(57)【要約】【課題】  探針の交換をせずに、探針の磁化の向きを変更することができる回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムの提供。【解決手段】  回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムは、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により規定される三次元空間のＺ軸方向に配向された探針３４とＸＹＺ粗動調整装置３１と、探針３４と試料３７との間に電圧を印加するバイアス電圧印加装置２５と、探針３４と試料３７との間に流れるトンネル電流を測定する電流測定装置２４と、探針３４または試料３７を相対的にＺ軸の回りに回転させる回転ローター３２と、制御装置２を備え、ローター３２の回転によって探針３４の磁化の向きを変化させる。【選択図】図１
2007205917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により規定される三次元空間のＺ軸方向に配向された探針と、
前記探針と試料との少なくとも一方をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に沿って移動させる移動手段と、
前記探針と試料との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記探針と試料との間に流れるトンネル電流を測定する電流測定手段と、
前記探針と試料との少なくとも一方をＺ軸の回りに回転させる探針回転手段と、
前記移動手段、前記電圧印加手段、前記電流測定手段及び前記探針回転手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム。
【請求項２】
前記移動手段は、試料と前記探針との距離と、Ｚ軸回りの回転角とを相対的に粗調する粗調手段と、前記探針と試料との距離を相対的に微調させて、試料をＸ軸およびＹ軸に沿って走査するための走査手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
探針と試料間を流れるトンネル電流の微分電気伝導率は両者のスピン偏極ベクトルの内積に比例する。すなわち両者のスピン偏極の大きさとベクトル間の角度に依存する。反強磁性試料では互いに逆をむいた層が観察されるので微分電気伝導率に差ができる。この差を和で割った量を非対称度という。この非対称度によって磁気構造によるコントラストが得られる。しかしこれは探針の先端の磁化方向で異なってくる。このコントラストがもっとも顕著になるのは探針と試料のスピン偏極ベクトルの向きが平行のときである。このことを利用して、従来のスピン偏極トンネル顕微分光システムでは試料の磁気構造を求めることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のスピン偏極トンネル顕微分光システムでは、探針の磁化の向きと試料の磁化の向きとの相対角度がわからない状態で測定を行うため、磁化の向きの異なる探針をいくつも交換して測定を行っていた。そして、それらの測定結果の中で最も非対称度の値が大きいものを探針と試料の角度が平行であるものとみなしていた。この方法では、探針と試料の磁化方向が正確に平行であると特定できないという問題があった。従って、探針の向きを変更し、測定を何度も繰り返しおこなうことで、より大きい非対称度の値を得ることができたとしても、その値が最適な値（非対称度が最大）であるかどうかは不確定であった。そのため、測定データの信頼性が低いという問題があった。また、より大きな非対称度を測定すべく実験を何度も繰り返すため、測定に時間がかかる上に、非常な手間と労力が必要とされた。
【０００４】
そこで、本発明の目的は探針の交換をせずに、探針の磁化の向きを変更することができる回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により規定される三次元空間のＺ軸方向に配向された探針と、前記探針と試料との少なくとも一方をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に沿って移動させる移動手段と、前記探針と試料との間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記探針と試料との間に流れるトンネル電流を測定する電流測定手段と、前記探針と試料との少なくとも一方をＺ軸の回りに回転させる探針回転手段と、前記移動手段、前記電圧印加手段、前記電流測定手段及び前記探針回転手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムを提供している。
