。すなわち、電極14の電位を
U1、電極16の電位をU2とすると、U1=UREG+UTsinω
0t、U2=UREG+UTsinω0t+ΔUである。0電位の探針
12を試料10の表面に数nm程度まで近づけると、探針12と
試料10との間に電位差に応じたトンネル電流ITが流れ
る。電極14と探針位置の試料表面との電位差をUS(x)
とすると、電流検出器26で検出されるトンネル電流IT
平均して0になるときに、U1+US(x)の平均が0Vにな
る。従って、<US(x)+UREG+UTsinω0t>=0、す
なわち、US(x)=−UREGになる。トンネル電流IT
平均値を用いてUREGにフィードバックをかけ、トンネ
ル電流平均値が0になるようにオフセット電圧UREGを
制御し、−UREGを記録することにより試料表面の電位
分布US(x)が測定される。
[Operation] The operation of the scanning tunneling potential spectroscopy microscope of the present invention will be described with reference to FIG. Electrode for the sample 10 to apply a potential gradient ΔU and the bias voltage U B
14,16 are provided. If there is no need to artificially apply a potential gradient, one electrode may be used. The potential servo circuit 2 is applied to both electrodes 14 and 16 by a predetermined waveform voltage (for example, a sine wave U T sin ω 0 t) that changes with time in a fixed cycle from the oscillator 20.
Bias voltage U B which offset voltage UREG is added output from 2 is applied. Further, a voltage ΔU for giving a potential gradient in the X direction generated from the potential difference generator 18 is applied to the electrode 16. That is, the potential of the electrode 14 is
U 1, when the potential of the electrode 16 and U 2, U 1 = UREG + U T sinω
0 t, which is U 2 = UREG + U T sinω 0 t + ΔU. Zero potential probe
When brought close to 12 to about several nm on the surface of the sample 10, a tunnel current flows I T corresponding to a potential difference between the probe 12 and the sample 10. The potential difference between the electrode 14 and the sample surface at the probe position is represented by U S (x)
When, when the tunneling current I T, which is detected by the current detector 26 becomes 0, on average, the average of the U 1 + U S (x) becomes 0V. Thus, <U S (x) + UREG + U T sinω 0 t> = 0, i.e., U S (x) = - becomes Ureg. Fed back to UREG using the average value of the tunneling current I T, controls the offset voltage UREG as tunneling current average value becomes 0, the potential distribution of the sample surface by recording the -UREG U S (x) Is measured.

また、検出されるトンネル電流ITに対して、特願平1
−177063に記載される上述したサーボ動作により、試料
10と探針12の間隔を一定に保ちながら、サーボ電圧を記
録することにより、試料表面の凹凸を示す通常のSTM像
が得られる。
Further, with respect to the tunnel current I T to be detected, Japanese Patent Application No. 1
By the above-mentioned servo operation described in
By recording the servo voltage while keeping the distance between the probe 10 and the probe 12 constant, a normal STM image showing irregularities on the sample surface can be obtained.

また実時間で分光的情報を得るために、トンネル電流
ITとバイアス電圧UTをアナログ演算ユニット32に入力
し、実時間で演算処理(例えば∂IT/∂UT、(∂IT/∂
UT)/(∂UT/∂IT)等)を行えば、バイアス電圧振幅
の範囲内での分光情報(微分コンダクタンス状態密度な
ど)が実時間で得られる。ここでもアナログ信号系の応
答周波数は最低でも印加バイアス電圧の基本周波数以上
にする。
To obtain spectroscopic information in real time, the tunnel current
The I T and a bias voltage U T is input to an analog arithmetic unit 32, real-time processing (e.g. ∂I T / ∂U T, (∂I T / ∂
(U T ) / (∂U T / ∂I T ), spectral information (differential conductance state density, etc.) within the range of the bias voltage amplitude can be obtained in real time. Here, the response frequency of the analog signal system is at least higher than the basic frequency of the applied bias voltage.

分光データを求める演算処理は実時間で行われので、
データに対する数値微分などの後処理は必要ない。ま
た、ひとつの電圧レベルに対して得られる分光データ
は、凹凸データと1対1に対応する。従って、凹凸像と
同時に、分光情報の空間分布(STS像)及び局所表面電
位分布(STP像)が実時間で検出可能となる。
The calculation processing for obtaining the spectral data is performed in real time,
No post-processing such as numerical differentiation is required for the data. The spectral data obtained for one voltage level corresponds to the unevenness data on a one-to-one basis. Therefore, the spatial distribution (STS image) and the local surface potential distribution (STP image) of the spectral information can be detected in real time simultaneously with the uneven image.

[実施例] この発明の第1実施例について、第1図を参照して説
明する。
Embodiment A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

試料10は、カーボン抵抗の抵抗体であり、良導性のカ
ーボンと絶縁体のバインダーの混在している試料表面で
ある。探針12はPtIrの電解研磨針を用いている。サーボ
回路28は積分型のサーボ回路である。変調信号発生器20
からは正弦波UTsinω0tが出力される。ポテンシャルサ
ーボ回路22は積分型であり、応答周波数はバイアス変調
周波数の1/5以下にしてバイアス電圧変調にオフセット
電圧が追いついてしまわないようにする。
The sample 10 is a resistor having a carbon resistance, and is a sample surface on which good conductive carbon and a binder of an insulator are mixed. The probe 12 uses a PtIr electrolytic polishing needle. The servo circuit 28 is an integral servo circuit. Modulation signal generator 20
Outputs a sine wave U T sin ω 0 t. The potential servo circuit 22 is of an integral type, and the response frequency is set to 1/5 or less of the bias modulation frequency so that the offset voltage does not catch up with the bias voltage modulation.

