DE4124090A1 - Rastertunnelmikroskop - Google Patents
RastertunnelmikroskopInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastertunnelmikroskop
(scanning tunneling microskope = STM).
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Raster
tunnelmikroskop, welches in der Lage ist, optische Charakte
ristiken einer Probe zu messen und ein STM-Bild zu beobach
ten.
In der Vergangenheit wurde versucht, die optischen Charakte
ristiken und ein STM-Bild der Oberfläche einer Probe simul
tan zu messen und Daten zu erhalten, die sich auf den elek
tronischen Zustand, die Gittervibrationen etc. der Proben
oberfläche beziehen, wie beispielsweise die Struktur und die
Energiezustandsdichte.
Für diesen Zweck wurde beispielsweise ein optisches, mikro
skopintegriertes STM vorgeschlagen. In diesem STM wird ein
Meßfühler auf einer transparenten Platte befestigt und die
Zentralachse des Meßfühlers wird ausgerichtet, um mit der
optischen Achse eines optischen Probenbeobachtungssystemes
übereinzustimmen. Daher kann die Probenoberfläche mittels
des STMs beobachtet werden, während die Probenoberfläche
optisch durch die transparente Platte beobachtet wird.
Zusätzlich können, wenn ein Spektroskop bereitgestellt wird,
die optischen Charakteristiken der Probenoberfläche, wie
beispielsweise Absorption, Reflexion sowie Lichtemission
gemessen werden.
In dem optischen mikroskopintegrierten STM werden indessen,
wenn die optischen Charakteristiken der Probenoberfläche
analysiert werden, indem das Spektroskop oder ähnliches
verwendet wird, um die Wellenlängenauflösung zu verbessern,
nur gemittelte optische Charakteristiken des gesamten
optisch visuellen Feldes gemessen werden. Daher vermindert
sich die horizontale Auflösung des optischen Bildes erheb
lich. Darüberhinaus ist es nicht möglich, wenn die Proben
oberfläche optisch mit Licht angeregt wird, daß von einer
Objektivlinse emittiert wurde, und wenn ein sich ergebender
Tunnelstrom detektiert wird, optisch nur die Probenoberflä
che (in einem Bereich von ungefähr 10 nm2) neben dem Bereich
anzuregen, in dem der Tunnelstrom detektiert wird.
Neben der zuvor beschriebenen Möglichkeit wurde eine weitere
Vorrichtung vorgeschlagen, nämlich ein optisches Nahfeld-
Rastermikroskop (near-field optical-scanning microscope =
NFOSM). Das NFOSM wird im Detail in "J. Appl. Phys.," Vol.
59, No. 10, 15. May 1986, pp. 3318-3327 beschrieben. In
Fig. 3 dieses Dokuments ist das Prinzip dieser Vorrichtung
dargestellt. Eine Kristallspitze, welche ein Endteil mit
einem Krümmungsradius von 30 nm aufweist, wird gezeigt,
wobei dieses Ende der Spitze mit einem lichtdurchlässigen
Loch ausgestattet ist. Das Loch wird ausgebildet, indem die
Spitze mit Cr, Ag oder Al und dann mit Au beschichtet wird.
Nachfolgend wird die Spitze auf eine Glasoberfläche gepreßt.
Wenn ein Laserstrahl von dem anderen Endteil der Spitze ein
geführt wird, wird der Lichtstrahl durch das lichtdurchläs
sige Loch gebeugt und nach außen gestrahlt, während er sich
weitet. Gemäß dem NFOSM wird die Probe und das lichtdurch
lässige Loch hinreichend nah aneinander geführt und die
Probe wird beobachtet, indem das Beugungslicht beobachtet
wird. Verglichen mit einem optischen Mikroskop wird eine
höhere horizontale Auflösung (∼λ/20) erhalten. In dem NFOSM
wird ein STM für die Positionskontrolle in z-Richtung senk
recht zu der Probenoberfläche verwendet. Demnach kann bei
der Verwendung eines STM ein optisches Bild mit hoher hori
zontaler Auflösung (Absorption, Reflexion, Lichtemission)
sowie ein STM-Bild simultan erhalten werden.
