(57)【要約】【課題】局所場の方向と大きさを直接高分解能で検出することができる走査トルク顕微鏡を提供する。【解決手段】基端を固定し自由端にプローブを設けた弾性的に屈曲可能な板状のカンチレバーを試料表面に対して垂直に配置し、プローブの先端と試料表面との間隔を極微小に保ちながら相対移動させ、カンチレバーの屈曲量を検出することによりプローブに働くトルクを測定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端を固定し自由端にプローブを設けた弾性的に屈曲可能な板状のカンチレバーを試料表面に対して垂直に配置し、プローブの先端と試料表面との間隔を極微小に保ちながら相対移動させ、カンチレバーの屈曲量を検出することによりプローブに働くトルクを測定することを特徴とする走査トルク顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高密度磁気記録媒体などの表面近傍における局所場の方向と大きさを直接高分解能で検出するための走査トルク顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】日本応用磁気学会誌、２６〔１０〕ｐ．１０３４−１０４０（平１４−１０−１）
従来、高分解能磁区観察の手段として磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）が知られている。その測定原理を簡単に説明すると、図２に示されるように、基端を固定し自由端に磁性体からなるプローブを設けたカンチレバーを試料表面に対してほぼ平行に配置しプローブと試料表面との間隔を極微小に保ちながらプローブと試料とを相対移動させ試料の漏洩磁場に起因する磁気力勾配によりプローブに働く垂直方向の力をカンチレバーの振動の変化として検出し磁気情報を測定するようにしたものである。ところがこのようなものは磁気モーメントが磁気力勾配により受ける力の垂直方向成分を測定していて磁化分布を直接測定するものではないから測定結果から磁化分布を推定するには複雑なプロセスが必要であり、得られる結果に限界があって分解能を高めることが難しいという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、上記従来装置の欠点を改良することであり、局所場の方向と大きさを直接高分解能で検出することができる走査トルク顕微鏡を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するため、この発明の走査トルク顕微鏡は、基端を固定し自由端にプローブを設けた弾性的に屈曲可能な板状のカンチレバーを試料表面に対して垂直に配置し、プローブの先端と試料表面との間隔を極微小に保ちながら相対移動させ、カンチレバーの屈曲量を検出することによりプローブに働くトルクを測定するようにしている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
この発明の走査トルク顕微鏡について図１を参照しながら説明する。細長い板状をした弾性的に屈曲可能なカンチレバー１の基端が駆動機構（図示されていない）に固定され、またカンチレバー１の自由端に磁性体からなる微細なプローブ２が設けられている。カンチレバー１は（例えば高密度磁気記録媒体などの）試料３の表面に対して垂直に配置され、ピエゾ素子などにより構成される周知の駆動機構により試料３に対して表面方向および垂直方向に微細に相対移動することができるようになっている。また周知の光梃子などの検出手段が設けられカンチレバー１の屈曲量（角度）を高感度で検出することができるようになっている。
【０００６】
プローブ２は、磁気モーメント、電気双極子モーメント、スピン角運動量などのベクトル量を有していて、これらがプローブ２の置かれた位置における局所的な磁場、電場、交換場などのベクトル場とそれぞれ相互作用をもつことにより両者のベクトル積に対応するトルクがプローブ２に働く。トルクはベクトル量であるから方向と大きさの情報を有していて、プローブ２に働くトルクを測定することにより局所場の方向と大きさを求めることができる。
【０００７】
そこで、プローブ２の先端と試料３の表面との間隔を極微小に保ちながら相対移動させ、カンチレバー１の屈曲量を検出することによりプローブ２に働くトルクを測定して局所場の３成分を求める手法について説明する。試料３の表面をｘｙ平面、これに垂直な方向をｚ方向とし、カンチレバー１の屈曲方向をｘ方向に一致させる。