アナログ演算ユニット32は、時間変化するバイアス電
圧とトンネル電流から実時間で微分コンダクタンス∂IT
/∂UTを計算する。微分コンダクタンスを演算するアナ
ログ演算ユニット32は、第2図に示される回路構成を有
し、その動作原理モデルは第3図に表される。試料・探
針間の局所的な電流電圧特性は原子の位置に依存して、
第3図(a)に示される固有の形を持つ。第3図(b)
に示される正弦波のバイアス電圧UTが印加されたとき、
トンネル電流は第3図(c)に示されるように、第3図
(a)に示されるI−U特性を反映する。第3図(c)
に示されるトンネル電流および第3図(c)に示される
バイアス電圧は、それぞれ第2図に示される微分回路34
及び36で時間微分され、第3図(d)に示される∂IT/
∂t信号、及び、第3図(e)に示される∂UT/∂t信
号が得られる。これら二つの信号が割り算回路38に入力
され、第3図(f)に示される微分コンダクタンス∂IT
/∂UTが計算される。
The analog arithmetic unit 32 calculates the differential conductance ∂I T in real time from the time-varying bias voltage and tunnel current.
/ Calculate the ∂U T. The analog operation unit 32 for calculating the differential conductance has the circuit configuration shown in FIG. 2, and its operation principle model is shown in FIG. The local current-voltage characteristics between the sample and the tip depend on the position of the atom,
It has a unique shape as shown in FIG. FIG. 3 (b)
When the bias voltage U T of the sine wave shown in is applied,
The tunnel current reflects the I-U characteristic shown in FIG. 3A, as shown in FIG. 3C. Fig. 3 (c)
2 and the bias voltage shown in FIG. 3 (c) are respectively differentiated by the differentiating circuit 34 shown in FIG.
And 36, and the time difference ΔI T / shown in FIG.
The ∂t signal and the ∂U T / ∂t signal shown in FIG. 3 (e) are obtained. These two signals are input to the division circuit 38, and the differential conductance ΔI T shown in FIG.
/ ∂U T is calculated.

またSTMデータとSTPデータは走査各点に対する値が単
一であるが、STSデータはバイアス電圧値によって変動
する。そこで第4図に示されるサンプリング回路を用い
て、特定電圧における微分コンダクタンス値を常に出力
する必要がある。サンプル&ホールドアンプ40には、第
2図に示される微分コンダクタンス演算回路から出力さ
れる微分コンダクタンス値(∂IT/∂UT)が入力され
る。バイアス電圧UT及びレファレンス電圧V0は比較器42
に入力されて2値信号に変換され、UT=V0となるタイミ
ングで、サンプル&ホールドアンプ40がサンプリングす
るためのパルス巾τのパルスが、ショットパルス発生
器44から発生される。このようにしてUT=V0における微
分コンダクタンスの値(∂IT/∂UT|UT=V0)が常に出力
される。
The STM data and the STP data have a single value for each scanning point, but the STS data varies depending on the bias voltage value. Therefore, it is necessary to always output the differential conductance value at a specific voltage using the sampling circuit shown in FIG. The sample-and-hold amplifier 40, the differential conductance value output from the differential conductance arithmetic circuit shown in FIG. 2 (∂I T / ∂U T) is input. Bias voltage U T and reference voltage V 0 is the comparator 42
At the timing when U T = V 0 , a pulse having a pulse width τ P for sampling by the sample & hold amplifier 40 is generated from the shot pulse generator 44. In this way, the value of the differential conductance at U T = V 0 (∂I T / ∂U T | UT = V0) is always output.

探針の走査速度は、凹凸変化に対して凹凸のサーボ系
が応答でき、また局所バイアス電位の変化にポテンシャ
ルサーボが応答できるような速さに設定される。試料・
探針間距離を一定に保ち、探針先端に位置する試料の電
位を0近傍にして、表面の凹凸情報及び表面の局所ポテ
ンシャル値、バイアス電圧V0での微分コンダクタンス値
をXY走査信号と対応させるため、第5図に示される表示
法を3つ併用することにより、凹凸像と局所ポテンシャ
ル像と微分コンダクタンス像の空間的な対応が実時間で
表示及び比較できるようになる。
The scanning speed of the probe is set to such a speed that the uneven servo system can respond to the change in the unevenness and the potential servo can respond to the change in the local bias potential. sample·
The distance between the tips is kept constant, the potential of the sample located at the tip of the tip is set near 0, and the surface irregularity information, the surface local potential value, and the differential conductance value at the bias voltage V 0 correspond to the XY scanning signal. Therefore, by using the three display methods shown in FIG. 5 together, the spatial correspondence between the concavo-convex image, the local potential image, and the differential conductance image can be displayed and compared in real time.

凹凸像、局所ポテンシャル像、及び分光像の平面分布
を2次元で表示するために用いた方式は、第5図のよう
にデータ信号をY走査信号に加算してストレージオシロ
スコープ46のXY表示モードでY軸に入力し、X走査信号
はX軸に入力する。更にストレージモードで輝点が残る
ようにしておいて、輝度信号には第6図のようにXとY
のトリガーをANDゲート47で演算したものを入力し、走
査の一方向に関して表示を有効にする方法である。
The method used to display the planar distribution of the uneven image, the local potential image, and the spectral image in two dimensions is as follows. The data signal is added to the Y scanning signal as shown in FIG. 5 and the XY display mode of the storage oscilloscope 46 is used. The signal is input to the Y axis, and the X scanning signal is input to the X axis. In the storage mode, a bright point is left, and X and Y are added to the luminance signal as shown in FIG.
This is a method of inputting a trigger calculated by the AND gate 47 to enable display in one direction of scanning.

