(57)【要約】【課題】トンネル電流を検出あるいは制御する機器による局所ポテンシャル障壁高さの測定を、測定条件が測定値に与える影響を明確にした条件下で行うことを可能とする方法を提供する。【解決手段】１）探針−試料間距離ｓを一定にしてバイアス電圧Ｖとトンネル電流Ｉの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理と、２）１）の処理後ＩあるいはＶを一定にしてｓの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理とを行い、さらに、１）の処理で局所ポテンシャル障壁高さが変化しかつ２）の処理で局所ポテンシャル障壁高さが変化した場合に、３）２）の処理で一定としなかったＶあるいはＩを一定にしてｓの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理を行う局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針と試料の間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器を用いて局所ポテンシャル障壁高さを測定するに際し、トンネル電流（Ｉ）、バイアス電圧（Ｖ）、探針−試料間距離（ｓ）の３つのパラメータへの局所ポテンシャル障壁高さの依存性を測定する方法であって、
１）  ｓを一定にしてＩ−Ｖ曲線を測定し、そのＩ−Ｖ曲線に沿ってＶとＩを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定し、ＶとＩの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理と、
２）  １）の処理後、Ｉを一定にしてＶ−ｓ曲線を測定するかあるいはＶを一定にしてＩ−ｓ曲線を測定し、そのＶ−ｓ曲線あるいはＩ−ｓ曲線に沿ってｓを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定し、ｓの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理と、
を行い、さらに、１）の処理で局所ポテンシャル障壁高さが変化しかつ２）の処理で局所ポテンシャル障壁高さが変化した場合に、
３）  ２）の処理で一定としなかったＶあるいはＩを一定にして、Ｉ−ｓ曲線あるいはＶ−ｓ曲線を測定し、そのＩ−ｓ曲線あるいはＶ−ｓ曲線に沿ってｓを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定し、ｓの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理、
を行うことを特徴とする局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法。
【請求項２】
探針と試料との間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器が、走査型トンネル顕微鏡であることを特徴とする請求項１記載の局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、走査型トンネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡による局所ポテンシャル障壁高さの測定を、測定条件が測定値に与える影響を明確にした条件下で行うことを可能とする、局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、探針と試料の間に流れるトンネル電流の大きさを検出・制御することで試料表面の状態を計測する走査型トンネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡が知られている。
【０００３】
走査型トンネル顕微鏡などにおいて、接触していない探針と試料の間をトンネル電流が流れる（電子がトンネルする）際のポテンシャル高さを局所ポテンシャル障壁高さ（（Ｌｏｃａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｈｅｉｇｈｔ  ：  ＬＢＨ））といい、局所ポテンシャル障壁高さの測定を行う際のパラメータには、トンネル電流（Ｉ）、バイアス電圧（Ｖ）、探針−試料間距離（ｓ）の３つがある。Ｉは以下に示す式のようにＶとｓの関数となっており、３つのパラメータのうち２つの値を決めると残りのパラメータの値は自動的に決定される。
Ｉ∝Ｖｅｘｐ（−１．０２５ｓφ０１／２）
（φ０は仕事関数であって、局所ポテンシャル障壁高さと同じと見なされる）
しかしながらこれまで、局所ポテンシャル障壁高さのＶ依存性を測定するために、Ｉ＝一定の条件下での測定が行われてきたが、このような測定ではＶを変化させるとｓも変化してしまうことから、Ｖとｓの両方の効果を混同して測定していることになり、真のＶ依存性を測定することができていなかった。
【０００４】
局所ポテンシャル障壁高さのＶを変えた測定としては、Ｐ．Ｋ．Ｉｎｇｒａｍ他の方法があるが（非特許文献）、その方法においても局所ポテンシャル障壁高さの真のＶ依存性を測定することはできていなかった。
【０００５】
【非特許文献】
Ｐ．Ｋ．Ｉｎｇｒａｍ，  Ｇ．Ｊ．Ｗｉｌｓｏｎ  およびＲ．Ｄｅｖｏｎｓｈｉｒｅ，“Ｍｅｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｌｏｃａｌ  ｗｏｒｋ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ  ｃａｔｈｏｄｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ＳＰＭ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  １４６巻，  １−４号，  ｐ．３６３−３７０，  １９９９年
