(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励振している探針部材の先端に設けた導電性のソフト磁性探針に周波数が異なる交流電場と交流磁場とを印加し、前記ソフト磁性探針により試料を走査し、前記探針部材の振動を検出することで、前記試料から発生する電場と磁場とを同時に測定する電気力／磁気力顕微鏡であって、
前記探針部材と、
前記探針部材を励振させる探針励振部と、
前記交流電場を発生し当該交流電場を前記ソフト磁性探針に印加する交流電場印加部と、
前記交流磁場を発生し当該交流磁場を前記ソフト磁性探針に印加する交流磁場印加部と、
前記交流電場印加部を駆動する交流電場駆動部と、
前記交流磁場印加部を駆動する交流磁場駆動部と、
前記探針部材の振動を検出し、振動検出信号を生成する探針振動検出部と、
前記ソフト磁性探針により前記試料を走査するために、前記探針部材を空間駆動する探針走査部と、
前記振動検出信号を取得し、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調する復調部と、
前記復調部により復調された前記交流電気力を用いて、前記試料から発生する前記電場を測定する電場測定部と、
前記復調部により復調された前記交流磁気力を用いて、前記試料から発生する前記磁場を測定する磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力／磁気力顕微鏡。
【請求項２】
試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場とを同時に測定するための請求項１に記載の電気力／磁気力顕微鏡であって、
前記電場測定部は、
前記試料と前記導電性のソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定部と、
を備え、
前記磁場測定部は、
前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力／磁気力顕微鏡。
【請求項３】
試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場とを同時に測定するための請求項１に記載の電気力／磁気力顕微鏡であって、
前記電場測定部は、
前記試料と前記導電性のソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定部と、
を備え、
前記磁場測定部は、
前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する交流磁気力測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力／磁気力顕微鏡。
【請求項４】
試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場、および前記試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場を同時に測定するための請求項１に記載の電気力／磁気力顕微鏡であって、
前記電場測定部は、
前記試料と前記導電性のソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定部と、
前記交流電気力測定部により測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加部が印加する交流電場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定部と、
を備え、
前記磁場測定部は、
前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定部と、
前記交流磁気力測定部により測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加部が印加する交流磁場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定部と、
を備えたことを特徴とする電気力／磁気力顕微鏡。
【請求項５】
前記交流電場印加部が前記試料に印加する前記交流電場の周波数ωeと、前記交流磁場印加部が前記試料に印加する前記交流磁場の周波数ωmとが、１以上のいかなる整数ｎについてもωm≠ｎωeかつｎωm≠ωeをみたす、請求項１〜４のいずれかに記載の電気力／磁気力顕微鏡。
【請求項６】
励振している探針部材の先端に設けた導電性のソフト磁性探針に、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを印加し、前記ソフト磁性探針により試料を走査し、前記ソフト磁性探針の振動を検出することで、前記試料から発生する電場と磁場を同時に測定する電場／磁場同時測定方法であって、
探針励振部により、前記探針部材を励振させる探針励振ステップと、
交流電場印加部により、前記交流電場を発生し、当該交流電場を前記ソフト磁性探針に印加するとともに、交流磁場印加部により、前記交流磁場を発生し、当該交流磁場を前記ソフト磁性探針に印加する交流電場／交流磁場印加ステップと、
探針振動検出部により、前記探針部材の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出ステップと、
探針走査部により、前記探針部材を空間駆動し、前記ソフト磁性探針により前記試料を走査する探針走査ステップと、
復調部により、前記振動検出信号を用いて前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調する復調ステップと、
電場測定部により、前記復調ステップにおいて復調された前記交流電気力を用いて、前記試料から発生する前記電場を測定する電場測定ステップと、
磁場測定部により、前記復調ステップにおいて復調された前記交流磁気力を用いて、前記試料から発生する前記磁場を測定する磁場測定ステップと、
を有することを特徴とする電場／磁場同時測定方法。
【請求項７】
試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場とを同時に測定するための請求項６に記載の電場／磁場同時測定方法であって、
前記電場測定ステップは、
交流電気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定ステップと、
直流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定ステップを有し、かつ、
前記磁場測定ステップは、
交流磁気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定ステップと、
直流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定ステップと、
を有する、
ことを特徴とする電場／磁場同時測定方法。
【請求項８】
試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場とを同時に測定するための請求項６に記載の電場／磁場同時測定方法であって、
前記電場測定ステップは、
交流電気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定ステップと、
交流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定ステップと、