第7A図乃至第7C図はそれぞれ、空気中において、この
表示法により同時に測定された、カーボン抵抗体表面の
100nm×70nmの領域の凹凸像、局所ポテンシャル像、分
光像を示す。
FIGS. 7A to 7C respectively show the surface of the carbon resistor measured simultaneously in air in accordance with this notation.
The unevenness image, the local potential image, and the spectral image of the area of 100 nm × 70 nm are shown.

測定の際、変調電圧UTは、周波数4.1kHzで0.6VP-Pの
強度を有する正弦波で、平均トンネル電流は5nAに設定
される。またサンプルのX方向の電位勾配は9mV/100nm
である。第7A図は試料表面を凹凸を示し、第7B図は変調
電圧−50mVにおいてサンプリングされた微分コンダクタ
ンスの高低を示し、第7C図は表面の電位分布を示してい
る。第7A図、第7B図、及び第7C図を比較すると、画面左
側の凹凸のない平坦な部分での導電性が高く、微分コン
ダクタンスの値も安定しており、ポテンシャルの変動も
比較的滑らかである。一方凹凸像が丘陵状の部位では、
微分コンダクタンス値が不安定で、電位分布の変動も激
しい。
During the measurement, the modulation voltage U T is a sine wave having an intensity of 0.6VP-P at frequency 4.1KHz, the average tunneling current is set to 5 nA. The potential gradient in the X direction of the sample is 9mV / 100nm
It is. FIG. 7A shows the unevenness of the sample surface, FIG. 7B shows the level of the differential conductance sampled at a modulation voltage of −50 mV, and FIG. 7C shows the potential distribution on the surface. 7A, 7B, and 7C, the conductivity is high in the flat portion without unevenness on the left side of the screen, the value of the differential conductance is stable, and the fluctuation of the potential is relatively smooth. is there. On the other hand, in the area where the uneven image is a hill,
The differential conductance value is unstable, and the potential distribution fluctuates drastically.

以上述べてきたことから左側の部位がカーボンであり
右の部位ではバインダー上にカーボン粒子が付着してい
る構造であることがわかる。また、アナログ演算データ
のサンプリング回路を並列に接続することにより、独立
に多数のレファレンス電圧において微分コンダクタンス
をサンプリングできるので、複数のバイアス電圧レベル
での微分コンダクタンスの局所的な値を同時に保持でき
る。すなわち、同時に多数の分光像を表示することがで
きる。
From what has been described above, it can be seen that the left portion has carbon and the right portion has a structure in which carbon particles adhere to the binder. Further, by connecting the analog operation data sampling circuits in parallel, the differential conductance can be independently sampled at a large number of reference voltages, so that local values of the differential conductance at a plurality of bias voltage levels can be simultaneously held. That is, many spectral images can be displayed simultaneously.

次に、この発明の第2実施例について説明する。この
実施例では、人為的な電位勾配のない試料に対して測定
する。この場合、第1図の電圧勾配を形成するための電
極の代わりに、第8図に示されるように、試料10の裏側
全体を等電位にするために、金などの導電性の高い金属
膜48が試料10の裏面に設けられる。なお、第8図におい
て、第1図と同等の部材には同一の符号が付してある。
この構成において、測定される凹凸像、ポテンシャル
像、及び、トンネル分光像は、それぞれ試料自体の物性
あるいは試料表面の物性の違いを反映した像となる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the measurement is performed on a sample having no artificial potential gradient. In this case, instead of the electrodes for forming the voltage gradient shown in FIG. 1, a highly conductive metal film such as gold is used as shown in FIG. 48 is provided on the back surface of the sample 10. In FIG. 8, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
In this configuration, the measured concavo-convex image, potential image, and tunneling spectroscopic image are images reflecting differences in physical properties of the sample itself or physical properties of the sample surface, respectively.

第9図は試料10の導電機構に基づいた像の見え方を模
式的に説明する図である。試料は第9図(a)に示され
るように、n型半導体からなる領域A、p型半導体から
なる領域B、金属からなる領域Cの3つの領域を備える
とする。第9図(b)に示されるように、領域Aの半導
体とB領域の半導体では、IT−UT特性が非対称になるの
で、平均したときのトンネル電流が0になるようなポテ
ンシャルフィードバックをすると、オフセット電圧URE
Gは0電位からずれる。領域Aから領域Cに向けて探針
を走査すると、ポテンシャルデータは、第9図(c)に
示されるように、n型半導体の領域A及びp型半導体の
領域Bでは、それぞれUa及びUbの電位を示し、金属の領
域Cでは対称的な電流電圧特性を反映して0になる。
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating how an image is viewed based on the conductive mechanism of the sample 10. As shown in FIG. 9 (a), it is assumed that the sample includes three regions: a region A composed of an n-type semiconductor, a region B composed of a p-type semiconductor, and a region C composed of a metal. As shown in FIG. 9 (b), the semiconductor in the region A and the semiconductor in the region B have an asymmetric I T -U T characteristic. Then, the offset voltage URE
G deviates from 0 potential. When the probe is scanned from the region A to the region C, as shown in FIG. 9 (c), the potential data shows Ua and Ub in the n-type semiconductor region A and the p-type semiconductor region B, respectively. Indicates a potential, and becomes 0 in the metal region C reflecting a symmetric current-voltage characteristic.

