JPH0769140B2 - Scanning tunneling microscope - Google Patents
Scanning tunneling microscopeInfo
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- JPH0769140B2 JPH0769140B2 JP1160364A JP16036489A JPH0769140B2 JP H0769140 B2 JPH0769140 B2 JP H0769140B2 JP 1160364 A JP1160364 A JP 1160364A JP 16036489 A JP16036489 A JP 16036489A JP H0769140 B2 JPH0769140 B2 JP H0769140B2
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- sample
- tunnel current
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、試料に探針を近付けてトンネル電流を検出し
て試料表面の凹凸像を画像表示装置に表示する走査形ト
ンネル顕微鏡に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a scanning tunnel microscope that displays a concavo-convex image of a sample surface on an image display device by detecting a tunnel current by bringing a probe close to the sample.
[従来の技術] 探針先端の原子と試料の原子の電子雲とが重なり合うnm
オーダーまで探針の先端と試料の先端を試料表面に近付
け、この状態で探針と試料との間に一定のバイアス電圧
をかけるとトンネル電流が流れる。このトンネル電流
は、特に、探針と試料との間の距離に敏感であるため、
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。[Prior art] nm where the atom at the tip of the probe and the electron cloud of the atom of the sample overlap
When the tip of the probe and the tip of the sample are brought close to the sample surface to the order, and a constant bias voltage is applied between the probe and the sample in this state, a tunnel current flows. This tunnel current is particularly sensitive to the distance between the probe and the sample,
By measuring the magnitude of the tunnel current, the distance between the sample and the probe can be measured ultra-precision.
走査形トンネル顕微鏡(STM)は、上記トンネル電流が
一定になるように探針の高さを制御しながら、探針を水
平方向に走査したときの探針の高さの軌跡により試料表
面の凹凸形状を観察するものであり、表面原子配列を観
察する上で注目されている顕微鏡装置である。The scanning tunneling microscope (STM) controls the height of the probe so that the tunnel current is constant, and the unevenness of the sample surface is determined by the trajectory of the probe height when the probe is scanned horizontally. It is a microscope device for observing the shape and attracting attention in observing the surface atomic arrangement.
また、走査形トンネル顕微鏡は表面原子配列(試料表面
の凹凸)を観察できるばかりでなく、PHYSICAL REVIEW
LETTERS VOLUME56,NUMBER6,PP.608−611,10FEBRUARY198
6に記載されている方法により、試料の特性及び試料の
電子状態を知ることができる。すなわち、試料の特性
は、探針を試料上の任意の位置(x0,y0,z0)に固定した
状態でバイアス電圧VTをマイナスの値からプラスの値に
変化させ、その時のトンネル電流ITを測定し、I−Vカ
ーブを求めることにより知ることができる。第3図
(a)は、試料が金属である場合のI−Vカーブを示
し、同図(b)は、試料が半導体である場合のそれを示
している。また、試料の電子状態は、同じく探針を任意
の位置に固定し、バイアス電圧VTを単位量変化させた場
合のトンネル電流の変化dIT/dVTを求めることにより知
ることができる。In addition, the scanning tunneling microscope can not only observe the surface atomic arrangement (irregularities on the sample surface), but also the PHYSICAL REVIEW
LETTERS VOLUME56, NUMBER6, PP.608−611,10FEBRUARY198
By the method described in 6, it is possible to know the characteristics of the sample and the electronic state of the sample. That is, the characteristic of the sample is that the bias voltage V T is changed from a negative value to a positive value with the probe fixed at an arbitrary position (x 0 , y 0 , z 0 ) on the sample, and the tunnel current at that time is changed. measure the current I T, it can be known by obtaining the I-V curve. FIG. 3 (a) shows an IV curve when the sample is a metal, and FIG. 3 (b) shows that when the sample is a semiconductor. Similarly, the electronic state of the sample can be known by fixing the probe at an arbitrary position and obtaining the change dI T / dV T of the tunnel current when the bias voltage V T is changed by a unit amount.
[発明が解決しようとする課題] しかし、従来のように試料の任意の1点に探針を固定し
てI−Vカーブを求めた場合、そのI−Vカーブから求
められる試料の特性の信頼性は低く、誤った特性を求め
ることがある。なぜなら、トンネル電流は非常に小さ
く、そのトンネル電流にノイズが混入すると、I−Vカ
ーブはノイズに大きく左右されるからである。[Problems to be Solved by the Invention] However, when the IV curve is obtained by fixing the probe to any one point of the sample as in the conventional case, the reliability of the characteristic of the sample obtained from the IV curve is reliable. The property is low and the wrong characteristics may be required. This is because the tunnel current is very small, and if noise is mixed in the tunnel current, the IV curve is greatly influenced by the noise.