を含み、かつ、
前記磁場測定ステップは、
交流磁気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定ステップと、
交流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定ステップと、
を含むことを特徴とする電場／磁場同時測定方法。
【請求項９】
試料から発生する、時間変化しない直流電場と直流磁場および周期的に時間変化する交流電場と交流磁場を同時に測定するための請求項６に記載の電場／磁場同時測定方法であって、
前記電場測定ステップは、
交流電気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流電気力を測定する交流電気力測定ステップと、
直流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流電場を測定する直流電場測定ステップと、
交流電場測定部により、前記交流電気力測定ステップにおいて測定した前記交流電気力から、前記交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流電場を測定する交流電場測定ステップと、を含み、かつ、
前記磁場測定ステップは、
交流磁気力測定部により、前記試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた前記交流磁気力を測定する交流磁気力測定ステップと、
直流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する時間変化しない前記直流磁場を測定する直流磁場測定ステップと、
交流磁場測定部により、前記交流磁気力測定ステップにおいて測定した前記交流磁気力から、前記交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数の２倍以上の周波数成分を抽出することにより、前記試料から発生する周期的に時間変化する前記交流磁場を測定する交流磁場測定ステップと、
を含むことを特徴とする電場／磁場同時測定方法。
【請求項１０】
前記交流電場印加部が前記試料に印加する前記交流電場の周波数ωeと、前記交流磁場印加部が前記試料に印加する前記交流磁場の周波数ωmとが、１以上のいかなる整数ｎについてもωm≠ｎωeかつｎωm≠ωeをみたす、請求項６〜９のいずれかに記載の電場／磁場同時測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料から発生する電場と磁場とを同時に測定することができる、電気力／磁気力顕微鏡および電場／磁場同時測定方法に関する。
本発明では、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを、励振している導電性のソフト磁性探針に印加し、前記ソフト磁性探針の振動を検出することで、前記試料から発生する電場と磁場とが同時に測定される。
【背景技術】
【０００２】
試料の直流磁場を測定する技術として、図１（Ａ）に示す磁気力顕微鏡（ＭＦＭ８）が知られている（特許文献１：ＷＯ２０１３／０４７５３７参照）。
このＭＦＭ８では、先端に探針チップ８１１が設けられた探針部材８１（カンチレバー）が励振される。そして、バネ振動している探針チップ８１１により、試料８２の表面を走査し、前記探針チップ８１１の振動を検出することで、試料８２の表面の磁場を測定することができる。【０００３】
試料８２の下方には交流磁場発生用のコイル８４が設けられており、探針チップ８１１には、試料８２が生成する直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPLと、コイル８４が生成する交流磁場Ｈ＿ＡＣとの重畳磁場が印加される。
レーザ（ＬＡＳＥＲ）８３１とフォトダイオード（ＰＤ）８３２とからなる振動検出器により、探針部材８１の振動（みかけ上のバネ定数が変化することによって生じた振動変調）が検出され、図示しない直流磁場測定部により試料８２の表面の直流磁場が測定される。
なお、探針チップ８１１は、錐形のＳｉにソフト磁性体（例えばＦｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ等。）の薄膜を形成することで作製される。【０００４】
図１（Ａ）に示した従来の磁気力顕微鏡（ＭＦＭ８）の動作原理を説明する。
直流磁場勾配（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）の計測は、試料８２上の、探針チップ８１１に空間的に一様な交流磁場を印加して、探針チップ８１１の磁気モーメントを周期的に変化させることで可能となる。
図１（Ｂ）に、探針チップ８１１に使用されるソフト磁性体のＭ−Ｈ特性の一例を示す。
図１（Ｂ）では交流磁場の印加による磁化Ｍの時間変化を併せて示してある。
探針チップ８１１に、交流磁場により探針の共振周波数と異なる、非共振の交番磁気力が与えられたときのカンチレバー（探針部材８１）の運動方程式は、式（１）で表される。【０００５】
【数１】
0006482129.tif 000002
ｚ（ｔ）：ソフト磁性探針（探針チップ８１１）の変位の時間変化（ここで、ｚ方向は、試料面に垂直な方向にとり、探針の振動方向とする）
ω0：加振角周波数
ωm：交流磁気力の角周波数
ｍ：ソフト磁性探針（探針チップ８１１）の等価質量
γ：減衰係数
ｋ0：カンチレバー（探針部材８１）固有のバネ定数
Δｋ：カンチレバー（探針部材８１）のバネ定数のみかけ上の周期的変化の振幅
Δｋ≪ｋ0であるので、式（１）の解は式（２）で与えられる。【０００６】
【数２】
0006482129.tif 000003
【０００７】
非共振の交流磁場をソフト磁性探針（探針チップ８１１）に印加することにより、探針部材８１のバネ定数は、式（３）のように周期的に時間変化する項を含む。
Δｋ（ｔ）＝｛ｑtipdc＋ｑtipacｃｏｓ（ωmｔ）｝
・［（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋（∂Ｈ＿ＡＣ／∂ｚ）ｃｏｓ（ωmｔ）］      （３）
Ｈ＿ＤＣSMPL：試料から発生する直流磁場
Ｈ＿ＡＣ：ソフト磁性探針（探針チップ８１１）に印加する交流磁場の振幅
ｑtipac：振幅がＨ＿ＡＣの交流磁場により探針チップ８１１に生じた交流磁荷（以下、「交流磁極」と言う）の振幅
ｑtipdc：直流電場Ｅ＿ＤＣSMPLにより探針チップ８１１に生じた直流の磁荷（以下、「磁極」と言う）【０００８】
外部から印加する交流磁場Ｈ＿ＡＣが空間的に一様な場合、
｜∂Ｈ＿ＡＣ／∂ｚ｜≪１
となり、Δｋ（ｔ）は、式（４）で表される。
Δｋ（ｔ）≒ｑtipac（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）ｃｏｓ（ωmｔ）    （４）
ｑtipacの値は、Ｈ＿ＡＣの値を一定にすることで一定となるので、Δｋ（ｔ）のｃｏｓ（ωmｔ）で時間変化する成分を検出することで、試料８２の表面の直流磁場の勾配を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／０４７５３７Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、磁場の発生源である電流や磁気モーメントと、電場の発生源である電荷や電気分極とが共存する、磁場と同時に電場を発生する試料においては、試料の物性や特性測定といった観点から、試料から発生する直流磁場の測定だけでなく、直流電場と直流磁場の同時測定が必要な場合が生じる。