また、微分コンダクタンスのバイアス電圧に対する依
存性は、第9図(d)に模式的に示される。簡単のた
め、変調電圧が特定の電圧V0になったときに微分コンダ
クタンスデータをサンプリングするものとすると、各領
域では、実際に印加されているバイアス電圧UBが、それ
ぞれV0+Ua、V0+Ub、V0の時のデータを測定しているこ
とになる。例えば第9図(d)において、バイアス電圧
がV1とV2の時にデータを測定しようとしたとき、実際の
バイアス電圧がV1′とV2′のときにサンプリング動作を
していることになる。そこで第4図における比較器42の
入力の変調電圧UTをバイアス電圧UBにすれば、V1とV2の
タイミングでサンプリングされる。バイアス電圧UBにフ
ィードバックをかけることにより、回路雑音が多く含ま
れている場合には、サンプリングの際の誤動作を防止す
るため、比較器に前段に低域フィルタを設ける必要があ
る。
FIG. 9D schematically shows the dependence of the differential conductance on the bias voltage. For simplicity, assuming that sampling the differential conductance data when the modulation voltage becomes a certain voltage V 0, in each region, actually applied by which the bias voltage U B are each V 0 + Ua, V 0 This means that data at + Ub, V 0 is being measured. For example, in FIG. 9D, when data is measured when the bias voltages are V1 and V2, the sampling operation is performed when the actual bias voltages are V1 'and V2'. So if the modulation voltage U T of the input of the comparator 42 in Figure 4 to the bias voltage U B, is sampled at the timing of V1 and V2. By applying feedback to the bias voltage U B, if it contains many circuit noise, in order to prevent malfunctions during the sampling, it is necessary to provide a low pass filter in the preceding stage to the comparator.

第9図(e)及び(f)は、それぞれUB=V1、UB=V2
ででサンプリングした時の微分コンダクタンスデータの
走査断面を示す。このように、試料にバイアス電圧が一
様に印加されている場合でも、測定される多数の像から
試料の物性分布を測定することができる。
FIGS. 9 (e) and (f) show U B = V1 and U B = V2, respectively.
5 shows a scanning cross section of differential conductance data when sampling is performed in step (1). As described above, even when the bias voltage is uniformly applied to the sample, the physical property distribution of the sample can be measured from a large number of measured images.

次にこの発明の第3実施例について説明する。試料表
面に吸着あるいは展開している物質が特定の周波数の共
振点あるいは緩和点を持つ場合、吸着物質の電気的な周
波数応答の違いを使用してSTM測定が行える。バイアス
電圧が複数の周波数成分を含むとき、例えばバイアス電
圧が第10図(a)に示されるUsinω0t+0.5sin3ω0tの
ような波形のとき、トンネル微分コンダクタンスを検出
することにより、周波数依存性のある場所とない場所と
の区別ができる。なぜなら、トンネル電流の応答に周波
数依存性がある場合、探針を走査せずに一点で測定して
いても、バイアス電圧の履歴によって異なる信号値をと
るからである。ところで、第10図(a)に示されるA点
とB点のように、バイアス電圧値および電圧変化の方向
が共に同じである異なる2点を有する場合、第1実施例
において用いたような、バイアス電圧値によってサンプ
リングのタイミングを決める方式では、A点およびB点
の両方でサンプリングパルスが発生されるので、最終出
力信号が、A点における信号であるのか、またはB点に
おける信号であるのかが区別できない。そこで、変調信
号のタイミングを基準とする、第11図に示される回路を
用いることにより、A点とB点の測定値を区別する。シ
ョットパルス発生器50はUTトリガーの入力に応じてパル
スを発生し、そのパルス幅τは任意時間で設定でき
る。例えば、第10図(a)のA点を測定する場合、ショ
ットパルス発生器50に第10図(b)に示されるUTトリガ
ーが入力されたときに、第10図(c)に示される遅れパ
ルスを出力するように、パルス発生器50のパルス幅τ
を設定し、これにより、第10図(d)に示されるサンプ
リングパルスτがショットパルス発生器44から出力さ
れるようにすればよい。測定点を選ぶには、パルス幅τ
を調整すればよいので、1周期の間にサンプリングさ
れる信号は単一の値になる。この方式を用いてSTSのサ
ンプリングを行うことにより、STPを同時に測定でき
る。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. When the substance adsorbed or spread on the sample surface has a resonance point or a relaxation point at a specific frequency, STM measurement can be performed using the difference in the electrical frequency response of the adsorbed substance. When the bias voltage comprises a plurality of frequency components, for example, when the bias voltage is Usinω 0 t + 0.5sin3ω 0 waveforms such as t shown in FIG. 10 (a), by detecting the tunnel differential conductance, frequency dependence It is possible to distinguish between places with and without. This is because, if the response of the tunnel current has frequency dependence, different signal values are taken depending on the history of the bias voltage even if the measurement is made at one point without scanning the probe. By the way, when there are two different points where the bias voltage value and the direction of the voltage change are the same, such as point A and point B shown in FIG. 10 (a), as shown in FIG. In the method of determining the sampling timing based on the bias voltage value, a sampling pulse is generated at both the points A and B, so whether the final output signal is the signal at the point A or the signal at the point B is determined. Indistinguishable. Therefore, by using the circuit shown in FIG. 11 based on the timing of the modulation signal, the measured values at the points A and B are distinguished. The shot pulse generator 50 generates pulses in response to the input of the U T triggers the pulse width tau D can be set at any time. For example, when measuring point A FIG. 10 (a), when U T trigger shown in Fig. 10 (b) the shot pulse generator 50 is input, as shown in FIG. 10 (c) In order to output a delayed pulse, the pulse width τ D of the pulse generator 50 is output.
Is set so that the sampling pulse τ P shown in FIG. 10D is output from the shot pulse generator 44. To select a measurement point, the pulse width τ
Since P may be adjusted, the signal sampled during one cycle has a single value. STP can be measured simultaneously by sampling the STS using this method.

