光電子分光装置ＡＣ−２オプション

フェルミ準位測定器
ＦＡＣ−２
取扱説明書

・ 本器をご使用になる前に、必ずこの説明書をお読み下さい。
・ お取り扱いは、説明書に記載の通りに行って下さい。
・ 説明書に記載以外の誤ったご使用をされますと、本器の故障の原因となります。
・ 本器は制御機器ではありませんので、本器の外部信号出力を利用して他の機器の制御に使用することは固くお断り致します。
・ 誤ったご使用による事故、指定サービス会社以外での改造や、指定外部品での修理の場合は、品質保証の対象になりませんのでご注意下さい。
・ 誤使用、他目的使用による事故は、当社は補償を負いかねます。

目次
１．はじめに２

２．各部名称と機能２2-1.全体

２2-1-1.装置正面

２2-1-2.装置側面

２2-1-3.測定部正面３2-1-4.電極近傍拡大図

３2-2.正面パネル

４2-3.背面パネル

４2 ｰ 4.基準サンプルと基準サンプル・ホルダー

５３．設置６４．測定

７4-1.準備７4-2.装置の校正

８4-3.フェルミ準位の測定

１０4-4.測定の終了

１１５．保守６．装置原理１２6-1.接触電位差

１２6-2.ケルビンプローブ

１３6-3.フェルミ準位の測定

１３７．仕様

１４８．付属品

１４1

１．はじめに
ＦＡＣ−２をお買い上げ頂きありがとうございます。
ＦＡＣ−２は表面分析装置ＡＣ−２のオプションであり、ＡＣ−２と併用することにより、固体のフェルミ準位のエネルギーを測定する装置です。
本取扱説明書を良くお読みの上ご使用下さい。

２．各部名称と機能
2-1.全体2-1-1.装置正面
顕微鏡

顕微鏡
顕微鏡

サンプルと電極との間隔をみる時に用います。

上下方向

倍率は２０倍です。

調節ハンドル

顕微鏡

視野内の目盛（レチクル）は 10 目盛が約 0.5[mm]前後方向です。

顕微鏡

調節ハンドル

光軸の調整は調節ハンドルで行います。

左右方向
調節ハンドル正面パネル操作時に使用します。詳細は 2-2.正面パネルを参照して下さい。

正面パネル
2-1-2.装置側面
測定部（点線内）

顕微鏡

顕微鏡

上下方向

上下方向

プローブ、サンプルス

調節ハンドル

固定ネジ

テージ、Ｚステージ、ランプ等が内蔵されてい顕微鏡測定部ます。
詳細は 2-1-3.測定部

顕微鏡

サンプルステージ

左右方向
調節ハンドル

正面を参照して下さい。

ランプスイッチ
ランプスイッチZ ステージ

振動電 極 周辺 の照 明用ランプのスイッチでZ ステージ調節ハンドルす。ランプは本体とは別電源（単三乾電池）になっています。

背面パネル

電源ケーブルコネクタ、OUT PUT 端子、ヒューズ等が有ります。詳細は 2-3.背面パネルを参照して下さい。

2

2-1-3. 測定部正面
測定部カバー
測定部カバー

ランプ

測定部のカバーです。

ケルビンプローブランプ

2-1-4.

振動電極周辺の照明です。

サンプルはグラン電極近傍

ド電極とサンプル拡大図のケルビンプローブ
サンプルの接触電位差を測ステージの間に挿範囲定します。

入する。

Ｚステージ

グランド電極Z ステージ

サンプルステージを上下させます。

サンプルステージ

Ｚステージ調節ハンドル
振動電極

Z ステージ調節ハンドル

Ｚステージの高さを調節します。0.1[mm]までの目盛がついています。

2-1-4.電極近傍拡大図
グランド電極グランド電極サンプルをサンプルステージとの間に挟み込み、グランド電位に接地します。

振動電極

測定時には0.0mm にする。

サンプル

また、振動電極の静止位置とサンプルとの距離を一定に保ちます。
振動電極
測定時に振動します。
サンプルステージ

サンプルステージ

測定時にサンプルを乗せます。中央に測定位置（十字線とφ10[mm]の円）が刻印されています。

サンプルステージ中央の測定位置の刻印

上側から見たグランド電極、サンプル、サンプルステージ
グランド電極部
サンプル部
刻印とこのφ10mm の円内を測定する

サンプルステージ部

32-2.正面パネル
LED 表示測定時にフェルミ準位を表示します。
LED 表示POWER スイッチ

RANGE スイッチ
入力の範囲を切り替えます。
① 10V
フェルミ準位の測定時に使用します。
②100V
ＡＣ−２で絶縁物を測定する際にサンプルのRANGE スイッチ