【０００６】
ここで、前記移動手段は、前記試料載置面に載置された試料と前記探針との距離と、Ｚ軸回りの回転角とを相対的に粗調する粗調手段と、前記探針と試料との距離を相対的に微調させて、試料をＸ軸およびＹ軸に沿って走査するための走査手段とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムによれば、探針と試料との少なくとも一方をＺ軸の回りに回転させる探針回転手段を備えているため、探針軸回転手段が回転することで試料の磁化の向きと探針の磁化の向きがなす角度を連続的に変化させることが可能である。探針の回転角を連続的に変化させることができるので、探針の磁化の向きと試料の磁化の向きとを正確に平行にすることができる。よって、試料の磁気構造を正確に特定することができ、測定データの信頼性が飛躍的に向上する。また、測定は探針の交換なしに行われるため、測定の際の手間が著しく軽減され、測定時間も短くてすむ。
【０００８】
請求項２に記載の回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムによれば、移動手段は、前記移動手段は、前記試料載置面に載置された試料と前記探針との距離と、Ｚ軸回りの回転角とを相対的に粗調する粗調手段と、前記探針と試料との距離を相対的に微調させることで、試料をＸ軸、およびＹ軸に沿って走査するための走査手段とを備えているため、探針と試料との少なくとも一方の位置および角度を粗調手段によって粗動調整し、試料を走査手段で走査することが可能である。このため、効率よく磁性体の磁気構造を測定領域全体にわたって特定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態による回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム１について図１から図３を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム１の概略構成図である。図１に示されるように、回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム１は、制御装置２、測定真空槽３を有する。測定真空槽３には、探針保持部３０、試料３７を保持するための試料ホルダー３５、窓３９が設けられている。測定真空槽３の外側で、窓３９の近傍にＣＣＤカメラ３８が設けられている。試料ホルダー３５は試料載置面３５１を有する。測定時には、試料載置面３５１上に試料３７が保持される。以下では、試料ホルダー３５の試料載置面３５１に直交する方向にＺ軸を設定し、Ｚ軸に直行する方向をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とする。すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸により規定されるＸＹ平面は試料載置面３５１と平行である。探針保持部３０と試料ホルダー３５はＺ軸方向に沿って配置され、互いに対向している。試料用端子３６は試料ホルダー３５の周辺に設けられている。探針保持部３０、ＣＣＤカメラ３８及び試料ホルダー３５はそれぞれ制御装置２に電気的に接続されている。
【００１１】
探針保持部３０には、ＸＹＺ粗動調整装置３１、ローター３２、ピエゾスキャナー３３、探針３４がＺ軸方向に沿って配列されている。すなわち、ＸＹＺ粗動調整装置３１の下部にローター３２が設けられ、ローター３２の下部にピエゾスキャナー３３が設けられ、さらにピエゾスキャナー３３の下部に探針３４が設けられている。探針３４と試料３７は対向している。探針保持部３０は試料３７を測定する際に探針３４を移動、回転、走査させるための装置である。
【００１２】
ＸＹＺ粗動調整装置３１は探針３４をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させ、探針３４と試料３７との距離を調整する装置である。ＸＹＺ粗動調整装置３１によって、数１０μｍの精度で探針３４と試料３７との間の距離が調整される。
【００１３】
ローター３２は、Ｚ軸に平行な回転軸を中心に回転可能である。ローター３２は、例えばａｔｔｏｃｕｂｅ  ｓｙｓｔｅｍｓ社のＡＮＲ１００を用いる。ローター３２の回転によって探針３４が回転される。