従来、このような要請（電場と磁場の同時測定）に応える技術は提供されていない。【００１１】
本発明の目的は、試料から発生する電場と磁場とを同時に測定することができる電気力／磁気力顕微鏡および電場／磁場同時測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを、励振しているソフト磁性探針に印加し、ソフト磁性探針の振動を検出する。これにより、試料から発生する電場と磁場とが同時に測定される。【００１３】
本発明の構成を、図面を参照しつつ説明する。
〔１〕
図２は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡の基本的な実施形態を示す全体図である。
図２において、電気力／磁気力顕微鏡１は、探針部材１１と、探針励振部１２、交流電場印加部１３１と、交流磁場印加部１３２と、交流電場駆動部１４１と、交流磁場駆動部１４２と、探針振動検出部１５と、探針走査部１６と、復調部（信号抽出部）１７と、電場測定部１８１と、磁場測定部１８２とを備えている。
探針部材１１は、その先端に設けられたソフト磁性探針１１２を有する。ソフト磁性探針１１２は、たとえば、表面に導電性のソフト磁性体薄膜が形成された錐形の探針チップからなる。
探針励振部１２は、探針部材１１を励振させることができる。
交流電場印加部１３１は、交流電場（角周波数ωe，振幅Ｅ＿ＡＣ）を発生し当該交流電場をソフト磁性探針１１２に印加し、交流磁場印加部１３２は、交流磁場（角周波数ωm，振幅Ｈ＿ＡＣ）を発生し当該交流磁場をソフト磁性探針１１２に印加する。
交流電場駆動部１４１は、交流電場印加部１３１を駆動し、交流磁場駆動部１４２は、交流磁場印加部を駆動する。
探針振動検出部１５は、探針部材１１の振動を検出し、振動検出信号ＶＩＢを生成する。
探針走査部１６は、ソフト磁性探針１１２により試料ＳＭＰＬを走査するために、探針部材１１を空間駆動する。
復調部１７は、振動検出信号ＶＩＢを取得し、試料と前記ソフト磁性探針との間に生じた交流電気力に係る信号および交流磁気力に係る信号を復調する（図２では、これらの信号をＥＦ／ＨＦで示す）。
電場測定部１８１は、復調部１７により復調された交流電気力を用いて、試料ＳＭＰＬから発生する電場ＥSMPL（Ｅ＿ＤＣSMPLおよび／またはＥ＿ＡＣSMPL）を測定し、磁場測定部１８２は、復調部１７により復調された交流磁気力を用いて、試料ＳＭＰＬから発生する磁場ＨSMPL（Ｈ＿ＤＣSMPLおよび／またはＨ＿ＡＣSMPL）を測定する。
測定結果は、たとえば測定結果出力部１９により画像出力することができる。【００１４】
〔２〕
図３は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡の一の実施形態を示す全体図である。
本実施形態の電気力／磁気力顕微鏡１は、試料ＳＭＰＬから発生する時間変化しない直流電場と直流磁場とを同時に測定するために好適である。
本実施形態では、電場測定部１８１’は、交流電気力測定部１８１１と、直流電場測定部１８１２とを備えている。
交流電気力測定部１８１１は、試料ＳＭＰＬとソフト磁性探針１１２との間に生じた交流電気力を測定する。直流電場測定部１８１２は、交流電気力測定部１８１１により測定した交流電気力から、交流電場印加部１３１が印加する交流電場の周波数に等しい周波数成分（図３では角周波数ωe）を抽出することにより、時間変化しない直流電場Ｅ＿ＤＣSMPL（具体的には、試料ＳＭＰＬから発生する直流電場：電場振幅ＲE_DCと位相θE_DCとの組、または同相信号ＸE_DCと直交信号ＹE_DCとの組）を測定することができる。
ここで、（ＲE_DC，θE_DC）と（ＸE_DC，ＹE_DC）との間には、式（５）の関係が成り立つ。
ＲE_DCｅｘｐ（ｉθE_DC）＝ＸE_DC＋ｉＹE_DC    （５）
ここでｉは虚数単位である。【００１５】
本実施形態では、磁場測定部１８２’は、交流磁気力測定部１８２１と、直流磁場測定部１８２２とを備えている。
交流磁気力測定部１８２１は、試料ＳＭＰＬとソフト磁性探針１１２との間に生じた交流磁気力を測定する。直流磁場測定部１８２２は、交流磁気力測定部１８２１により測定した交流磁気力から、交流磁場印加部１３２が印加する交流磁場の周波数に等しい周波数成分（図３では角周波数ωm）を抽出することにより、時間変化しない直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPL（具体的には、試料ＳＭＰＬから発生する直流磁場：磁場振幅ＲH_DCと位相θH_DCとの組、または同相信号ＸH_DCと直交信号ＹH_DCとの組）を測定することができる。
ここで、（ＲH_DC，θH_DC）と（ＸH_DC，ＹH_DC）との間には、式（６）の関係が成り立つ。
ＲH_DCｅｘｐ（ｉθH_DC）＝ＸH_DC＋ｉＹH_DC    （６）【００１６】
〔３〕
図４は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡の他の一の実施形態を示す全体図である。
上述した〔２〕の態様では、直流電場測定部１８１２および直流磁場測定部１８２２は、試料ＳＭＰＬから発生する時間変化しない直流電場および直流磁場を測定している。【００１７】
本実施形態の電気力／磁気力顕微鏡１では、試料ＳＭＰＬから発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場とを同時に測定することができる。
図４の構成要素は、電場測定部１８１''および磁場測定部１８２''以外は図３に記載の構成要素と概略同じである。
図３では、電場測定部１８１’は交流電気力測定部１８１１と直流電場測定部１８１２とを有しているのに対し、本実施形態では図４に示すように、電場測定部１８１''は交流電気力測定部１８１１と交流電場測定部１８１３とを有している。
また、図３では、磁場測定部１８２’は交流磁気力測定部１８２１と直流磁場測定部１８２２とを有しているのに対し、本実施形態では図４に示すように、磁場測定部１８２''は交流磁気力測定部１８２１と交流磁場測定部１８２３とを有している。【００１８】
図４において、交流電場測定部１８１３および交流磁場測定部１８２３は、試料ＳＭＰＬから発生する周期的に時間変化する交流電場Ｅ＿ＡＣSMPL（具体的には、電場振幅ＲE_ACと位相θE_ACとの組、または同相信号ＸE_ACと直交信号ＹE_ACとの組）および交流磁場Ｈ＿ＡＣSMPL（具体的には、磁場振幅ＲH_ACと位相θH_ACとの組、または同相信号ＸH_ACと直交信号ＹH_ACとの組）を測定することができる。
ここで、（ＲE_AC，θE_AC）と（ＸE_AC，ＹE_AC）との間には
ＲE_ACｅｘｐ（ｉθE_AC）＝ＸE_AC＋ｉＹE_AC
の関係が成り立ち、（ＲH_AC，θH_AC）と（ＸH_AC，ＹH_AC）との間には
ＲH_ACｅｘｐ（ｉθH_AC）＝ＸH_AC＋ｉＹH_AC
の関係が成り立つ。
これらの測定量には、通常、高周波成分が含まれる。【００１９】
交流電場測定部１８１３は、交流電気力測定部１８１１により測定した交流電気力から、交流電場印加部１３１が印加する交流電場の周波数のＮ倍（Ｎは２以上の整数であり、好ましくは２、３等である。）の周波数成分（角周波数Ｎωe）を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定することができる。