MODE スイッチ

帯電圧を測定するに使用します。

CAL.ツマミ

MODE スイッチ
測定モードを切り替えます① WF + モード
フェルミ準位測定のモードです。CAL.ツマミにより LED の表示値が変わります。
② CPD モード
接触電位差を測定するモードです。
③ - モード
帯電圧を測定する時のモードです。CAL.ツマミにより LED の表示値が変わります。
CAL.ツマミ
フェルミ準位測定の為、装置の校正をする場合に用います。
POWER スイッチ
電源スイッチです。ON で動作状態になり、LED 表示に数字が表示されます。また OFF で停止状態となります。

2-3.背面パネル
ヒューズ
ヒューズ

0. 5A のヒューズが入っています。

測定部カバー固定ネジ

測定部カバー固定ネジ
測定部のカバーを固定するネジです。
電源ケーブル用端子
電源ケーブル用の端子です。電源電圧は 100V
50/60Hz です。また、アースは必ず取って下さい。
外部出力端子
電源ケーブル用端子

外部出力端子

測定値を電圧として、外部に出力します。出力値はフェルミ準位 1[eV]当たり 1[V]となります。

42-4.基準サンプルと基準サンプル・ホルダー

基準サンプル

ネジ

基準サンプルを入れる窪み

基準サンプルの測定部（中央付近）を汚さない為の窪み

基準サンプル・カバー
基準サンプル・カバー
基準サンプル
基準サンプル・ホルダー
ネジ

上面図

基準サンプル・ホルダー 基準サンプル・カバー

測面図

（裏面）

測定時

サンプル保管時基準サンプル
大きさ 20×20mm 厚さ 0.2mm の金板です。装置の校正に使用します。取扱いは必ず付属のピンセットを用いて行い、測定面を汚さない様にして下さい。測定面にほこり等が付着した場合、ブロワー等で吹き飛ばして下さい。
（吐く息は湿度を含んでいるので、フェルミ準位を変化させる可能性が有ります。）

基準サンプル・ホルダー
ＦＡＣ−２の校正を行う時と基準サンプルを保管する時に使用します。基準サンプルは窪みの中に、測定面を上にして設置して下さい。

基準サンプル・カバー
基準サンプルを保管する時に使用します。基準サンプルの中央部がホルダーに接して汚れない様に窪みが有ります。基準サンプルに相対する裏面は汚さないようにして下さい。

5３．設置①本体の脇から底を持って、本体を箱から取り出して下さい。本体は実験机の上などの振動の少ない安定で平坦な場所に置いて下さい。
②付属品を取り出し、８．付属品を参照しながら確認してください。
③納入時、顕微鏡が上下逆に梱包されています。顕微鏡固定ビスを緩め顕微鏡を図の様に直して下さい。
顕微鏡

顕微鏡固定ビス（下側）④ランプ用の単三乾電池を入れます。先ず、固定ネジを取り外します。次に測定部カバーを取り外します。

測定部カバー

ランプ用電池（測定部カバーの内側）測定部カバー
固定ネジ⑤電池ケースのスプリング側に電池のマイナスを合わせて、電池ケースに電池を入れます。

ランプ用電池⑥測定部カバーを閉じネジで固定します。

6

４．測定
4-1.準備①POWER スイッチが OFF になっている事を確認して下さい。
正面パネル
POWER スイッチ
OFF（下）②電源ケーブルを取り付けＡＣ１００Ｖ50/60Hz のコンセントに差し込んで下さい。
背面パネル
注意
電源コンセントよりアースを取って下さい。

電源ケーブル用③POWER スイッチを 0N にして下さい。次に RANGE スイッチを 10V に、MODE スイッチを WF＋にして下さい。
正面パネル
POWER スイッチON（上）10V（左）

WF フェルミ④30 分以上暖機して下さい。
⑤ＡＣ−２を立ち上げて下さい。
⑥顕微鏡のステージにより光軸を電極近傍が見える様に調節し、上下方向を固定ビスで固定してください。
視野は