[発明の効果] この発明によればSTMのバイアス電圧が一定周期で時
間変化する成分を含むときにサーボ時定数を適当に設定
して、試料探針間距離を一定に保つ動作を行い、サーボ
電圧を記録して凹凸データを記録し、試料全体にオフセ
ット電圧を戻すことにより、0V電位の探針に流れ込むト
ンネル電流は0Aを中心として振動する。このときのオフ
セット電圧値を記録することにより、試料の電位分布が
記録できると同時に、トンネル電流とバイアス電圧から
実時間で局所的な分光データのバイアス電圧依存性が試
料探針間距離を保った状態で測定できる。しかも、試料
に電流が流れている状態(半導体レーザーなどの動作状
態など)によって、試料の電流を乱すことなく表面電位
分布及びトンネル電流のバイアス電圧依存性が測定でき
る。
[Effects of the Invention] According to the present invention, when the bias voltage of the STM includes a component that changes with time in a constant cycle, the servo time constant is appropriately set to perform an operation of keeping the distance between the sample probes constant, By recording the voltage, recording the irregularity data, and returning the offset voltage to the entire sample, the tunnel current flowing into the probe of 0V potential oscillates around 0A. By recording the offset voltage value at this time, the potential distribution of the sample can be recorded, and at the same time, the bias voltage dependency of local spectral data in real time from the tunnel current and the bias voltage maintains the distance between the sample probes. Can be measured in the state. In addition, the surface potential distribution and the bias voltage dependence of the tunnel current can be measured without disturbing the current of the sample, depending on the state of the current flowing through the sample (such as the operating state of a semiconductor laser or the like).

また、分光データをサンプリングするバイアス電圧値
を変調バイアスの電圧振幅内で任意の電圧で任意点数を
設定できるので、半導体接合部のポテンシャル分布と半
導体ギャップ電圧における微分コンダクタンスの値を同
時に測定することができる。
In addition, since the bias voltage value for sampling the spectral data can be set at an arbitrary point within the voltage amplitude of the modulation bias, an arbitrary number of points can be set, so that the potential distribution at the semiconductor junction and the value of the differential conductance at the semiconductor gap voltage can be simultaneously measured. it can.

バイアス電圧値に関して複数の測定点を併設できるの
で、各点における分光データを試料表面の凹凸と局所ポ
テンシャル分布と同時にバイアス電圧依存性のデータと
して必要点数測定することができる。
Since a plurality of measurement points can be provided for the bias voltage value, the required number of points can be measured as the bias voltage dependence data at the same time as the unevenness of the sample surface and the local potential distribution at each point.

さらに、バイアス電圧が変動しているときにもサーボ
動作を止めることはないので、走査にともなうサーボ動
作がステップ的な応答になることはない。
Further, since the servo operation is not stopped even when the bias voltage fluctuates, the servo operation accompanying the scanning does not become a step-like response.

また、アナログ演算及び周波数分割によって分光デー
タとポテンシャルデータを実時間出力しているためCPU
等によるデータの後処理などの必要がなくなる。
In addition, since analog data and frequency division output spectral data and potential data in real time,
This eliminates the need for post-processing of data due to the above.