【００１４】
図２に示すように、ピエゾスキャナー３３は円筒形状をなす。ピエゾスキャナー３３は探針３４を保持し、探針３４を走査させるためのものである。ピエゾスキャナー３３のローター３２が設けられている側の面を端部５１とし、他端側の探針３４が設けられた面を端部５２とする。ピエゾスキャナー３３の側面には、端部５１と端部５２をつなぐように4つのピエゾ素子、ピエゾ素子４１、４２、４３、４４が設けられている。ピエゾ素子４１とピエゾ素子４３とを結ぶ仮想直線はＸ軸に平行であり、ピエゾ素子４２とピエゾ素子４４とを結ぶ仮想直線はＹ軸に平行である。制御装置２３によってピエゾスキャナー３３に印加する電圧（後述）を制御することにより、各ピエゾ素子４１〜４２を伸縮させる。これによりピエゾスキャナー３３に設けられた探針３４の先端部のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の位置が変化する。このとき、ピエゾスキャナー３３は探針３４の先端部の位置を数ｎｍの精度で動かすことができる。
【００１５】
探針３４の探針軸はＺ軸に平行に設けられている。探針３４の先端は試料載置面３５１と対向する位置に設けられている。探針３４の先端は、ＸＹ平面に平行な方向に磁化している。例えば、磁化した探針３４としてＦｅ／Ｗ探針を用いる。Ｆｅ／Ｗ探針は、超高温真空、無磁場中で加熱したＷ探針に鉄薄膜を蒸着させることにより作られる。このように作成されたＦｅ／Ｗ探針は、室温においてスピン偏極した電子を励起する探針となる。
【００１６】
探針３４の探針軸とローター３２の回転軸とは略一致している。しかし厳密には、探針軸とローター３２の回転軸とは完全には一致しない。このため、ローター３２のＺ軸回りの回転に際して、探針軸は若干平行移動をしてしまう。そこで測定に際しては、ＸＹＺ粗動調整装置３１を適宜動作させ、ローター３２の回転によって生じた平行移動を補正している。ＣＣＤカメラ３８は試料ホルダー３５および探針３４の周辺の映像を撮影する。
【００１７】
制御装置２には、粗動制御装置２１、回転制御装置２２、走査制御装置２３、電流測定装置２４、バイアス電圧印加装置２５、カメラ制御装置２８、パーソナルコンピュータ２６（以下ＰＣ２６）が設けられている。
【００１８】
粗動制御装置２１はＸＹＺ粗動調整装置３１とＰＣ２６とに電気的に接続されている。粗動制御装置２１はＰＣ２６からの指示に従って、ＸＹＺ粗動調整装置３１を動作させ、探針３４をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に動かす。回転制御装置２２はローター３２とＰＣ２６とに電気的に接続されている。ＰＣ２６からの指示に従って、回転制御装置２２はローター３２の回転を制御する。走査制御装置２３はピエゾスキャナー３３とＰＣ２６とに電気的に接続されている。走査制御装置２３はピエゾスキャナー３３に電圧を印加する。前述のように、ピエゾスキャナー３３の電圧が変化することにより、探針３４の先端をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に動かすことができる。
【００１９】
バイアス電圧印加装置２５は試料用端子３６、電流測定装置２４、ＰＣ２６に電気的に接続されている。また、電流測定装置２４は探針３４とバイアス電圧印加装置２５とＰＣ２６とに電気的に接続されている。測定に際しては試料用端子３６と試料３７とを接続し、バイアス電圧印加装置２５は探針３４と試料３７との間にバイアス電圧を印加する。ＰＣ２６からの指示に応じて、バイアス電圧印加装置２５は印加するバイアス電圧を変化させる。探針３４と試料３７との間にバイアス電圧を印加することによって、探針３４と試料３７との距離が近づいたときに、探針３４と試料３７との間にトンネル電流が流れる。電流測定装置２４は、測定の際に探針３４と試料３７との間に流れるトンネル電流を測定し、測定結果をＰＣ２６に送信する。
【００２０】
カメラ制御装置２８がＣＣＤカメラ３８とＰＣ２６とに電気的に接続されている。ＰＣ２６からの指示に従って、カメラ制御装置２８はＣＣＤカメラ３８の位置を制御する。また、ＰＣ２６からの指示に従って、カメラ制御装置２８は試料ホルダー３５および探針３４の周辺の映像をＣＣＤカメラ３８に撮影させ、撮影データをＰＣ２６に送信する。
【００２１】