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目
的は、トンネル電流にノイズが混入しても試料の特性を
正確に求めることができる走査形トンネル顕微鏡を提供
することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a scanning tunneling microscope capable of accurately obtaining the characteristics of a sample even if noise is mixed in the tunnel current.
[課題を解決するための手段] 本発明は、試料面に沿ってXY方向に探針を駆動するXY軸
方向駆動手段、試料面との高さを変えるZ方向に探針を
駆動するZ軸方向駆動手段、探針と試料との間にバイア
ス電圧を印加するための電圧印加手段、探針と試料との
間のトンネル電流検出手段、探針の駆動信号を発生し試
料表面の凹凸像を出力する信号処理手段を備え、試料に
探針を近付けてトンネル電流を検出して試料表面の凹凸
像を画像表示装置に表示する走査形トンネル顕微鏡にお
いて、前記試料像に対応して試料面上の複数の測定点を
指定する手段と、該指定された各測定点上に順次探針を
移動させて探針を固定する手段と、前記指定された各測
定点において前記バイアス電圧を掃引する手段と、前記
各測定点で測定されたトンネル電流の信号を平均化処理
する信号処理手段を設けたことを特徴としている。[Means for Solving the Problems] The present invention relates to XY axis direction driving means for driving a probe in the XY direction along a sample surface, and Z axis for driving the probe in the Z direction for changing the height with respect to the sample surface. Direction drive means, voltage application means for applying a bias voltage between the probe and the sample, tunnel current detection means between the probe and the sample, and a drive signal for the probe to generate an uneven image of the sample surface. In a scanning tunneling microscope having a signal processing means for outputting, a probe is brought close to a sample, a tunnel current is detected, and an uneven image of the sample surface is displayed on an image display device. Means for designating a plurality of measurement points, means for sequentially moving the probe onto each of the designated measurement points to fix the probe, and means for sweeping the bias voltage at each of the designated measurement points , The signal of the tunnel current measured at each measurement point It is characterized in that a signal processing means for processing averages.
[実施例] 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第1
図は本発明の一実施例による走査形トンネル顕微鏡の構
成を示す図、第2図は試料像の画像表示状態を示す図で
ある。第1図において、1は試料、2は探針、3はバイ
アス電源、4x,4y,4zは圧電素子、5はスキャンジエネレ
ータ、6x,6y,6zは圧電素子駆動高圧回路、7はI/V増幅
器、8はログアンプ、9はコンパレータ、10はインテグ
レータ、11はイメージ増幅器、12はCPUモニタである。[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a scanning tunneling microscope according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an image display state of a sample image. In FIG. 1, 1 is a sample, 2 is a probe, 3 is a bias power source, 4x, 4y and 4z are piezoelectric elements, 5 is a scan generator, 6x, 6y and 6z are piezoelectric element driving high voltage circuits, and 7 is I / V amplifier, 8 is a log amplifier, 9 is a comparator, 10 is an integrator, 11 is an image amplifier, and 12 is a CPU monitor.
圧電素子4x,4y,4zは夫々X軸、Y軸、Z軸を駆動する3
次元スキャナーを構成するものであり、スキャンジェネ
レータ5は探針2及び画像表示装置12の走査信号を発生
するものである。圧電素子駆動高圧発生回路6x,6yは、
スキャンジェネレータ5で発生した走査信号にしたがっ
て3次元スキャナーの圧電素子4x,4yを駆動するもので
あり、圧電素子駆動高圧発生回路6zは、インテグレータ
10の出力により3次元スキャナーの圧電素子4zを駆動す
るものである。試料に接続された初段のI/V増幅器7
は、トンネル電流ITを電圧に変換し更に増幅するもので
あり、その次の段に接続されたログアンプ8はI/V増張
幅器7の出力信号が探針の高さに対して線形に対応する
ように信号変換(線形化)を行うものである。コンパレ
ータ9は、ログアンプ8の出力値をトンネル電流の設定
値に対応する基準値(DC Source)と比較するものであ
り、インテグレータ10は、コンパレータ7の出力を積分
し、この出力を3次元スキャナーのZ軸電圧素子4zに対
する制御値とするものである。このようにI/V増幅器
7、ログアンプ8、コンパレータ9、インテグレータ10
を通してトンネル電流ITをZ軸圧電素子駆動高圧発生回
路6zフィードバックし、3次元スキャナーのZ軸圧電素
子4zを制御することによって、探針2の高さを制御しト
ンネル電流Itを一定にしている。Piezoelectric elements 4x, 4y, and 4z drive the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively 3
The scan generator 5 constitutes a two-dimensional scanner, and the scan generator 5 generates scanning signals for the probe 2 and the image display device 12. Piezoelectric element drive high voltage generation circuit 6x, 6y,
The piezoelectric elements 4x and 4y of the three-dimensional scanner are driven according to the scanning signal generated by the scan generator 5, and the piezoelectric element driving high voltage generating circuit 6z is an integrator.