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

第1図はこの発明による走査型トンネルポテンシャル分
光顕微鏡の基本構成を示す図、第2図は第1図に示され
るアナログ演算ユニットの構成を示す図、第3図は第1
の実施例の各要素での信号を示す図、第4図は第1の実
施例で用いられるサンプリング回路のブロック図、第5
図は走査信号と測定データを対応させて像をストレージ
オシロスコープに表示させる際の信号の流れを示す図、
第6図はストレージオシロスコープに表示させるときの
各要素での信号を示す図、第7A図乃至第7C図はカーボン
抵抗の表面を示す図、第8図はこの発明の第2の実施例
による走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡の構成を
示す図、第9図は第2の実施例を説明するための物性模
式図、第10図は第3の実施例におけるサンプリングのタ
イミングを示す図、第11図は第3の実施例において使用
されるサンプリング回路を示す図、第12図はアナログ分
光顕微鏡の基本構成を示す図、第13図は第12図のアナロ
グ分光顕微鏡におけるトンネル電流とサーボ電圧との関
係を示す図、第14図は走査型トンネルポテンシオメトリ
ィの構成を示す図、第15図は第14図に示される試料の表
面の電位分布のモデル図である。 12……探針、20……発振器、22……ポテンシャルサーボ
回路、26……電流検出器、28……サーボ回路、30……絶
対値検出器、32……アナログ演算ユニット。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a scanning tunneling potential spectroscopy microscope according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an analog arithmetic unit shown in FIG. 1, and FIG.
FIG. 4 is a diagram showing signals at respective elements of the first embodiment, FIG. 4 is a block diagram of a sampling circuit used in the first embodiment, and FIG.
The figure shows the signal flow when displaying the image on the storage oscilloscope in association with the scanning signal and the measurement data,
FIG. 6 is a diagram showing signals at each element when displayed on a storage oscilloscope, FIGS. 7A to 7C are diagrams showing the surface of a carbon resistor, and FIG. 8 is a scan according to a second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a scanning tunneling potential spectroscopy microscope, FIG. 9 is a schematic diagram of physical properties for explaining the second embodiment, FIG. 10 is a diagram showing sampling timing in the third embodiment, and FIG. FIG. 12 is a diagram showing a sampling circuit used in the third embodiment, FIG. 12 is a diagram showing a basic configuration of an analog spectroscopic microscope, and FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a tunnel current and a servo voltage in the analog spectroscopic microscope of FIG. FIG. 14 is a diagram showing the configuration of a scanning tunnel potentiometer, and FIG. 15 is a model diagram of the potential distribution on the surface of the sample shown in FIG. 12 ... probe, 20 ... oscillator, 22 ... potential servo circuit, 26 ... current detector, 28 ... servo circuit, 30 ... absolute value detector, 32 ... analog operation unit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 御子柴 宣夫 東京都渋谷区幡ケ谷2丁目43番2号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−43944(JP,A) Seizo Morita、外2名, “Scanning Tunnelin g Potentiometry/Sp ectroscopy(STP/ST S)”,Japanese Journ al of Applied Phys ics,応用物理学欧文誌刊行会,1989 年11月20日,第28巻,第11号,pp.L 2034−L2036 森田直威、外2名,“STS/STM の同時測定とデータ処理”,電子技術総 合研究所彙報,株式会社オーム社,1988 年5月20日,第52巻,第5号,pp. 717−727 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 7/34 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Norio Mikoshiba 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo O-limpus Optical Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-3-43944 (JP, A) Seizor Morita And two others, “Scanning Tunneling Potentiometry / Spectroscopy (STP / STS)”, Japan Journal of Applied Physics, European Journal of Applied Physics, November 20, 1989, November 28, 1989. No. pp. L2034-L2036 Naotake Morita, et al., “Simultaneous Measurement and Data Processing of STS / STM”, Electrotechnical Laboratory, Ohm Co., Ltd., May 20, 1988, Vol. 52, No. 5 No., pp. 717-727 (58) Fields studied (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G01B 7/34 H01J 37/28 JICST file (JOIS)