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、走査型トンネル顕微鏡などによる局所ポテンシャル障壁高さの測定を、測定条件が測定値に与える影響を明確にした条件下で行うことを可能とする、局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、探針と試料の間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器を用いて局所ポテンシャル障壁高さを測定するに際し、トンネル電流（Ｉ）、バイアス電圧（Ｖ）、探針−試料間距離（ｓ）の３つのパラメータへの局所ポテンシャル障壁高さの依存性を測定する方法であって、
１）  ｓを一定にしてＩ−Ｖ曲線を測定し、そのＩ−Ｖ曲線に沿ってＶとＩを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定し、ＶとＩの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理と、
２）  １）の処理後、Ｉを一定にしてＶ−ｓ曲線を測定するかあるいはＶを一定にしてＩ−ｓ曲線を測定し、そのＶ−ｓ曲線あるいはＩ−ｓ曲線に沿ってｓを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定し、ｓの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理と、
を行い、さらに、１）の処理で局所ポテンシャル障壁高さが変化しかつ２）の処理で局所ポテンシャル障壁高さが変化した場合に、
３）  ２）の処理で一定としなかったＶあるいはＩを一定にして、Ｉ−ｓ曲線あるいはＶ−ｓ曲線を測定し、そのＩ−ｓ曲線あるいはＶ−ｓ曲線に沿ってｓを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定し、ｓの変化に伴う局所ポテンシャル障壁高さの変化の有無を判断する処理、
を行うことを特徴とする局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法を提供する。
【０００７】
第２には、第１の発明において、探針と試料との間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器が、走査型トンネル顕微鏡であることを特徴とする局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【０００９】
図１にこの出願の発明の局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法のフローチャートの一例を示す。なお図１中の▲１▼〜▲４▼が以下の▲１▼〜▲４▼の処理に相当する。また、以下の例では走査型トンネル顕微鏡を用いているが、この出願の発明の局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法は、探針と試料の間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器を用いた局所ポテンシャル障壁高さの測定方法であれば、走査型トンネル顕微鏡以外の機器に対しても適用することができる。
【００１０】
▲１▼  まず、測定したい試料の測定場所を特定するためにトンネル電流を用いた通常のＳＴＭ像測定を行い、その測定に用いられたトンネル電流Ｉ０、バイアス電圧Ｖ０を基準とする。このとき探針−試料間距離ｓ０は自動的に決定される。このｓ０でＩ−Ｖ曲線を測定し、Ｉ−Ｖ曲線に沿ってＶとＩを変化させて局所ポテンシャル障壁高さ（ＬＢＨ）を測定する（ｓ＝一定＝ｓ０の測定）。このとき状態密度の影響を避けるために、Ｉ−Ｖ曲線に構造がなくスムーズに変化しているＶの値（あるいはＩの値）を用いて測定を行う。ＶとＩの変化に伴って局所ポテンシャル障壁高さが変化するかを見る。変化しなかった場合、すなわち局所ポテンシャル障壁高さがＶとＩのいずれにも依存せず一定であった場合、▲２▼の処理を行い、変化した場合、すなわち局所ポテンシャル障壁高さがＶとＩのいずれかに依存していた場合▲３▼の処理を行う。なお実質的には▲２▼と▲３▼は同じ処理である。
【００１１】
▲２▼  Ｉ＝一定＝Ｉ０（またはＶ＝一定＝Ｖ０）で、Ｖ−ｓ（またはＩ−ｓ）曲線を測定し、このＶ−ｓ（またはＩ−ｓ）曲線に沿ってｓを変化させて（このときＶあるいはＩも自動的に変化する）、局所ポテンシャル障壁高さを測定する。このときｓの変化に伴って局所ポテンシャル障壁高さが変化するかどうかを見る。変化しなかった場合は局所ポテンシャル障壁高さはＩ、Ｖ、ｓのいずれにも依存しない。変化した場合、局所ポテンシャル障壁高さはＩおよびＶには依存しないがｓに依存する。
【００１２】
▲３▼  Ｉ＝一定＝Ｉ０（またはＶ＝一定＝Ｖ０）で、Ｖ−ｓ（またはＩ−ｓ）曲線を測定し、このＶ−ｓ（またはＩ−ｓ）曲線に沿ってｓを変化させて（このときＶあるいはＩも自動的に変化する）局所ポテンシャル障壁高さを測定する。このときｓの変化に伴って局所ポテンシャル障壁高さが変化するかどうかを見る。局所ポテンシャル障壁高さが変化しなかった場合はＶ、ｓには依存しないがＩに依存する（もしくはＩ、ｓには依存しないがＶに依存する）。変化した場合▲４▼へ。
【００１３】
▲４▼  ▲３▼の処理において一定としなかったパラメータを一定とし、すなわちＶ＝一定＝Ｖ０（またはＩ＝一定＝Ｉ０）とし、Ｉ−ｓ（またはＶ−ｓ）曲線を測定しこのＩ−ｓ（またはＶ−ｓ）曲線に沿ってｓを変化させて（このときＩあるいはＶも自動的に変化する）、局所ポテンシャル障壁高さを測定する。このときｓの変化に伴って局所ポテンシャル障壁高さが変化するかどうかを見る。変化しなかった場合、局所ポテンシャル障壁高さはＩ、ｓには依存しないがＶに依存する（もしくはＶ、ｓには依存しないがＩに依存する）。変化した場合、局所ポテンシャル障壁高さはＩ、Ｖ、ｓいずれにも依存する。