また、交流磁場測定部１８２３は、交流磁気力測定部１８２１により測定した交流磁気力から、交流磁場印加部１３２が印加する交流磁場の周波数のＮ倍（Ｎは２以上の整数であり、好ましくは２、３等である。）の周波数成分（角周波数Ｎωm）を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定することができる。【００２０】
〔４〕
図５は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡のさらに他の一の実施形態を示す全体図である。
本実施形態の電気力／磁気力顕微鏡１では、試料から発生する時間変化しない直流電場と直流磁場、および試料から発生する周期的に時間変化する交流電場と交流磁場を同時に測定することができる。
図５の構成要素は、電場測定部１８１'''および電場測定部１８２'''以外は図３または図４に記載の構成要素と概略同じである。
図３における電場測定部１８１’は交流電気力測定部１８１１と直流電場測定部１８１２とを有しており、図４における電場測定部１８１''は交流電気力測定部１８１１と交流電場測定部１８１３とを有しているのに対し、本実施形態では図５に示すように、電場測定部１８１'''は交流電気力測定部１８１１と直流電場測定部１８１２と交流電場測定部１８１３とを有している。
また、図３における磁場測定部１８２’は交流磁気力測定部１８２１と直流磁場測定部１８２２とを有しており、図４における磁場測定部１８２''は交流磁気力測定部１８２１と交流磁場測定部１８２３とを有しているのに対し、本実施形態では図５に示すように、磁場測定部１８２'''は、交流磁気力測定部１８２１と直流磁場測定部１８２２と交流磁場測定部１８２３とを有している。【００２１】
図５において、直流電場測定部１８１２及び直流磁場測定部１８２２は、試料ＳＭＰＬから発生する時間変化しない直流電場Ｅ＿ＤＣSMPL（電場振幅ＲE_DCと位相θE_DCとの組、または同相信号ＸE_DCと直交信号ＹE_DCとの組）および直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPL（磁場振幅ＲH_DCと位相θH_DCとの組、または同相信号ＸH_DCと直交信号ＹH_DCとの組）を測定することができる。
ここで、（ＲE_DC，θE_DC）と（ＸE_DC，ＹE_DC）との間には、次式が成り立つ。
ＲE_DCｅｘｐ（ｉθE_DC）＝ＸE_DC＋ｉＹE_DC
また、（ＲH_DC，θH_DC）と（ＸH_DC，ＹH_DC）との間には次式が成り立つ。
ＲH_DCｅｘｐ（ｉθH_DC）＝ＸH_DC＋ｉＹH_DC【００２２】
また、図５において、交流電場測定部１８１３及び交流磁場測定部１８２３は、試料ＳＭＰＬから発生する周期的に時間変化する交流電場Ｅ＿ＡＣSMPL（電場振幅ＲE_ACと位相θE_ACとの組、または同相信号ＸE_ACと直交信号ＹE_ACとの組）および交流磁場Ｈ＿ＡＣSMPL（磁場振幅ＲH_ACと位相θH_ACとの組、または同相信号ＸH_ACと直交信号ＹH_ACとの組）を測定することができる。
ここで、（ＲE_AC，θE_AC）と（ＸE_AC，ＹE_AC）との間には、次式が成り立つ。
ＲE_ACｅｘｐ（ｉθE_AC）＝ＸE_AC＋ｉＹE_AC
また、（ＲH_AC，θH_AC）と（ＸH_AC，ＹH_AC）との間には、次式が成り立つ。
ＲH_ACｅｘｐ（ｉθH_AC）＝ＸH_AC＋ｉＹH_AC
これらの測定量には、通常、高周波成分が含まれる。【００２３】
〔５〕
上記〔１〕〜〔４〕の実施形態において、交流電場印加部が試料に印加する交流電場の周波数ωeと、交流磁場印加部が試料に印加する交流磁場の周波数ωmとが、１以上のいかなる整数ｎについてもωm≠ｎωeかつｎωm≠ωeをみたすことが好ましい。【００２４】
〔６〕
本発明の電場／磁場同時測定方法では、励振している探針部材の先端に設けたソフト磁性探針（表面に導電性のソフト磁性体薄膜が形成された探針チップからなる）に、周波数が異なる交流電場と交流磁場とを印加し、ソフト磁性探針により試料を走査し、ソフト磁性探針の振動を検出することで、試料から発生する電場と磁場とを同時に測定することができる。
本発明の電場／磁場同時測定方法は、以下のステップを含む。
探針励振ステップ：探針励振部により、探針部材を励振させる。
交流電場／交流磁場印加ステップ：交流電場印加部により交流電場を発生し、当該交流電場をソフト磁性探針に印加するとともに、交流磁場印加部により交流磁場を発生し、当該交流磁場をソフト磁性探針に印加する。
探針振動検出ステップ：探針振動検出部により、探針部材の振動を検出し振動検出信号を生成する。
探針走査ステップ：探針走査部により、探針部材を空間駆動し、ソフト磁性探針により試料を走査する。
復調ステップ：復調部により、振動検出信号を用いて試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調（抽出）する。
電場測定ステップ：電場測定部により、復調ステップにおいて復調された交流電気力を用いて、試料から発生する電場を測定する。
磁場測定ステップ：磁場測定部により、復調ステップにおいて復調された交流磁気力を用いて、試料から発生する磁場を測定する。【００２５】
〔７〕
本発明の電場／磁場同時測定方法の一の実施形態では、電場測定ステップは、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップとを含み、磁場測定ステップは、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップとを含む。
交流電気力測定ステップ：交流電気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力を測定する。
直流電場測定ステップ：直流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流電場を測定する。
交流磁気力測定ステップ：交流磁気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する。
直流磁場測定ステップ：直流磁場測定部により、交流磁気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流磁場を測定する。【００２６】
〔８〕
本発明の電場／磁場同時測定方法の他の一の実施形態では、電場測定ステップは、交流電気力測定ステップと交流電場測定ステップとを含み、磁場測定ステップは、交流磁気力測定ステップと交流磁場測定ステップとを含む。
交流電気力測定ステップ：交流電気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力を測定する。
交流電場測定ステップ：交流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数のＮ倍（Ｎは２以上の整数であり、好ましくは２、３等である。）の周波数成分（角周波数Ｎωe）を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定する。
交流磁気力測定ステップ：交流磁気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する。