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】走査型トンネル顕微鏡において、一定周期
で時間変化する所定波形の変調電圧を含むバイアス電圧
を試料に印加する手段と、0電位の探針と前記試料との
間に流れるトンネル電流を検出する手段と、トンネル電
流の絶対値を検出する手段と、トンネル電流の絶対値を
用いて前記試料と前記探針との間の距離を変調電圧の周
期の5倍以上の時定数でサーボ制御する手段と、出力さ
れるサーボ信号から試料の凹凸データを得る手段と、ト
ンネル電流がバイアス電圧の1周期毎の平均で0となる
ようにフィードバック制御するためにバイアス電圧のオ
フセット電圧を制御する手段と、オフセット電圧より試
料の局所電位データを検出する手段と、トンネル電流と
変調電圧からアナログ演算ユニットにより微分コンダク
タンスの実時間のアナログ演算を行い微分コンダクタン
スデータを得る手段と、試料の探針との間の距離を一定
に保持した状態で、前記凹凸データと同時に前記微分コ
ンダクタンスデータ及び前記局所電位データの実時間測
定をする手段とを備える走査型トンネルポテンシャル分
光顕微鏡。
1. A scanning tunneling microscope, comprising: means for applying a bias voltage including a modulation voltage having a predetermined waveform which changes with time in a constant cycle to a sample; and a tunnel current flowing between the zero potential probe and the sample. Means for detecting, means for detecting the absolute value of the tunnel current, and servo control of the distance between the sample and the probe using the absolute value of the tunnel current with a time constant at least five times the cycle of the modulation voltage. Means for obtaining the unevenness data of the sample from the output servo signal, and means for controlling the offset voltage of the bias voltage so as to perform feedback control so that the tunnel current becomes zero on average per one cycle of the bias voltage. Means for detecting local potential data of the sample from the offset voltage, and real-time differential conductance of the differential Means for performing differential operation to obtain differential conductance data, and means for real-time measurement of the differential conductance data and the local potential data simultaneously with the unevenness data while maintaining a constant distance between the sample and the probe. A scanning tunneling potential spectroscopy microscope comprising:
【請求項2】走査型トンネル顕微鏡において、探針を0
電位にし、試料の電位として一定周期で時間変化する所
定波形の変調電圧を含むバイアス電圧を印加し、試料と
探針との間に流れるトンネル電流を検出し、トンネル電
流の絶対値を検出し、試料と探針との間の距離にバイア
ス電圧の影響がでないように時定数が設定されたサーボ
回路を用いてトンネル電流の絶対値から試料と探針との
間の距離をサーボ制御し、サーボ出力から試料の凹凸デ
ータを得、また、トンネル電流が変調電圧の1周期毎の
平均で0になるようにバイアス電圧のオフセット電圧を
制御し、オフセット電圧から試料の局所電位を得、さら
に、トンネル電流とバイアス電圧から微分コンダクタン
スの実時間のアナログ演算を行うことにより、試料と探
針との間の距離を一定に保った状態で、凹凸データと同
時に微分コンダクタンスデータ及び局所電位データの実
時間測定を行う走査型トンネルポテンシャル分光情報検
出方式。
2. In a scanning tunneling microscope, a probe is set to 0
To a potential, applying a bias voltage including a modulation voltage of a predetermined waveform that changes with time in a constant cycle as the potential of the sample, detects a tunnel current flowing between the sample and the probe, detects an absolute value of the tunnel current, Using a servo circuit with a time constant set so that the bias voltage does not affect the distance between the sample and the probe, the servo between the sample and the probe is controlled based on the absolute value of the tunnel current. The unevenness data of the sample is obtained from the output, the offset voltage of the bias voltage is controlled so that the tunnel current becomes 0 on average for each cycle of the modulation voltage, the local potential of the sample is obtained from the offset voltage, By performing real-time analog calculation of differential conductance from current and bias voltage, the differential conductance can be obtained simultaneously with the unevenness data while keeping the distance between the sample and the probe constant. Nsu data and scanning tunneling potential spectral information detection method for performing real-time measurement of local electrical potentials data.
【請求項3】前記バイアス電圧を試料に印加する手段が
変調電圧発生器を備え、この変調電圧発生器が正弦波電
圧発生器である請求項1記載の走査型トンネルポテンシ
ャル分光顕微鏡。
3. The scanning tunnel potential spectroscopy microscope according to claim 1, wherein the means for applying the bias voltage to the sample includes a modulation voltage generator, and the modulation voltage generator is a sinusoidal voltage generator.
【請求項4】前記変調電圧が正弦波電圧である請求項2
記載の走査型トンネルポテンシャル分光情報検出方式。
4. The modulation voltage according to claim 2, wherein the modulation voltage is a sine wave voltage.
The scanning tunneling potential spectral information detection method described in the above.
【請求項5】前記バイアス電圧を試料に印加する手段が
試料上に設けられた複数の電極を有し、それぞれの電極
に異なる電位を加えることにより、試料に電位勾配を発
生させる手段を備える請求項1記載の走査型トンネルポ
テンシャル分光顕微鏡。
5. The apparatus according to claim 1, wherein the means for applying the bias voltage to the sample includes a plurality of electrodes provided on the sample, and means for generating a potential gradient in the sample by applying different potentials to the respective electrodes. Item 4. A scanning tunnel potential spectroscopic microscope according to Item 1.
【請求項6】前記試料の複数の点に異なるバイアス電位
を与え、人為的に電位勾配を作る請求項2記載の走査型
トンネルポテンシャル分光情報検出方式。
6. The scanning tunneling potential spectral information detecting method according to claim 2, wherein different bias potentials are applied to a plurality of points on the sample to artificially generate a potential gradient.
【請求項7】走査型トンネル顕微鏡において、一定周期
で時間変化する所定波形の変調電圧を含むバイアス電圧
を試料に印加する手段と、0電位の探針と前記試料との
間に流れるトンネル電流を検出する手段と、トンネル電
流に含まれる一定周期で変化する変調電圧の基本周波数
成分を検出する手段と、この基本周波数成分を用いて前
記試料と前記探針との間の距離を制御するサーボ制御す
る手段と、出力されるサーボ信号から試料の凹凸データ
を得る手段と、トンネル電流がバイアス電圧を1周期毎
の平均で0となるようにフィードバック制御するために
バイアス電圧のオフセット電圧を制御する手段と、オフ
セット電圧より試料の局所電位データを検出する手段
と、トンネル電流と変調電圧からアナログ演算ユニット
により微分コンダクタンスの実時間のアナログ演算を行
い微分コンダクタンスデータを得る手段と、試料と探針
との間の距離を一定に保持した状態で、前記凹凸データ
と同時に前記微分コンダクタンスデータ及び前記局所電
位データの実時間測定をする手段とを備える走査型トン
ネルポテンシャル分光顕微鏡。
7. A scanning tunneling microscope, comprising: means for applying a bias voltage including a modulation voltage having a predetermined waveform, which changes with time at a constant period, to a sample; and a tunnel current flowing between the zero potential probe and the sample. Means for detecting, means for detecting a fundamental frequency component of a modulation voltage that changes at a constant period included in the tunnel current, and servo control for controlling a distance between the sample and the probe using the fundamental frequency component. Means for obtaining unevenness data of the sample from the output servo signal, and means for controlling the offset voltage of the bias voltage so as to perform feedback control so that the tunnel current becomes zero on average per cycle. A means for detecting local potential data of a sample from an offset voltage, and a differential conductor from a tunnel current and a modulation voltage by an analog arithmetic unit. Means for obtaining differential conductance data by performing a real-time analog calculation of the impedance, and realizing the differential conductance data and the local potential data simultaneously with the irregularity data while maintaining a constant distance between the sample and the probe. Scanning tunneling potential spectroscopy microscope comprising means for measuring time.