顕微鏡

顕微鏡上下方向調節ハンドル及び上下方向

顕微鏡左右方向調節ハンドル

調節ハンドル
顕微鏡を用いて調節します。

上下方向

焦点は固定ビス

顕微鏡前後方向調節ハンドル
顕微鏡を用いて調節します。

左右方向
顕微鏡調節ハンドル

前後方向
調節ハンドル7（裏側）4-2.装置の校正
ＡＣ−２を用いて基準サンプル（金板）の仕事関数φAu を測定します。仕事関数の測定は、ＡＣ−２取扱説明書を参照して下さい。尚、この時は、ホルダーからピンセットを用いて取り出して、仕事関数を測定して下さい。
①Ｚステージを下げます。
Ｚステージ調節ハンドル上がる
下がる②基準サンプルを、仕事関数を測定した面（測定面）を上にしてホルダーに設置してサンプルステージに乗せてください。
この時、ホルダーは突き当たるまで奥に入れ、両端はサンプルステージに合わせて下さい。
基準サンプル 基準サンプルを入れる窪み基準サンプル
基準サンプル・ホルダー
サンプルステージと基準
サンプルステージ

サンプル・ホルダーとの両端をそろえる。

Ｚステージ
調節ハンドル

基準サンプル・ホルダー③顕微鏡で確認しながらグランド電極に基準サンプルが突き当たるまでＺステージを上に上げます。

グランド電極振動電極

この隙間が無くなるまでステージを上げる
基準サンプル
基準サンプル・ホルダー

測定時の顕微鏡視野

サンプル挿入時の顕微鏡視8④LED の数値が -φAu（φAu の符号をマイナスにした値）を表示するように CAL.ツマミを調節します。
ＣＡＬ．ツマミ

フェルミ準位は真空

１回転：１eV準位を０eV としてい-４.９２るので負の値です。

１目盛：0.01eV

ＡＣ−２を用いて測定した仕事関数φAu が４．９２eV の基準サンプルを用いた場合の表
示値⑤ステージを下げ、基準サンプル・ホルダーごと基準サンプルを取り出します。
⑥基準サンプルが基準サンプル・ホルダー上の窪みに入っている事を確認して下さい。次に、基準サンプルを動かさないように基準サンプルカバーを真上から静かにのせ、ネジで固定してください。
基準サンプルはデシケーター等、湿度の低い場所に保管して下さい。

基準サンプル

ネジ

基準サンプルを入れる窪み

基準サンプルの測定部（中央付近）を汚さない為の窪み

基準サンプル・カバー
基準サンプル・カバー
基準サンプル
基準サンプル・ホルダー
ネジ

上面図

基準サンプル・ホルダー 基準サンプル・カバー

測面図

（裏面）

測定時

サンプル保管時9

4-3.フェルミ準位の測定
注意①測定サンプルを規定の形状に形成します。

① 76×26mm 以下のサンプルは電極を破損する

推奨形状恐れがある為測定しないで下さい。
② 厚さが 5mm 以上あるサンプルはステージを破損す26mmる恐れがある為測定しないで下さい。
③サンプル表面が平坦なサンプル以外は電極を破損

厚さ：0.7〜1.5mm

76mm

する恐れがある為測定しないで下さい。

①測定サンプル上に粒子状のゴミが無い事を確認してください。ゴミがあった場合はブロワーで吹き飛ばして下さい。
②測定サンプルを、測定面を上にした状態で、ステージに乗せます。
測定部

ステージを下げ、ここに測定サンプルをサンプルを置きます

このφ10mm の円上に置く。

Ｚステージ調節ハンドル

サンプルステージ④測定サンプルの測定部位がステージの中央の測定部に来るように、測定サンプルの位置を調節します。
⑤顕微鏡を覗きながら、測定サンプルが突き当たるまでＺステージを上に上げます。たとえば、小型、平板状
ではない、柔らかい等、変則なサンプルを測定する場合は振動電極にサンプルが接触しないように注意して下さい。尚、サンプルが振動電極に衝突した場合、すぐにステージを下げ、校正をやり直して下さい。
Ｚステージ調節
ハンドル
上がる
下がる
この間隔は約 0.5mm です。
（レチクルの目盛で約 10 目盛）

グランド電極
この隙間が振動電極無くなるまで基準サンプル
サンプルステージ

測定時の顕微鏡視野（拡大図）

サンプル挿入時の顕微鏡視⑥この時、測定サンプルのフェルミ準位がＬＥＤに表示されます。
⑦ステージを下げ、測定サンプルを取り出します。

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4-4.測定の終了①サンプルが入っている場合は取出します。
②ランプが点灯している場合は、ランプスイッチを OFF にします。
③POWER スイッチを OFF にします。
④電源ケーブルをコンセントから抜きます。
⑤ソフトカバーをかけて湿度や温度差、ほこり等の少ない室内に保管します。
⑥基準サンプル（Au 板）はサンプル・ホルダーに入れて、デシケーターの内部などの低湿度の安定した環境で保管して下さい。

５．保守
注意：感電の恐れがあります。
保守作業は電源ケーブルを AC コンセントより抜いて行って下さい。
5-１.照明用ランプの電池交換①背面パネル上部の測定部カバー固定ネジを取り外し、カバーを上方に引き上げて取り外して下さい。