交流磁場測定ステップ：交流磁場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数のＮ倍（Ｎは２以上の整数であり、好ましくは２、３等である。）の周波数成分（角周波数Ｎωe）を抽出することにより、周期的に時間変化する交流磁場を測定する。【００２７】
〔９〕
本発明の電場／磁場同時測定方法のさらに他の一の実施形態では、電場測定ステップは、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップと交流電場測定ステップとを含み、磁場測定ステップは、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップと交流磁場測定ステップを含む。
交流電気力測定ステップ：交流電気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流電気力を測定する。
直流電場測定ステップ：直流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流電場を測定する。
交流電場測定ステップ：交流電場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流電気力から、交流電場印加ステップにおいて印加された交流電場の周波数のＮ倍（Ｎは２以上の整数であり、好ましくは２、３等である。）の周波数成分（角周波数Ｎωe）を抽出することにより、周期的に時間変化する交流電場を測定する。
交流磁気力測定ステップ：交流磁気力測定部により、試料とソフト磁性探針との間に生じた交流磁気力を測定する。
直流磁場測定ステップ：直流磁場測定部により、交流磁気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数に等しい周波数成分を抽出することにより、時間変化しない直流磁場を測定する。
交流磁場測定ステップ：交流磁場測定部により、交流電気力測定ステップにおいて測定した交流磁気力から、交流磁場印加ステップにおいて印加された交流磁場の周波数のＮ倍（Ｎは２以上の整数であり、好ましくは２、３等である。）の周波数成分（角周波数Ｎωe）を抽出することにより、周期的に時間変化する交流磁場を測定する。【００２８】
〔１０〕
上記〔６〕〜〔９〕の実施形態において、交流電場印加部が試料に印加する交流電場の周波数ωeと、交流磁場印加部が試料に印加する交流磁場の周波数ωmとが、１以上のいかなる整数ｎについてもωm≠ｎωeかつｎωm≠ωeをみたすことが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、試料の表面の電場と磁場とを同時に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１（Ａ）は、直流磁場を測定するための磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を示す図である。  図１（Ｂ）は、ソフト磁性体のＭ−Ｈ特性の例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡の基本的な実施形態を示す全体図である。
【図３】図３は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡の一の実施形態を示す全体図である。
【図４】図４は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡の他の一の実施形態を示す全体図である。
【図５】図５は、本発明の電気力／磁気力顕微鏡のさらに他の一の実施形態を示す全体図である。
【図６】図６は本発明の電気力／磁気力顕微鏡の一実施形態を示す説明図である。
【図７】図７は、外部から印加する交流電場および交流磁場と、試料から発生する電場および磁場との関係を示す図である。
【図８】図８は、図６に示した電気力／磁気力顕微鏡を用いた電場／磁場同時測定方法の処理を示すフローチャートである。
【図９】図９は、測定結果出力部により出力された画像を示す図である。  図９（Ａ）は直流電場測定部の振幅出力から作成した画像である。  図９（Ｂ）は直流電場測定部の位相角出力から作成した画像である。  図９（Ｃ）は直流磁場測定部の振幅出力から作成した画像である。  図９（Ｄ）は直流磁場測定部の位相角出力から作成した画像である。  図９（Ｅ）は図９（Ａ）の切断ラインＬ１における直流電場測定部の振幅出力信号を示す図である。  図９（Ｆ）は図９（Ｂ）の切断ラインＬ２における直流電場測定部の位相角出力信号を示す図である。図９（Ｇ）は図９（Ｃ）の切断ラインＬ３における直流磁場測定部の振幅出力信号を示す図である。  図９（Ｈ）は図９（Ｄ）の切断ラインＬ４における直流磁場測定部の位相角出力信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
《発明の原理》
本発明の原理を以下に示す。
交流電場（振幅：Ｅ＿ＡＣ）と交流磁場（振幅：Ｈ＿ＡＣ）とを、導電性を有するソフト磁性探針（探針チップ）に、同時に外部から印加する。
これにより、探針チップの先端に、交流変化する電荷（振幅：ｑeac）と交流変化する磁極（振幅：ｑmac）が発生する。
【００３２】
これらの外部から印加する交流電場と交流磁場により、試料の直流電場の発生源である電荷あるいは電気分極、および試料の直流磁場の発生源である電流あるいは磁気モーメントが変化しない場合には、試料からは直流電場および直流磁場が発生し、交流電場および交流磁場は発生しない。この場合、探針装置（カンチレバー）のバネ定数は、みかけ上変化し、式（７）で与えられる。以下、Δｋ（ｔ）を「みかけ上のバネ定数」と称する。
【００３３】
Δｋ（ｔ）＝｛ｑedc＋ｑeacｃｏｓ（ωeｔ）｝
・［（∂Ｅ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋（∂Ｅ＿ＡＣ／∂ｚ）ｃｏｓ（ωeｔ）］
＋｛ｑmdc＋ｑmacｃｏｓ（ωeｔ）｝
・［（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋（∂Ｈ＿ＡＣ／∂ｚ）ｃｏｓ（ωmｔ）］    （７）
Ｅ＿ＤＣSMPL：試料から発生する直流電場
Ｅ＿ＡＣ：探針チップに印加する交流電場の振幅
ωe：交流電場Ｅ＿ＡＣの角周波数
ｑedc：試料から発生する直流電場Ｅ＿ＤＣSMPLにより探針チップに生じた直流電荷
ｑeac：交流電場Ｅ＿ＡＣにより探針チップに生じた交流電荷の振幅
Ｈ＿ＤＣSMPL：試料から発生する直流磁場
Ｈ＿ＡＣ：探針チップに印加する交流磁場の振幅
ωe：交流磁場Ｈ＿ＡＣの角周波数
ｑmdc：試料から発生する直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPLにより探針チップに生じた直流磁極
ｑmac：交流磁場Ｈ＿ＡＣにより探針チップに生じた交流磁極の振幅
【００３４】
外部から印加する交流電場Ｅ＿ＡＣおよび交流磁場Ｈ＿ＡＣが空間的に一様な場合、次の関係が成立する。
｜∂Ｅ＿ＡＣ／∂ｚ｜≪１
および、
｜∂Ｈ＿ＡＣ／∂ｚ｜≪１
このとき、探針チップの見かけ上のバネ定数Δｋ（ｔ）は、式（８）で与えられる。
Δｋ（ｔ）≒ｑeac（∂Ｅ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）ｃｏｓ（ωeｔ）
＋ｑmac（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）ｃｏｓ（ωmｔ）    （８）