【請求項8】走査型トンネル顕微鏡において、探針を0
電位にし、試料の電位として一定周期で時間変化する所
定波形の変調電圧を含むバイアス電圧を印加し、試料と
探針との間に流れるトンネル電流を検出し、トンネル電
流に含まれる一定周期で変化する変調電圧の基本周波数
成分を検出し、サーボ回路を用いて変調電圧の基本周波
数成分から試料と探針との間の距離をサーボ制御し、サ
ーボ出力から試料の凹凸データを得、また、トンネル電
流が変調電圧の1周期毎の平均で0になるようにバイア
ス電圧のオフセット電圧を制御し、オフセット電圧から
試料の局所電位を得、さらに、トンネル電流とバイアス
電圧から微分コンダクタンスの実時間のアナログ演算を
行うことにより、試料と探針との間の距離を一定に保っ
た状態で、凹凸データと同時に微分コンダクタンスデー
タ及び局所電位データの実時間測定を行う走査型トンネ
ルポテンシャル分光情報検出方式。
8. A scanning tunneling microscope, wherein a probe is set at 0
A bias voltage including a modulation voltage having a predetermined waveform that changes with time at a constant cycle as a sample potential is applied, and a tunnel current flowing between the sample and the probe is detected, and the voltage changes at a constant cycle included in the tunnel current. The fundamental frequency component of the modulation voltage to be detected is detected, and the servo circuit is used to servo-control the distance between the sample and the probe from the fundamental frequency component of the modulation voltage. The offset voltage of the bias voltage is controlled so that the current becomes 0 on average for each cycle of the modulation voltage, the local potential of the sample is obtained from the offset voltage, and the real-time analog of the differential conductance is obtained from the tunnel current and the bias voltage. By performing the calculation, the differential conductance data and the local potential data can be obtained simultaneously with the unevenness data while keeping the distance between the sample and the probe constant. Scanning tunneling potential spectral information detection method for performing real-time measurement data.
【請求項9】変調電圧の振幅の範囲内の任意の電圧で、
アナログ演算ユニットから実時間で出力される局所的微
分コンダクタンスデータの中から特定バイアス電圧にお
ける微分コンダクタンスデータだけを保持するサンプル
&ホールドアンプと、任意波形発生器の電圧値を基にサ
ンプル&ホールドアンプを作動させるサンプリング回路
をさらに備える請求項1記載の走査型トンネルポテンシ
ャル分光顕微鏡。
9. An arbitrary voltage within a range of an amplitude of a modulation voltage,
A sample and hold amplifier that holds only the differential conductance data at a specific bias voltage from the local differential conductance data output in real time from the analog arithmetic unit, and a sample and hold amplifier based on the voltage value of the arbitrary waveform generator The scanning tunneling potential spectroscopy microscope according to claim 1, further comprising a sampling circuit to be operated.
【請求項10】変調電圧の振幅の範囲内の任意の電圧に
おける局所的微分コンダクタンスデータの中から少なく
とも一以上の特定バイアスにおける微分コンダクタンス
を求める請求項2記載の走査型トンネルポテンシャル分
光情報検出方式。
10. The scanning tunneling potential spectral information detecting method according to claim 2, wherein a differential conductance at at least one specific bias is obtained from local differential conductance data at an arbitrary voltage within a range of the amplitude of the modulation voltage.
【請求項11】変調電圧の一周期の時間内の任意の時間
で、アナログ演算ユニットから実時間で出力される局所
的微分コンダクタンスデータの中から、特定のタイミン
グにおける微分コンダクタンスデータだけを保持するサ
ンプル&ホールドアンプと、バイアス電圧発生器のトリ
ガータイミングを基にサンプル&ホールドアンプを作動
させるサンプリング回路をさらに備える請求項1記載の
走査型トンネルポテンシャル分光顕微鏡。
11. A sample for holding only differential conductance data at a specific timing from local differential conductance data output in real time from an analog operation unit at an arbitrary time within one cycle of a modulation voltage. 2. The scanning tunneling potential spectroscopy microscope according to claim 1, further comprising: a &amp; hold amplifier; and a sampling circuit for operating the sample & hold amplifier based on a trigger timing of a bias voltage generator.
【請求項12】変調電圧の一周期の時間内の任意の時間
における局所的微分コンダクタンスデータの中から少な
くとも一以上の特定のタイミングにおける微分コンダク
タンスを求める請求項2記載の走査型トンネルポテンシ
ャル分光情報検出方式。
12. The scanning tunneling potential spectral information detection according to claim 2, wherein a differential conductance at at least one specific timing is obtained from local differential conductance data at an arbitrary time within one period of the modulation voltage. method.
【請求項13】トンネル電流と変調電圧の位相を合わせ
る位相補償回路をアナログ演算ユニットの前段に備える
請求項1記載の走査型トンネルポテンシャル分光顕微
鏡。
13. The scanning tunnel potential spectroscopy microscope according to claim 1, wherein a phase compensation circuit for adjusting the phase of the tunnel current and the modulation voltage is provided before the analog operation unit.
【請求項14】アナログ演算を行う前に、トンネル電流
とバイアス電圧の位相を合わせる請求項2記載のトンネ
ルポテンシャル分光情報検出方式。
14. The tunnel potential spectral information detecting method according to claim 2, wherein the phases of the tunnel current and the bias voltage are adjusted before the analog operation is performed.
【請求項15】探針と試料の間でトンネル電流が流れて
いないのにも関わらず、バイアス電圧信号からの信号が
前記トンネル電流を検出する手段において検出される
際、トンネル電流を検出する手段の直後に、検出される
トンネル電流信号から本来のトンネル電流信号のみをと
りだす補償手段を備える請求項1記載の走査型トンネル
ポテンシャル分光顕微鏡。
15. A means for detecting a tunnel current when a signal from a bias voltage signal is detected by said means for detecting a tunnel current even though a tunnel current does not flow between the probe and the sample. 2. The scanning tunneling potential spectroscopic microscope according to claim 1, further comprising a compensating means for extracting only an original tunnel current signal from the detected tunnel current signal immediately after the step (c).
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Seizo Morita、外2名,"Scanning Tunneling Potentiometry/Spectroscopy(STP/STS)",Japanese Journal of Applied Physics,応用物理学欧文誌刊行会,1989年11月20日,第28巻,第11号,pp.L2034−L2036
森田直威、外2名,"STS/STMの同時測定とデータ処理",電子技術総合研究所彙報,株式会社オーム社,1988年5月20日,第52巻,第5号,pp.717−727

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