【０００８】
いま具体例としてプローブ２の磁気モーメントと局所磁場との相互作用について記述する。上記の測定によってプローブ２が感じたトルクのｙ成分
Ｎｙ＝μ０（ｍｚＨｘ−ｍｘＨｚ）
とカンチレバー１のトルクとが釣り合ったことになる。ここにμ０は真空の透磁率である。カンチレバー１のトルクはｚ軸からの傾き角θ０に比例しＫθ０と測定される。このとき試料３に固定された座標軸をＸ，Ｙ，Ｚとおけば局所磁場の成分は
Ｈｘ＝ＨＸ，
Ｈｚ＝ＨＺ
であるから
μ０（ｍｚＨＸ−ｍｘＨＺ）＝Ｋθ０                    ………（１）
が得られる。
【０００９】
次にカンチレバー１と試料３とをｚ軸のまわりに９０度相対回転させると
Ｈｘ＝ＨＹ，
Ｈｙ＝−ＨＸ
となるから、同様の測定を行いカンチレバー１のｚ軸からの傾き角θ１とすると
μ０（ｍｚＨＹ−ｍｘＨｚ）＝Ｋθ１                    ………（２）
が得られる。
【００１０】
カンチレバー１と試料３とをｚ軸のまわりに１８０度相対回転させると
Ｈｘ＝−ＨＸ，
Ｈｙ＝−ＨＹ
となるから、同様の測定を行いカンチレバー１のｚ軸からの傾き角θ２とすると
μ０（−ｍｚＨＸ−ｍｘＨＺ）＝Ｋθ２                  ………（３）
が得られる。
【００１１】
最後にカンチレバー１と試料３とをｚ軸のまわりに２７０度相対回転させると
Ｈｘ＝−ＨＹ，
Ｈｙ＝ＨＸ
となるから、同様の測定を行いカンチレバー１のｚ軸からの傾き角θ３とすると
μ０（−ｍｚＨＹ−ｍｘＨＺ）＝Ｋθ３                  ………（４）
が得られる。
【００１２】
そして式（１）〜（４）を適宜組み合わせて
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と計算することができる。
【００１３】
磁気記録トラックの方向があらかじめ判っていて（例えば磁気記録ディスク）局所磁場のＸ成分だけを測定すれば足りる場合には式（１）においてｍｘ＝０とし
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が直接得られる。ｍｘ＝０なる条件はプローブ２の形状を変えることにより容易に実現することが可能である。また実用的には局所磁場のＸ成分およびＹ成分だけを測定しＺ成分を測定する必要が無い場合もあり、その場合にはｍｘ＝０として直交する方向を各一回測定するだけでよい。
【００１４】
上記実施の態様においてはプローブ２の磁気モーメントと局所磁場との相互作用について観察したが、プローブ２の電気双極子モーメントと局所的な電場との相互作用あるいはスピン角運動量と交換場との相互作用を観察し測定することによりまた別の物理学的現象が見えてくる可能性があり、ＩＣ技術、原子、分子レベルの研究分野への応用が期待されるものである。
【００１５】
また上記実施の態様においてはプローブ２に働くｙ方向のトルクを測定するようにしているが、これに代えてｚ方向のトルクを測定するようにすれば、言い換えるとカンチレバー１のねじれを測定するようにすればプローブ２の偏移がなくなるから精密かつ高感度の測定が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明の走査トルク顕微鏡は、試料表面近傍の局所場からプローブに働くトルクを測定するようにしたことにより局所場の方向と大きさを直接高分解能で検出することができるから、従来のＭＦＭなどと比較して得られる結果が直接的であり複雑で不確定的な計算プロセスを必要とせず、分解能を高めることができ、高密度磁気記録媒体に書き込まれた記録ビットの詳細な状況、雑音に関する評価、検査等に有効であるばかりでなく、原理的にさらに感度と分解能を高くすることができる可能性があることから磁性体、誘電体、金属、有機物、生体物質などの表面の原子、分子レベルの研究にも使用することができるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の走査トルク顕微鏡の概念図
【図２】従来しられている磁気力顕微鏡の概念図
【符号の説明】
１  カンチレバー        ２  プローブ        ３  試料
【図１】
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【図２】
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