The output of 10 drives the piezoelectric element 4z of the three-dimensional scanner. First stage I / V amplifier 7 connected to the sample
Is for converting the tunnel current I T into a voltage and further amplifying it. The log amp 8 connected to the next stage outputs the output signal of the I / V extension width device 7 to the height of the probe. Signal conversion (linearization) is performed so as to correspond to linearity. The comparator 9 compares the output value of the log amp 8 with a reference value (DC Source) corresponding to the set value of the tunnel current, and the integrator 10 integrates the output of the comparator 7 and outputs this output to the three-dimensional scanner. Is a control value for the Z-axis voltage element 4z. In this way, I / V amplifier 7, log amplifier 8, comparator 9, integrator 10
The tunnel current I T is fed back through the Z-axis piezoelectric element driving high-voltage generating circuit 6z to control the Z-axis piezoelectric element 4z of the three-dimensional scanner to control the height of the probe 2 and keep the tunnel current It constant. .
また、Z軸圧電素子駆動高圧発生回路6zへフィードバッ
クされる信号はイメージ増幅器11に供給されており、該
イメージ増幅器11からの出力信号がCPUモニタ12に供給
されて輝度変調され、2次元の試料表面像として画像表
示されている。Further, the signal fed back to the Z-axis piezoelectric element driving high voltage generation circuit 6z is supplied to the image amplifier 11, and the output signal from the image amplifier 11 is supplied to the CPU monitor 12 to be brightness-modulated and the two-dimensional sample. The image is displayed as a surface image.
上述のような構成において、本発明は、CPUモニタ12に
2次元表示された試料像に対応して、試料面上の複数の
測定点を指定する位置指定回路13を設けている。該位置
指定回路13には画面上の任意の点を指定するためのマウ
スやライトペンなどのポインティングデバイス14が接続
されている。操作者が該ポインティングデバイスによっ
て、試料面上の複数の測定点を指定すると、その位置を
示す信号が該位置指定回路13に保持されると共に、該指
定された点が第2図に示すように前記試料像上に表示さ
れる。In the configuration as described above, the present invention is provided with the position designating circuit 13 for designating a plurality of measurement points on the sample surface corresponding to the sample image two-dimensionally displayed on the CPU monitor 12. A pointing device 14 such as a mouse or a light pen for designating an arbitrary point on the screen is connected to the position designating circuit 13. When the operator designates a plurality of measurement points on the sample surface with the pointing device, a signal indicating the position is held in the position designation circuit 13, and the designated points are set as shown in FIG. It is displayed on the sample image.
第2図においては、シリコン(111)面の7×7構造の
トンネル顕微鏡像が表示されており、該試料像中のダン
グリングポイントa1〜anが測定点として測定されてい
る。In FIG. 2, a tunnel microscope image of the 7 × 7 structure of the silicon (111) surface is displayed, and dangling points a 1 to a n in the sample image are measured as measurement points.
そして、該位置指定回路13に保持された測定点を示す信
号が圧電素子駆動高圧発生回路6x,6yに供給される。圧
電素子駆動高圧発生回路6x,6yは該信号に基づいて3次
元スキャナーの圧電素子4x,4yを駆動し、探針2を試料
面上の測定点に順次移動する。そして、各測定点におい
て、探針フェルミ準位が試料のフェルミ準位の充分下か
ら上まで走査されるようにバイアス電源3が制御され、
バイアス電圧VTがプラス、マイナスで大幅に変化され
る。この時のバイアス電圧VTの変化に伴うトンネル電流
ITが検出され、該検出されたトンネル電流ITがCPUモニ
タ12に供給される。CPU12に供給された測定点a1〜anで
のバイアス電圧VTの変化に伴なうトンネル電流ITはCPU1
2において演算処理されて、トンネル電流の平均が求め
られる。そして、バイアス電圧の単位量変化に対するト
ンネル電流の変化を求めることにより、試料の電子状態
を求めることができる。Then, the signal indicating the measurement point held in the position specifying circuit 13 is supplied to the piezoelectric element driving high voltage generating circuits 6x and 6y. The piezoelectric element driving high voltage generating circuits 6x and 6y drive the piezoelectric elements 4x and 4y of the three-dimensional scanner based on the signals, and sequentially move the probe 2 to the measurement point on the sample surface. Then, at each measurement point, the bias power supply 3 is controlled so that the probe Fermi level is scanned from sufficiently below to above the Fermi level of the sample,
The bias voltage V T is changed positively and negatively. Tunnel current due to change in bias voltage V T at this time
I T is detected, and the detected tunnel current I T is supplied to the CPU monitor 12. The tunnel current I T accompanying the change in the bias voltage V T at the measurement points a 1 to a n supplied to the CPU 12 is
The calculation is performed in 2 to obtain the average of the tunnel currents. Then, the electronic state of the sample can be obtained by obtaining the change in the tunnel current with respect to the change in the unit amount of the bias voltage.