【００３５】
したがって、Δｋ（ｔ）のωe成分（すなわち式（６）の第１項）を検出すれば、（∂Ｅ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）（すなわち、試料の直流電場の勾配）を求めることができる。
また、Δｋ（ｔ）のωm成分（すなわち式（６）の第２項）を検出すれば、（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）（すなわち、試料の直流磁場の勾配）を求めることができる。
【００３６】
外部から印加する交流電場と交流磁場により、試料の直流電場の発生源である電荷あるいは電気分極、および試料の直流磁場の発生源である電流あるいは磁気モーメントが変化する場合には、試料からも交流電場と交流磁場が発生する。
以下の説明には、試料から発生する交流電場および交流磁場が、試料に印加する交流電場および交流磁場に対して飽和等で非線形に変化する場合も含まれる。
この場合、試料から発生する交流電場および交流磁場はフーリエ級数で式（９）のように展開できる。
Ｅ＿ＡＣSMPL（ｔ）
＝Ｅ＿ＡＣSMPL1ｃｏｓ（ωeｔ）
＋Ｅ＿ＡＣSMPL2ｃｏｓ（２ωeｔ）
＋Ｅ＿ＡＣSMPL3ｃｏｓ（３ωeｔ）
＋・・・
Ｈ＿ＡＣSMPL（ｔ）
＝Ｈ＿ＡＣSMPL1ｃｏｓ（ωeｔ）
＋Ｈ＿ＡＣSMPL2ｃｏｓ（２ωeｔ）
＋Ｈ＿ＡＣSMPL3ｃｏｓ（３ωeｔ）
＋・・・                      
（９）
【００３７】
このとき、探針チップの見かけ上のバネ定数Δｋ（ｔ）は、式（１０）で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝｛ｑedc＋ｑeacｃｏｓ（ωeｔ）｝
・［（∂Ｅ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋（∂Ｅ＿ＡＣ／∂ｚ）ｃｏｓ（ωeｔ）
＋（∂Ｅ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）ｃｏｓ（ωeｔ）
＋（∂Ｅ＿ＡＣSMPL2／∂ｚ）ｃｏｓ（２ωeｔ）
＋（∂Ｅ＿ＡＣSMPL3／∂ｚ）ｃｏｓ（３ωeｔ）
＋・・・］
＋｛ｑmac＋ｑmacｃｏｓ（ωmｔ）｝
・［（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋（∂Ｈ＿ＡＣ／∂ｚ）ｃｏｓ（ωmｔ）
＋（∂Ｈ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）ｃｏｓ（ωmｔ）
＋（∂Ｈ＿ＡＣSMPL2／∂ｚ）ｃｏｓ（２ωmｔ）
＋（∂Ｈ＿ＡＣSMPL3／∂ｚ）ｃｏｓ（３ωmｔ）
＋・・・］                                    （１０）
【００３８】
外部から印加する交流電場Ｅ＿ＡＣおよび交流磁場Ｈ＿ＡＣが空間的に一様な場合、式（１１ａ）及び（１１ｂ）の関係が成立する。
｜∂Ｅ＿ＡＣ／∂ｚ｜≪１      （１１ａ）
｜∂Ｈ＿ＡＣ／∂ｚ｜≪１      （１１ｂ）
このとき、探針チップの見かけ上のバネ定数Δｋ（ｔ）は、式（１２）で与えられる。
Δｋ（ｔ）
≒｛ｑeac（∂Ｅ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋ｑedc（∂Ｅ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）
＋（ｑeac／２）（∂Ｅ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）｝ｃｏｓ（ωeｔ）
＋｛（ｑeac／２）（∂Ｅ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）
＋ｑedc（∂Ｅ＿ＡＣSMPL2／∂ｚ）
＋（ｑeac／２）（∂Ｅ＿ＡＣSMPL3／∂ｚ）｝ｃｏｓ（２ωeｔ）
＋｛（ｑeac／２）（∂Ｅ＿ＡＣSMPL2／∂ｚ）
＋（ｑedc／２）（∂Ｅ＿ＡＣSMPL3／∂ｚ）｝ｃｏｓ（３ωeｔ）
＋｛ｑmac（∂Ｈ＿ＤＣSMPL／∂ｚ）
＋ｑmdc（∂Ｈ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）
＋（ｑmac／２）（∂Ｈ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）｝ｃｏｓ（ωmｔ）
＋｛（ｑmac／２）（∂Ｈ＿ＡＣSMPL1／∂ｚ）
＋ｑmdc（∂Ｈ＿ＡＣSMPL2／∂ｚ）
＋（ｑmac／２）（∂Ｈ＿ＡＣSMPL3／∂ｚ）｝ｃｏｓ（２ωmｔ）
＋｛（ｑmac／２）（∂Ｈ＿ＡＣSMPL2／∂ｚ）
＋（ｑmdc／２）（∂Ｈ＿ＡＣSMPL3／∂ｚ）｝ｃｏｓ（３ωmｔ）
＋・・・
（１２）
ここで、電場と磁場とを分離して検出するために、印加する交流磁場の周波数ωmおよび印加する交流電場の周波数ωeには、異なる周波数を選択する。好ましくは、印加する交流磁場の周波数ωmは印加する交流電場の周波数ωeの整数倍ではなく、且つ、印加する交流電場の周波数ωeは印加する交流磁場の周波数ωmの整数倍ではないように、印加する交流磁場の周波数ωmおよび印加する交流電場の周波数ωeを選ぶ。すなわち、ωmおよびωeを、１以上のいかなる整数ｎについてもωm≠ｎωeかつｎωm≠ωeを満たすように選ぶ。
【００３９】
以上より、外部から印加する交流電場と交流磁場により、試料から交流電場と交流磁場が発生する場合には、Δｋ（ｔ）に、２ωe成分以上の高次項、および２ωm成分以上の高次項が発生することがわかる。
したがって、Δｋ（ｔ）の２ωe成分以上の高次項、および２ωm成分以上の高次項の存在により、試料から発生する交流電場の勾配および交流磁場の勾配の大きさや線形性を評価することができる。なお実際上は、Δｋ（ｔ）のＮωe成分およびＮωm成分（いずれもＮは２以上の整数）の強度は、次数Ｎが増大するにつれて急激に減少する。
ただし、試料が強誘電性・強磁性共存物質等の、電気分極と磁気モーメントが相互作用により強く結合している物質の場合には、交流電場（角周波数ωe）による電気分極の変化と交流磁場（角周波数ωm）による磁気モーメントの変化が競合し、これらの内、相互作用が強い方の角周波数で、電気分極と磁気モーメントが変化することになる。
【００４０】
図６は本発明の電気力／磁気力顕微鏡の一実施形態を示す説明図である。
図６において、電気力／磁気力顕微鏡１は、探針部材１１、探針励振部１２、交流電場印加部１３１、交流磁場印加部１３２、交流電場駆動部１４１、交流磁場駆動部１４２、探針振動検出部１５、探針走査部１６、復調部１７、電場測定部１８１、磁場測定部１８２および測定結果出力部１９とを有している。
なお、本実施形態では、探針部材１１、試料ＳＭＰＬ、交流電場印加部１３１、交流磁場印加部１３２等は、説明の便宜上、実際のサイズとは異なるように記載してある。
【００４１】
探針部材１１は、先端にソフト磁性探針１１２を有している。ソフト磁性探針１１２は、導電性を有するソフト磁性体薄膜が表面に形成された探針チップである。
探針部材１１は、シリコンにより構成されたカンチレバーを母材として作製され、アーム１１１の先端に、表面にソフト磁性体薄膜（後述する、図７の符号１１３参照）が形成された円錐形の探針チップ（ソフト磁性探針１１２）が備えられている。ソフト磁性体薄膜１１３を構成するソフト磁性体としては、たとえば、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ、パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ等を好ましく採用できる。