上記の構成による回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム１の測定方法の具体例を以下に示す。まず、試料３７を試料ホルダー３５に配置し、試料３７に試料用端子３６を接続する。また試料用端子３６と試料３７との間のバイアス電圧を所望の値に設定する。Ｆｅ／Ｗ探針３４の酸化を防止するため、測定時には測定真空槽３を所望の到達真空度にする。例えば、測定真空槽３の到達真空度は５×１０−８Ｐａである。
【００２２】
ＣＣＤカメラ３８が撮影した映像はカメラ制御装置２８からＰＣ２６に送信される。測定者はＣＣＤカメラ３８からの映像に基づいて、探針ＸＹＺ粗動調整装置３１の移動量をＰＣ２６に入力する。測定者がＰＣ２６に入力した移動量は粗動制御装置２１に送信される。粗動制御装置２１はＰＣ２６から受信した移動量に基づいてＸＹＺ粗動調整装置３１を動作させる。ＸＹＺ粗動調整装置３１の動作によって探針３４と試料３７との距離が数１０μｍの精度で調整される。
【００２３】
次に図３を用いて制御装置２の動作を説明する。Ｓ１では、ＰＣ２６は、走査制御装置２３に信号を送りピエゾスキャナー３３をＸ軸、Ｙ軸の値を指定することで、探針３４を測定開始位置に移動させる。
【００２４】
Ｓ２では、ＰＣ２６は、ローター３２を所望の角度に回転させる指示を回転制御装置２２に出し、探針３４を所定の回転角で固定させる。これにより、探針３４の磁化の向きと試料３７の磁化の向きがなす角度が一定の値に固定される。前述のように、探針３４の探針軸とローター３２の回転軸とには微妙なズレが生じており、ローター３２のＺ軸回りの回転によって探針軸はＸＹ方向に若干平行移動をしてしまう。そこで、ローター３２の回転にあわせてＸＹＺ粗動調整装置３１を適宜動作させ、ローター３２の回転によって生じた平行移動を補正している。
【００２５】
Ｓ３では、ＰＣ２６は走査制御装置２３にピエゾスキャナー３３の端部５２をＺ軸方向に移動させる指示を出す。これによって探針３４と試料３７との距離が変化する。
【００２６】
Ｓ４では、ＰＣ２６はトンネル電流の値を電流測定装置２４から受け取る。すなわち、探針３４と試料３７との間にはバイアス電圧が印加されているため、探針３４と試料３７との距離が接近すると、探針３４と試料３７との間にトンネル電流が流れる。そして、トンネル電流は電流測定装置２４で検出される。ＰＣ２６はトンネル電流の値を電流測定装置２４から受け取る。
【００２７】
Ｓ５では、ＰＣ２６はトンネル電流の値が予め設定された所望の値であるか判定する。トンネル電流の値が予め設定された値になるまでＰＣ２６は走査制御装置２３を介してピエゾスキャナー３３のＺ軸方向の位置を調整する。すなわち、ＰＣ２６はトンネル電流の値が予め設定された所望の値でなければ（Ｓ５：Ｎｏ）、Ｓ３に戻りスキャナーのＺ軸方向の位置を調整する。トンネル電流の値が予め設定された値であれば（Ｓ５：Ｙｅｓ）Ｓ６へと移行する。
【００２８】
Ｓ６では、ＰＣ２６は走査制御装置２３にピエゾスキャナー３３のＺ軸の値を固定するように指示する。これにより、探針３４と試料３７との距離は一定に固定されているとみなすことができる。
【００２９】
次にＳ７では、ＰＣ２６はバイアス電圧印加装置２５にバイアス電圧を連続的に変化させる指示を出し、トンネル電流を測定する。すなわち、ＰＣ２６からの指示に従って、バイアス電圧印加装置２５は探針３４と試料３７との間のバイアス電圧を変化させる。バイアス電圧の値に応じたトンネル電流の値が電流測定装置２４で測定される。測定されたデータは、電流測定装置２４からＰＣ２６に送信され、ＰＣ２６に保存される。以上より、バイアス電圧の値とトンネル電流の値との関係が測定され、その測定データが保存される。
【００３０】
Ｓ８では、ＰＣ２６は試料３７のＸ軸、Ｙ軸方向の測定範囲全体において上記のバイアス電圧の値とトンネル電流の値との関係が測定されたかを判定する。試料３７の測定範囲全体について測定が終わっていなければ（Ｓ８：Ｎｏ）、走査制御装置２３を介してＰＣ２６は、ピエゾスキャナー３３の端部５２のＸ軸ないしＹ軸方向の位置を移動させる指示を出す（Ｓ９）。この結果、探針３４の先端がＸ軸方向ないしＹ軸方向に移動し固定される。さらに探針３４と試料３７とのＺ軸方向の距離を調整するため、Ｓ３に戻る。試料３７のＸ軸方向、Ｙ軸方向を走査して試料３７の測定範囲内全てでバイアス電圧とトンネル電流の関係が測定されていれば（Ｓ８：Ｙｅｓ）Ｓ１０へと移行する。
【００３１】
Ｓ１０では、ＰＣ２６は全回転角に関して測定を終了しているか判定する。全回転角に関して測定が終了していなければ（Ｓ１０：Ｎｏ）、Ｓ２に戻りＰＣ２６は回転制御装置２２に指示をだし、ローター３２を所望の角度に回転させる。ローター３２の回転により、ローター３２の回転軸を中心にして探針３４は回転する。全回転角に関して測定を終了していれば（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、ＰＣ２６は測定を終了する。