[効果] 本発明によれば、試料の複数の測定点上に探針を固定
し、各測定点においてバイアス電圧を掃引してトンネル
電流を測定し、各測定点において測定されたトンネル電
流の平均を求めるので、トンネル電流にノイズが混入し
ても試料の特性を正確に求めることができる。[Effect] According to the present invention, the probe is fixed on a plurality of measurement points of the sample, the bias voltage is swept at each measurement point to measure the tunnel current, and the average of the tunnel current measured at each measurement point is measured. Therefore, the characteristics of the sample can be accurately obtained even if noise is mixed in the tunnel current.
第1図は本発明の一実施例による走査形トンネル顕微鏡
の構成を示す図、第2図は試料像の画像表示状態を示す
図、第3図は試料の特性を示すI−Vカーブを示す図で
ある。 1:試料、2:探針 3:バイアス電源 4x,4y,4z:圧電素子 5:スキャンジエネレータ 6x,6y,6z:圧電素子駆動高圧回路 7:I/V増幅器、8:ログアンプ 9:コンパレータ、10:インテグレータ 11:イメージ増幅器、12:CPUモニタ 13:位置指定回路 14:ポインティングデバイスFIG. 1 is a diagram showing a configuration of a scanning tunneling microscope according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an image display state of a sample image, and FIG. 3 is an IV curve showing characteristics of the sample. It is a figure. 1: Sample, 2: Probe 3: Bias power supply 4x, 4y, 4z: Piezoelectric element 5: Scan generator 6x, 6y, 6z: Piezoelectric element drive high voltage circuit 7: I / V amplifier, 8: Log amplifier 9: Comparator , 10: Integrator 11: Image amplifier, 12: CPU monitor 13: Positioning circuit 14: Pointing device
Claims (1)
軸方向駆動手段、試料面との高さを変えるZ方向に探針
を駆動するZ軸方向駆動手段、探針と試料との間にバイ
アス電圧を印加するための電圧印加手段、探針と試料と
の間のトンネル電流検出手段、探針の駆動手段を発生し
試料表面の凹凸像を出力する信号処理手段を備え、試料
に探針を近付けてトンネル電流を検出して試料表面の凹
凸像を画像表示装置に表示する走査形トンネル顕微鏡に
おいて、前記試料像に対応して試料面上の複数の測定点
を指定する手段と、該指定された各測定点上に探針を順
次移動させて探針を固定する手段と、前記指定された各
測定点において前記バイアス電圧を掃引する手段と、前
記各測定点で測定されたトンネル電流の信号を平均化処
理する信号処理手段を設けたことを特徴とする走査形ト
ンネル顕微鏡。1. An XY for driving a probe in the XY directions along a sample surface.
Axial direction drive means, Z axis direction drive means for driving the probe in the Z direction that changes the height with respect to the sample surface, voltage application means for applying a bias voltage between the probe and the sample, probe and sample And a signal processing means for generating a probe driving means to output an uneven image of the sample surface, and bring the probe close to the sample to detect the tunnel current to detect an uneven image of the sample surface. In a scanning tunnel microscope displayed on an image display device, means for designating a plurality of measurement points on the sample surface corresponding to the sample image, and a probe by sequentially moving the probe to each of the designated measurement points. Means for fixing the needle, means for sweeping the bias voltage at each of the designated measurement points, and signal processing means for averaging the tunnel current signals measured at each of the measurement points are provided. Scanning tunneling microscope.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1160364A JPH0769140B2 (en) | 1989-06-22 | 1989-06-22 | Scanning tunneling microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1160364A JPH0769140B2 (en) | 1989-06-22 | 1989-06-22 | Scanning tunneling microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0325301A JPH0325301A (en) | 1991-02-04 |
| JPH0769140B2 true JPH0769140B2 (en) | 1995-07-26 |
Family
ID=15713377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1160364A Expired - Fee Related JPH0769140B2 (en) | 1989-06-22 | 1989-06-22 | Scanning tunneling microscope |
Country Status (1)
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| JP (1) | JPH0769140B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118980834B (en) * | 2024-09-13 | 2025-01-24 | 西南交通大学 | A method, device and medium for measuring the Fermi velocity of two-dimensional Dirac material |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0615970B2 (en) * | 1987-09-01 | 1994-03-02 | 三菱重工業株式会社 | Roll profile measurement method |
-
1989
- 1989-06-22 JP JP1160364A patent/JPH0769140B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0325301A (en) | 1991-02-04 |
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