探針励振部１２は、探針部材１１を励振させることができる。探針励振部１２は、交流電源１２１と、探針部材１１に振動を与える圧電素子１２２とからなる。
【００４２】
交流電場印加部１３１は、交流電場Ｅ＿ＡＣを発生し、交流電場Ｅ＿ＡＣがソフト磁性探針１１２に印加される。ソフト磁性探針１１２は導電性を有するので、静電誘導によりソフト磁性探針１１２の表面（ソフト磁性体薄膜１１３）に交流電荷が発生する。
交流磁場印加部１３２は、交流磁場Ｈ＿ＡＣを発生し、交流磁場Ｈ＿ＡＣがソフト磁性探針１１２に印加される。ソフト磁性探針１１２はソフト磁性を有するので、ソフト磁性探針１１２の表面に交流磁極が発生する。
交流電場印加部１３１は、板状または薄膜状の電極であり、試料台を兼ねることもできる。電極は、導電性の材料（Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔａ等の非磁性体金属、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，パーマロイ等の高透磁率を有する合金，等の強磁性体金属、あるいはこれらの積層体）から構成することができる。なお、試料ＳＭＰＬが、導電性を有する場合には、試料ＳＭＰＬ自体を電極とすることができる。また，試料ＳＭＰＬが、導電性の下地層を有する場合には、下地層を電極とすることができる。通常、導電性を有するソフト磁性探針１１２は接地されており（後述する図６の「ＧＮＤ」参照）、交流電場印加部１３１とソフト磁性探針１１２間に交流電場が発生する。
交流磁場印加部１３２は、交流電流ＡＣにより駆動される交流コイルからなり、交流電場印加部１３１は、交流磁場印加部１３２の中央に配置することができる。
【００４３】
交流電場駆動部１４１は、角周波数ωeの駆動電圧を出力する交流電源であり交流電場印加部１３１を駆動する。
交流磁場駆動部１４２は、角周波数ωmの駆動電流を出力する交流電源であり交流磁場印加部１３２を駆動する。
ωmおよびωeは互いに異なる周波数である。ωmおよびωeは、いかなる自然数ｎ（ｎ≧１）についてもωm≠ｎωeかつｎωm≠ωeをみたしていることが好ましく、これにより試料から発生する直流磁場の測定に際して電場由来の成分を分離して測定することができ、且つ、試料から発生する直流電場の測定に際して磁場由来の成分を分離して測定することができる。
【００４４】
図７に、交流電場駆動部１４１が発生する交流電場Ｅ＿ＡＣと、交流磁場駆動部１４２が発生する交流磁場Ｈ＿ＡＣと、試料ＳＭＰＬから発生する電場（図７のＥSMPL参照）と、試料ＳＭＰＬから発生する磁場（図７のＨSMPL参照）との関係を示す。
【００４５】
探針振動検出部１５は、探針部材１１の振動（すなわち、ソフト磁性探針１１２の振動）を検出し振動検出信号ＶＩＢを生成する。
探針振動検出部１５は、レーザ（ＬＳＲ）１５１とフォトディテクタ（ＰＤ）１５２とを有している。ソフト磁性探針１１２の先端上面には反射ミラーが形成されている。ＬＳＲ１５１から出射されたレーザビームＬＢは探針部材１１の先端上面で反射されてＰＤ１５２に入射される。
探針走査部１６は、ソフト磁性探針１１２が試料ＳＭＰＬの表面を走査できるように、探針部材１１を空間駆動（ＸＹ駆動）する。図６では、試料ＳＭＰＬがセットされたステージＳＴＧを移動させることで、ソフト磁性探針１１２により試料ＳＭＰＬの表面を走査する例を示しているが、ソフト磁性探針１１２を試料ＳＭＰＬに対して相対的に移動させることで、ソフト磁性探針１１２により試料ＳＭＰＬの上面を走査することもできる。
【００４６】
復調部１７は、探針振動検出部１５により検出された振動検出信号ＶＩＢを取得し復調信号を出力する。
本実施形態では、振動検出信号ＶＩＢの変調成分の分離にはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路が使用されている。図６では、復調部１７の出力信号をＥＦ／ＨＦで示す。
【００４７】
電場測定部１８１は、復調部１７からの復調信号に基づき、試料ＳＭＰＬの表面の電場勾配（電気特性）を測定する。本実施形態では電場測定部１８１はロックインアンプであり、復調信号の強度ＲEおよび位相θEの組、または復調信号の同相信号ＸEおよび直交信号ＹEの組を検出することで、試料ＳＭＰＬの表面の電場勾配（電気特性）を測定することができる。
磁場測定部１８２は、復調部１７からの復調信号に基づき、試料ＳＭＰＬの表面の磁場勾配（磁気特性）を測定する。本実施形態では磁場測定部１８２はロックインアンプであり、復調信号の強度ＲHおよび位相θHの組、または復調信号の同相信号ＸHおよび直交信号ＹHの組を検出することで、試料ＳＭＰＬの表面の磁場勾配（磁気特性）を測定することができる。
【００４８】
測定結果出力部１９は、電場測定部１８１により測定された電場勾配（電気特性）を画像化することができ、磁場測定部１８２により測定された磁場勾配（磁気特性）を画像化することができる。
【００４９】
以上のように、本実施形態では、電気力／磁気力顕微鏡１は、励振しているソフト磁性探針１１２に、周波数が異なる交流電場Ｅ＿ＡＣと交流磁場Ｈ＿ＡＣとを印加し、ソフト磁性探針１１２により試料ＳＭＰＬの表面を走査し、ソフト磁性探針１１２の振動を検出する。
試料ＳＭＰＬが、交流電場Ｅ＿ＡＣと交流磁場Ｈ＿ＡＣの印加により、交流電場および交流磁場を発生しない場合には、試料ＳＭＰＬの表面の直流電場Ｅ＿ＤＣSMPLおよび直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPLを同時に測定することができる。
また、試料ＳＭＰＬが、交流電場Ｅ＿ＡＣと交流磁場Ｈ＿ＡＣの印加により、交流電場および交流磁場を発生する場合には、試料ＳＭＰＬから発生する交流電場Ｅ＿ＡＣSMPLの勾配および交流磁場Ｈ＿ＡＣSMPLの勾配の、大きさや線形性も評価することができる。
【００５０】
図８は、図６に示した電気力／磁気力顕微鏡１を用いた本発明の電場・磁場同時測定方法の処理を示すフローチャートである。
【００５１】
探針励振ステップＳ１１０：  探針励振部１２により、アーム１１１の先端に設けられた導電性を有するソフト磁性探針１１２（導電性を有するソフト磁性体薄膜が表面に形成された探針チップ）を励振させる。
【００５２】
交流電場／交流磁場印加ステップＳ１２０：  交流電場印加部１３１および交流磁場印加部１３２により、周波数が異なる交流電場Ｅ＿ＡＣと交流磁場Ｈ＿ＡＣとをソフト磁性探針１１２に印加し、探針部材１１の振動（ソフト磁性探針１１２の振動）に、変調を生じさせる。
【００５３】
探針振動検出ステップＳ１３０：  探針部材１１の振動（ソフト磁性探針１１２の振動）を検出し振動検出信号ＶＩＢを生成する。
【００５４】
復調ステップＳ１４０：  探針振動検出ステップＳ１３０において検出された振動検出信号ＶＩＢを用いて、試料ＳＭＰＬとソフト磁性探針１１２との間に生じた交流電気力および交流磁気力を復調（抽出）する。
【００５５】
電場測定ステップ１５１：  復調ステップＳ１４０において復調した信号（復調信号）に基づき、試料ＳＭＰＬの表面の電場勾配（電気特性）を測定する。
磁場測定ステップ１５２：  復調ステップＳ１４０において復調した信号（復調信号）に基づき、試料ＳＭＰＬの表面の磁場勾配（磁気特性）を測定する。