測定部カバー

ランプ用電池（測定部カバーの内側）測定部カバー
固定ネジ②単三電池２本を交換して下さい。

5-２.外側の清掃装置の外側は柔らかい布で乾拭きして下さい。水、洗剤、溶剤などは測定に影響を及ぼす事が有りますので、使用しないで下さい。

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６．原理
固体のフェルミ準位を測定する一般的な方法の一つにケルビン法があります。この方法はケルビンプローブと呼ばれる電位差計により接触電位差を測定し、この値よりフェルミ準位を求めます。
本項では接触電位差、ケルビンプローブ、フェルミ準位の測定について説明します。
6-1.接触電位差異なる導体を接触させると導体間で両者のフェルミ準位が一致するまで電荷の移動が起こります。平行状態
では、導体のフェルミ準位の差を電荷で割った分の電位差が発生します。この電位差が接触電位差です。この様子をバンド図で示します。
接触前

接触後
導体Ａ導体Ｂ導体Ａ電子が移動する。
＋−

導体Ｂ

真空準位

接触電位差ＶAB

真空準位 0-φA-φB

フェルミ準位-φA-φB
フェルミ準位

接触電位差ＶAB は次式により表されます。
ＶAB＝

φB−φA

e(ｅ:電荷)式１

ＶAB は電圧ですが、単位を eV とするとエネルギー量と一致するので、便宜上エネルギーと見なして
ＶAB＝−（φB−φA）

式２と書けます。
従って、ＶAB とφA が測定できれば、φB を求めることができます。

126-2.ケルビンプローブ
ケルビンプローブは接触電位差を測定できる電位計です。

導体Ａ

異種の導体Ａ，Ｂを図のように電気的に導通しコンデンサーの導体Ｂ両極として用います。電気的に導通したことにより、コンデンサ
ーの電極間には導体Ａ，Ｂのフェルミ準位の差に起因する接触電位差ＶAB が発生します。従ってコンデンサーにはコンデンサーの静電容量Ｃに比例する電気量が貯えられます。

ＶAB＋ＶE

更に、外部かＶE の電位差を与えれば、この時コンデンサーに貯えられる電気量Ｑは次式で表されます。
Ｑ＝Ｃ（ＶAB＋ＶE）

式３

さて、コンデンサーの静電容量は両極、すなわち導体Ａ，Ｂ間の距離に反比例します。

ＶE

従って、導体Ａを機械的に振動させれば、個々の電極に貯えらケルビンプローブれる電気量が変動する為に、導線には交流電流が発生します。
この交流電流はＶAB＋ＶE＝０の時には消滅します。

従って、導線を流れる交流電流が消滅する様にＶE が印可されるようにフィードバックをかけ、交流電流が消滅した時のＶE を測定すれば、接触電位差が測定できます。
ＦＡＣ−２では、振動する電極を基準電極とし、この電位を０Ｖとした時のサンプルの電位を測定します

6-3.フェルミ準位の測定
ケルビンプローブを用いてフェルミ準位を測定する為には、基準電極のフェルミ準位をまず測定しなければなりません。
基準電極のフェルミ準位は真空準位より基準電極の仕事関数φRef だけ低い位置に有ります。従ってＡＣ−２を用いて直接φRef を測定する方法が考えられます。
しかし、この方法は作業上面倒なので、実際には、基準サンプルを用います。
図のような記号で基準サンプル、基準電極、測定サンプルの接触電位差及び仕事関数を示します。

基準サンプル（Ａｕ） ――

測定サンプル

基準電極＋＋―＋＋―

真空準位＝０ eV

Ｖ Au

ＶS-φAu-φS-φRef

フェルミ準位＝−φＳ

式２を用いて図の基準電極と基準サンプルとの接触電位差ＶAu を基準電極の仕事関数φRef と基準サンプルの仕事関数φAu とで表わすと、
ＶAu＝−（φAu−φRef）

式４13

また、測定サンプルと基準電極との接触電位差ＶS を基準電極の仕事関数φRef と測定サンプルの仕事関数φSとで表すと、
Ｖs＝−（φs−φRef）

式５

これらの式より測定サンプルのフェルミ準位は真空準位を０eV として次式で表されます。
−φs＝Ｖs−φAu−ＶAu

式６サンプルをケルビンプローブで測定するばあいの測定値はＶs です。しかし、測定上はサンプルのフェルミ準位−φs を表示した方が便利です。そこで、ＦＡＣ−２は、校正電源を内蔵し、この電源の電圧をφRef に調節する事によりフェルミ準位が表示できる様になっています。
ＦＡＣ−２の表示値Ｘは校正電源の電圧をＶCAL とすると次式で表されます。
Ｘ＝Ｖs＋ＶCAL