【００３２】
以上のスピン偏極トンネル顕微分光システム１によれば、探針３４の位置をＸ軸方向の位置、およびＹ軸方向の位置を一定にしたときに、コントラストの値が最大になる回転角が決定できる。すなわち、試料３７の一点での試料３７の磁化の向きが特定できる。そして、トンネル電流が最大になる回転角を試料３７の測定範囲全体にわたって決定しているので、試料３７の測定範囲全体にわたって試料３７の磁気構造を特定することができる。
【００３３】
また、上述のスピン偏極トンネル顕微分光システム１の構成によれば、ローター３２が探針３４の探針軸を中心に回転することで試料の磁化の向きと探針の磁化の向きが成す角度を連続的に変化させている。探針３４の回転角を連続的に変化させることができるので、探針３４の磁化の向きと試料３７の磁化の向きとを正確に平行にすることができる。よって、試料３７の磁気構造を正確に特定することができ、測定データの信頼性が飛躍的に向上する。また、測定は探針３４の交換なしに行われるため、測定の際の手間が著しく軽減され、測定時間も短くてすむ。
【００３４】
また、ＸＹＺ粗動調整装置３１によって探針３４の位置を粗動調整し、ピエゾスキャナー３３で試料を走査する構成となっている。このため、効率よく磁性体の磁気構造を測定領域全体にわたって特定することができる。
【００３５】
本発明による回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システムは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。上記実施の形態では、ＸＹＺ粗動調整装置、ピエゾスキャナー、ローターを探針側に設けたが、ＸＹＺ粗動調整装置、ピエゾスキャナー、ローターの少なくとも一つを試料側、例えば試料ホルダーの下側にも設けてもよい。こうすることで探針と試料との位置関係を相対的に変更することが可能である。
【００３６】
また、ＸＹＺ粗動調整装置、ピエゾスキャナー、ローターの少なくとも一つを試料側、例えば試料ホルダーの下側に設けた場合には、これらの装置を探針側には設けない構成にしても良い。こうすることで試料の位置や角度を変更することで探針と試料との位置関係を変更することができる。
【００３７】
また、ＸＹＺ粗動調整装置はさらにＺ軸回りに回転できる構成であってもよい。この場合、Ｚ軸回りの回転を粗調した上でローターによって探針が回転するため、より効率的な測定を行うことができる。
【００３８】
なお、上記実施例においてＸＹＺ粗動調整装置３１およびピエゾスキャナー３３は本発明の移動手段に、ローター３２は本発明の探針回転手段に、探針３４は本発明の探針に、試料３７は本発明の試料に、バイアス電圧印加装置２５は本発明の電圧印加手段に、電流測定装置２４は本発明の電流測定手段に、制御装置２は本発明の制御手段にそれぞれ該当する。また、上記実施例においてＸＹＺ粗動調整装置３１は粗動手段に、ピエゾスキャナー３３は走査手段にそれぞれ該当する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の回転走査型トンネル顕微分光システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示すピエゾスキャナーの斜視図である。
【図３】図１に示す回転走査型トンネル顕微分光システムを用いて測定を行う際のＰＣの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・回転走査型スピン偏極トンネル顕微分光システム、
２・・・制御装置、      ３・・・測定真空槽、      １４・・・試料用端子、
２１・・・粗動制御装置、２２ 回転制御装置、        ２３・・・ピエゾ制御装置、
２４・・・電流測定装置、２５・・・バイアス電圧印加装置、
２６・・・パーソナルコンピュータ、
２８・・・カメラ制御装置、
３０・・・探針保持部、  ３１ ・・・ＸＹＺ粗動調整装置、 
３２・・・ローター、
３３・・・ピエゾスキャナー、 
３４・・・探針、        ３５・・・試料ホルダー
３６・・・試料用端子、
３７・・・試料、        ３５１・・・試料載置面
【図１】
2007205917.tif 000003
【図２】
2007205917.tif 000004
【図３】
2007205917.tif 000005