【００１４】
なお局所ポテンシャル障壁高さがＩ、Ｖ、ｓのいずれかのパラメータに依存した場合、そのパラメータに局所ポテンシャル障壁高さがどのように依存するかは、上記▲１▼〜▲４▼の処理を行ったことにより局所ポテンシャル障壁高さが依存することが明らかになったパラメータを意図的に変化させて測定すればよい。
【００１５】
以上のように▲１▼〜▲４▼の処理を行うことによって、局所ポテンシャル障壁高さのＩ、Ｖ、ｓの３つのパラメータへの依存性について、
Ａ）局所ポテンシャル障壁高さがＩ、Ｖ、ｓいずれにも依存しない。
Ｂ）局所ポテンシャル障壁高さがＩ、Ｖには依存しないがｓに依存する。
Ｃ）局所ポテンシャル障壁高さがＩ、ｓには依存しないがＶに依存する。
Ｄ）局所ポテンシャル障壁高さがＶ、ｓには依存しないがＩに依存する。
Ｅ）局所ポテンシャル障壁高さがＩ、Ｖ、ｓのいずれにも依存する。
のいずれかであることがわかる。
【００１６】
すなわち、この出願の発明の局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法によって、局所ポテンシャル障壁高さを測定するに際して、トンネル電流（Ｉ）、バイアス電圧（Ｖ）、探針−試料間距離（ｓ）の３つのパラメータのうちの１つを一定としたとき、その他の２つのパラメータの関係を求め、その関係を使って局所ポテンシャル障壁高さが真にどのパラメータにどのように依存するかを測定することが可能になるのである。
【００１７】
このように、この出願の発明の局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法は、走査型トンネル顕微鏡あるいはその他のトンネル電流を検出あるいは制御する機器による局所ポテンシャル障壁高さの測定において、独立に制御できないパラメータ同士の影響を論理的に明確に決定する方法でありかつ材料によらない方法であって、この方法を走査型トンネル顕微鏡などの探針と試料との間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器による局所ポテンシャル障壁高さの測定方法に適用することによって、より具体的にはこの方法を局所ポテンシャル障壁高さを測定する装置を制御するコンピュータのソフトウェアなどに組み込むことによって、適切に局所ポテンシャル障壁高さの計測を行うことができるのである。
【００１８】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００１９】
【実施例】
＜実施例１＞
再構成を起こしたＡｕ（１１１）表面における局所ポテンシャル障壁高さ測定を行った。
【００２０】
まず、測定領域を特定するために通常のＳＴＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を取得した。そのＳＴＭ像を図２に示す。その測定に用いられたトンネル電流Ｉ０、バイアス電圧Ｖ０を基準とする。このとき探針−試料間距離ｓ０は自動的に決定される。
【００２１】
次に図３に示すように、測定点において、トンネル電流による探針−試料間距離ｓへのフィードバックを切り、探針−試料間距離ｓを一定値ｓ０とした条件でバイアス電圧Ｖを変化させたときのトンネル電流Ｉの変化（Ｉ−Ｖ曲線）を測定した。
【００２２】
この図から測定しているＩ０、Ｖ０、ｓ０ではＩがＶに対して直線に変化する電圧領域であることがわかった。
【００２３】
次に図４に示すようにｓ＝一定＝ｓ０でＶを変化させて局所ポテンシャル障壁高さを測定した。この図から局所ポテンシャル障壁高さはＶの変化に伴って変化していないことから、局所ポテンシャル障壁高さはＶに依存していないことがわかった。そこで、Ｉ＝一定＝Ｉ０でｓを変化させて（実験的にはＶを変化させる方が制御が容易なため、実際にはＶを変化させて）局所ポテンシャル障壁高さを測定した。その結果を図５に示す。
【００２４】
同図より、局所ポテンシャル障壁高さは見かけ上Ｖに依存しているが、図４の結果と合せて判断した場合、実際にはｓに依存していることが結論付けられる。
【００２５】
そしてＩ、Ｖ、ｓに成立する関係の式
Ｉ∝Ｖｅｘｐ（−１．０２５ｓφ０１／２）
（φ０は仕事関数であって、局所ポテンシャル障壁高さと同じと見なされる）
を用いて図５の横軸をｓに変換することで、局所ポテンシャル障壁高さのｓへの依存性が求められる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、走査型トンネル顕微鏡などの探針と試料との間に流れるトンネル電流を検出あるいは制御する機器による局所ポテンシャル障壁高さの測定を、測定条件が測定値に与える影響を明確にした条件下で行うことを可能とする、局所ポテンシャル障壁高さのパラメータ依存性測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の局所ポテンシャル障壁高さの測定方法の処理手順を例示したフローチャートである。
【図２】この発明の局所障壁の高さの測定方法の実施例に用いたＡｕ（１１１）のＳＴＭ像である。
【図３】この発明の局所ポテンシャル障壁高さの測定方法の実施例におけるＩ−Ｖ曲線のグラフである。
【図４】この発明の局所ポテンシャル障壁高さの測定方法の実施例における、探針−試料間距離を一定に保って測定した局所ポテンシャル障壁高さのＶ依存性を示すグラフである。
【図５】この発明の局所ポテンシャル障壁高さの測定方法の実施例における、トンネル電流を一定に保って測定した局所ポテンシャル障壁高さのＶ依存性（実際にはｓ依存性）を示すグラフである。
【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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