式７

サンプルとして基準サンプル（Au）を用いると表示値Ｘは
Ｘ＝ＶAu ＋ＶCAL

式８4-2.装置の校正において、基準サンプル測定時の表示値を−φAu に調節した時のＶCAL は
Ｘ＝−φAu＝ＶAu ＋ＶCAL

式９∴ ＶCAL＝−φAu−ＶAu

式１０

校正後のサンプル測定時の表示値は式７に式１０を代入して式６と比較すると、
Ｘ＝Ｖs−φAu−ＶAu＝−φsとなります。従って、基準サンプルによる校正を行えば、ＦＡＣ−２でサンプルのフェルミ準位のエネルギーを直接読み取る事ができます。

７．仕様
測定方式：ケルビン法
測定エネルギー範囲：3.4〜6.2eV（仕事関数が 5eV の基準サンプルで校正した場合。）
測定時間：10 秒以下
繰返し再現性：±0.02eV 以下
使用温度範囲：10〜35℃
使用湿度範囲：60%RH 以下
電源：AC100V 50/60Hz
寸法：224(W)×315(H)×369(D)mm（標準寸法。H 及び D は顕微鏡位置により変動します。）
重量：約 12kg
８．付属品
取扱説明書

１単三乾電池（ランプ用）

２

保証書

１ヒューズ

１ソフトカバー

１ステージクリーニング棒

１顕微鏡キャップ

１電源ケーブル

１基準サンプル

１基準サンプル・ホルダー

１ピンセット

１

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保証規定
１．取扱説明書等に従った正常な使用状態で故障した場合は、お買い上げの日から１年間無料で修理いたします。
２．保証期間内でも次の場合には有料修理とさせていただきます。
(1) 誤ったご使用及びお取り扱いの不注意による故障。
(2) 弊社及び弊社サービス代理店以外で修理又は改造された場合の故障及び損傷。
(3) お買い上げ後の輸送、移動、落下、保管上の不備などによる故障及び損傷。
(4) 火災，地震，水害，その他の天災地変等の外部要因による故障及び損傷。
(5) 接続している他の機器に起因して生じた故障。
(6) 故障の原因が本製品以外にある場合。
(7) 指定外の使用条件でご使用された場合に生じた故障及び損傷。
(8) 消耗部品(電池・センサー等)及び付属品の交換。
(9) 保証書のご提示がない場合。
(10) 保証期間内の無料修理でも遠隔地への出張修理を行った場合は、出張旅費(実費)を申し受けます。
但し有料修理の場合、技術料、交換部品代、運賃、又は出張旅費(実費)を含む諸掛り等の費用は、お客様のご負担とさせていただきます。
(11) 本製品の外部信号出力を利用して、他の機器の制御に使用された場合等、他の目的にご使用になり生じた故障及び損傷、またこれに起因する損害(付随的損害等)の補償はいたしません。
(12) 保証期間の内外を問わず本製品をご使用することによって生じたいかなる事故及び損害の補償はいたしません。補償は製品及び部品の交換の保証範
囲に限ります。
(13) 保証書は日本国内においてのみ有効です。
※補修用性能部品の保有期間は、製造打ち切り後７年です。

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ＴＥＬ(０３)３９６６−１１１１(代)ＴＥＬ(０３)３９６６−１１１４(代)ＴＥＬ(０１１)７３３−７５０５(代)ＴＥＬ(０２２)２６１−１６６６(代)ＴＥＬ(０２９)２４８−６１５１(代)ＴＥＬ(０４８)５４８−８７１１(代)ＴＥＬ(０４３)２１４−３５６５(代)ＴＥＬ(０４２)３９７−６８１３(代)ＴＥＬ(０４４)３５５−８６３１(代)ＴＥＬ(０４６３)９２−６９７１(代)ＴＥＬ(０５３)４３７−９４２１(代)ＴＥＬ(０５２)４１１−３６３６(代)ＴＥＬ(０５９３)３３−７２２１(代)ＴＥＬ(０７６)２２６−８２４７(代)ＴＥＬ(０６)６３５０−５８７１(代)ＴＥＬ(０７８)２６１−３０３１(代)ＴＥＬ(０８２)８７５−４１５１(代)ＴＥＬ(０９２)６９１−６３７２(代)ＴＥＬ(０９６)２４２−５５２２(代)
新 潟 営 業 所
四 国 営 業 所
大 分 営 業 所