なお、電場測定ステップ１５１は、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップとを含むことができ、磁場測定ステップ１５２は、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップとを含むことができる。
また、電場測定ステップ１５１は、交流電気力測定ステップと交流電場測定ステップとを含むことができ、磁場測定ステップ１５２は、交流磁気力測定ステップと交流磁場測定ステップとを含むことができる。
さらに、電場測定ステップ１５１は、交流電気力測定ステップと直流電場測定ステップと交流電場測定ステップとを含むことができ、磁場測定ステップ１５２は、交流磁気力測定ステップと直流磁場測定ステップと交流磁場測定ステップとを含むことができる。
【００５６】
データ蓄積ステップ１６０：  電場測定ステップ１５１および磁場測定ステップ１５２において測定されたデータを、測定結果出力部１９に含まれる記憶装置１９１に記憶する。
【００５７】
走査続行判断ステップ１７０：  Ｓ１３０〜Ｓ１６０の処理の後、試料ＳＭＰＬの表面の他の場所について、電場勾配（電気特性）および磁場勾配（磁気特性）の測定を行うかを判断する（すなわち、走査を続行するか終了するかを判断する。）。他の場所について測定を行う場合には、処理をＳ１３０に戻し、測定を終了する場合には、処理をＳ１８０に進める。
このようにして、ソフト磁性探針１１２を走査（ＸＹ駆動）して、多数の観察点（観察場所）について電場勾配（電気特性）および磁場勾配（磁気特性）の測定が行われる。
【００５８】
測定結果出力ステップ１８０：  測定結果出力部１９により、測定された電場勾配（電気特性）および磁場勾配（磁気特性）を画像化して出力する。
【００５９】
以上のようにして、励振しているソフト磁性探針１１２により試料ＳＭＰＬの表面を走査し、ソフト磁性探針１１２の振動を検出することで、試料ＳＭＰＬの表面の直流電場Ｅ＿ＤＣSMPL及び直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPLを同時に測定すること、交流電場Ｅ＿ＡＣSMPL及び交流磁場Ｈ＿ＡＣSMPLを同時に測定すること、または、直流電場Ｅ＿ＤＣSMPL、直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPL、交流電場Ｅ＿ＡＣSMPL、及び交流磁場Ｈ＿ＡＣSMPLを同時に測定することができる。
【００６０】
本発明に関する上記説明では、試料ＳＭＰＬに印加する外部磁場が交流磁場Ｈ＿ＡＣである形態の電気力／磁気力顕微鏡１、及びこれを用いた電場／磁場同時測定方法を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。例えば、試料から発生する直流磁場によってソフト磁性探針の磁化が飽和するために磁場検出感度が低下し、磁場測定が困難になるような場合には、交流磁場だけでなく、試料から発生する直流磁場とは逆の方向を有する空間的に一様な直流磁場をソフト磁性探針に印加することで、ソフト磁性探針の磁化の飽和を防止する形態の電気力／磁気力顕微鏡および電場／磁場同時測定方法とすることも可能である。
【実施例】
【００６１】
以下の条件・構成で電気力／磁気力顕微鏡１により、本発明の効果の検証を行った。
試料ＳＭＰＬ：  ＳｉＯ2基板上に、Ｔａ／Ｐｔ／（Ｂｉ0.6Ｂａ0.4）ＦｅＯ3の薄膜を形成した。Ｔａ／Ｐｔが交流電場印加部１３１として機能する。
本試料ＳＭＰＬは、外部からの交流電場および交流磁場の印加により、交流電場および交流磁場を発生させない。したがって本試料ＳＭＰＬにおいては、電場測定部は直流電場測定部として動作し、磁場測定部は直流磁場測定部として動作する。
ソフト磁性探針（探針チップ）１１２：  Ｃｏ‐Ｚｒ‐Ｎｂのソフト磁性体を、探針部材１１の先端の円錐形のＳｉＯ2の表面に、膜厚３０ｎｍで形成することにより構成した。
バイアス電圧ＶBIAS：試料ＳＭＰＬの３×３μｍの領域にＤＣ１２Ｖを与え、走査領域の中央の１×１μｍの領域に−１２Ｖを与えた。これにより、電場書き込みによって長方形領域に電気的分域と磁気的分域（磁区）を形成した。
交流電場Ｅ＿ＡＣ：周波数３００Ｈｚ（ｆe）、ピーク間の電圧０．２Ｖ（振幅０．２Ｖｐ−ｐ）の交流電場をソフト磁性探針１１２と交流電場印加部１３１との間に発生させた。
交流磁場Ｈ＿ＡＣ：周波数７８Ｈｚ（ｆm）、強度２００Ｏｅの交流磁場を交流磁場印加部１３２から発生させた。
なお、試料の電気分極モーメントおよび磁気モーメントは試料面に垂直方向（上向き、下向き）の成分を有する。【００６２】
以上の条件・構成の下、探針走査部１６により、３×３μｍの領域を走査し、測定結果出力部１９により画像を作成した。
図９に測定結果出力部１９により出力された画像を示す。
測定結果出力部１９による直流電場Ｅ＿ＤＣSMPLの出力結果を図９（Ａ），（Ｂ）に示す。図９（Ａ）は電場測定部１８１の振幅出力から作成した画像であり、図９（Ｂ）は電場測定部１８１の位相角出力から作成した画像である。
測定結果出力部１９による直流磁場Ｈ＿ＤＣSMPLの出力結果を図９（Ｃ），（Ｄ）に示す。図９（Ｃ）は磁場測定部１８２の振幅出力から作成した画像であり、図９（Ｄ）は磁場測定部１８２の位相角出力から作成した画像である。
図９（Ｅ）は図９（Ａ）の切断ラインＬ１における電場測定部１８２の振幅出力信号を示す図であり、図９（Ｆ）は図９（Ｂ）の切断ラインＬ２における電場測定部１８１の位相角出力信号を示す図である。
図９（Ｇ）は図９（Ｃ）の切断ラインＬ３における磁場測定部１８２の振幅出力信号を示す図であり、図９（Ｈ）は図９（Ｄ）の切断ラインＬ４における磁場測定部１８２の位相角出力信号を示す図である。【００６３】
図９（Ａ），図９（Ｃ）の強度像、および図９（Ｅ），図９（Ｇ）の振幅出力信号のラインプロファイルでは、書き込み領域の境界で信号強度が極小となっており、書込み領域の境界における場の方向は概ね試料面に対して平行な方向になっていることがわかる。
図９（Ｂ），図９（Ｄ）の位相像、および図９（Ｆ），図９（Ｈ）の位相角出力信号のラインプロファイルでは、書き込み領域の境界で位相が反転（位相角が１８０度変化）しており、場の垂直成分が書込み領域の境界で上向きから下向きに変化していることがわかる。
以上の結果より、本発明によれば、電場と磁場の同時イメージングが実現できていることがわかる。
【符号の説明】
【００６４】
１  電気力／磁気力顕微鏡
１１  探針部材
１１１  アーム
１１２  ソフト磁性探針
１１３  ソフト磁性体薄膜
１２  探針励振部
１２１  交流電源
１２２  圧電素子
１３１  交流電場印加部
１３２  交流磁場印加部
１４１  交流電場駆動部
１４２  交流磁場駆動部
１５  探針振動検出部
１５１  ＬＳＲ（レーザ）
１５２  ＰＤ（フォトディテクタ）
１６  探針走査部
１７  復調部
１８１  電場測定部
１８１１  交流電気力測定部
１８１２  直流電場測定部
１８１３  交流電場測定部
１８２  磁場測定部
１８２１  交流磁気力測定部
１８２２  直流磁場測定部
１８２３  交流磁場測定部
１９  測定結果出力部
１９１  記憶装置
８１１  探針チップ
８２  試料
８４  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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