Wenn optische Messungen und STM-Messungen der Probenoberflä
che unter Verwendung des NFOSM durchgeführt werden, wird
Licht durch das lichtdurchlässige Loch in den Endteil der
Spitze gestrahlt, wie in Fig. 5 des zuvor erwähnten Dokumen
tes dargestellt, während ein Tunnelstrom durch einen Au-Film
neben dem lichtdurchlässigen Loch fließt. Daher stimmt der
Ort der Detektion der optischen Charakteristiken nicht mit
dem Ort für die Detektion des STM-Bildes überein. Konsequen
terweise unterscheidet sich der Ort, in dem die Lichtanre
gung stattfindet, von dem Ort, an dem der Tunnelstrom detek
tiert wird, und es ist nahezu unmöglich, einen lichtangereg
ten Tunnelstrom zu detektieren.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage ist, die
optischen Charakteristiken einer Probe wie Absorption,
Reflexion und Lichtemission mit einer horizontalen Auflösung
von ungefähr 10 nm bis 100 nm zu messen und ein STM-Bild an
dem gleichen Ort zu messen, an dem auch die optischen Cha
rakteristiken gemessen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein
Rastertunnelmikroskop gemäß dem Anspruch 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 die Struktur eines Rastertunnelmikroskopes gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A bis 2D ein Verfahren zur Herstellung eines
Meßfühlers, der in einem Mikroskop verwendet wird,
das in Fig. 1 dargestellt ist;
Fig. 3 die Struktur eines Rastertunnelmikroskopes gemäß
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 4 die Struktur eines Rastertunnelmikroskopes gemäß
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
Fig. 5 Zeitdiagramme, die die Verhältnisse zwischen einem
anregenden Lichtpuls, einem Gattersignal, einem
Fotomultiplier-Eingangssignal und einem Ausgangs
signal des Fotomultipliers darstellen, mit fort
schreitender Zeit.
In der Zeichnung sind gegenwärtig bevorzugte Ausführungsfor
men der vorliegenden Erfindung dargestellt, die zusammen mit
der zuvor gegebenen, allgemeinen Beschreibung und der
detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
dazu dienen, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu
erläutern.
Die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden im fol
genden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Wie
in Fig. 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 10 eine statio
näre weiße Lichtquelle 12 auf, wie beispielsweise eine Wolf
ramlampe, eine Hockdruck-Quecksilberlampe, eine Schwarzkör
per-Strahlungsquelle oder eine Xenonlampe. Weißes Licht,
welches von der Lichtquelle 12 emittiert wird, trifft auf
ein Spektroskop 16, nachdem es durch eine Linse 14 hindurch
getreten ist. Das Licht von dem Spektroskop 16 wird durch
eine Linse 18 gebündelt und in einen Endteil einer optischen
Faser 20 eingeführt. Das andere Endteil der optischen Faser
20 wird mit einem Meßfühler verbunden, um simultan eine
NFOSM-Messung und eine STM-Messung durchzuführen. Der
Meßfühler 22 wird beispielsweise derart ausgebildet, daß ein
spitz zulaufendes Spitzenteil der Faser 20 mit einem total
reflektierenden Film 24 und einem transparenten elektrisch
leitenden Film 26 beschichtet wird.
Ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des Meßfüh
lers 22 wird nun im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2A
bis 2D beschrieben. Ein Endteil der Quarzfaser 20
wird mit Flußsäure geätzt. Als Ergebnis ergibt sich ein
Spitzenteil mit einem spitz zulaufenden Ende, wie in Fig. 2A
dargestellt. Es ist wünschenswert, daß das Spitzenteil
konisch zuläuft, und zwar mit einem Krümmungsradius von
ungefähr 10 nm, so daß es sich effektiv als ein Lichtemis
sionsende für NFOSM-Messungen eignet. Nachfolgend wird, wie
in Fig. 2B dargestellt, während sich die Faser 20 dreht, Al
auf die Seitenoberfläche der Faser 20 mittels eines Vakuum
verfahrens aufgebracht. Als ein Ergebnis wird der total
reflektierende Film 24 auf die Seitenoberfläche der Faser
aufgebracht, die wenigstens den konisch zulaufenden Endteil
umfaßt. In diesem Fall sollte aufgepaßt werden, Al nicht auf
den Spitzenteil der Faser 20 aufzubringen. Die optische
Faser 20 und eine Maske 28 mit einer kreisförmigen Öffnung
oberhalb des Spitzenteiles der Faser 20 werden anschließend
in einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung angeordnet. Wie in
Fig. 2C dargestellt, wird ITO auf die Faser 20 von oberhalb
der Maske 28 aufgebracht. Das Aufbringen wird fortgesetzt,
bis die Öffnung der Maske 28 mit ITO verschlossen ist, wie
in Fig. 2D dargestellt. Auf diese Art und Weise wird der
konisch transparente leitende Film 26, welcher ein spitz
zulaufendes Spitzenteil aufweist, auf dem Spitzenteil der
Faser 20 ausgebildet. Der so erhaltene Meßfühler 22 weist
daher ein lichtdurchlässiges Loch mit einem Durchmesser von
ungefähr 10 nm an seinem spitzen Ende auf. Das Licht, wel
ches durch die optische Faser 20 wandert, wird durch das
lichtdurchlässige Loch emittiert.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Meßfühler 22 mittels
eines Metallrahmens 30 an einem zylindrischen piezoelektri
schen Stellglied 32 befestigt. Das Stellglied 32 ist vom
konventionellen Typ und wird betrieben, um den Meßfühler 22
dreidimensional in verschiedene Richtungen fein zu bewegen.
Das Stellglied 32 wird mittels eines Pulsmotors oder eines
DC-Motors betrieben und von einem Grobbewegungsmechanismus
34 getragen, der in z-Richtung beweglich und auf einem
Metallgehäuse 36 befestigt ist. Ein Probentisch 40 zum Tra
gen der Probe 38 weist in seinem zentralen Teil eine Öffnung
oder eine zentrale Platte zum Übermitteln von Licht auf. Ein
fotoelektrisches Übertragungselement 44, wie beispielsweise
ein Fotomultiplier, eine Fotodiode oder eine PIN-Fotodiode
wird unterhalb des Probentisches 40 angeordnet und mittels
eines Linsensystems 42 beleuchtet, welches durch die Probe
38 hindurchgetretenes Licht sammelt. Das fotoelektrische
Übertragungselement 44 ist mit einer Anzeige 50 verbunden,
wie beispielsweise einem Videomonitor oder einer Kathoden
strahlröhre (CRT), und zwar über einen Signalprozessor 46.
Die Anzeige 50 zeigt die Ergebnisse der NFOSM-Messung an.
Die Vorrichtung 10 weist einen Tunnelstromdetektor 49 und
einen Treiberschaltkreis 48 auf. Der Tunnelstromdetektor 49
legt eine Spannung über den Meßfühler 22 und die Probe 38
und detektiert einen Tunnelstrom, der über den Meßfühler 22
und die Probe 38 fließt. Der Treiberschaltkreis 48 erlaubt
dem zylindrischen piezoelektrischen Stellglied 32 den
Meßfühler 22 in xy-Richtungen parallel zu der Probenoberflä
che zu bewegen, und steuert die z-Position des Meßfühlers 22
auf der Grundlage des Ausgangs des Tunnelstromdetektors 49.
Der Treiberschaltkreis 48 ist ebenfalls mit der Anzeige 50
über den Signalprozessor 46 verbunden. Die Anzeige 50 zeigt
ein STM-Bild, welches auf der Grundlage der Spannung gebil
det wird, die von dem Treiberschaltkreis 48 an das zylindri
sche piezoelektrische Stellglied 32 angelegt wird.
Im folgenden wird beschrieben, wie eine Messung gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Während eine vorher
bestimmte Spannung zwischen dem Meßfühler 22 und der Probe
38 mittels des Tunnelstromdetektors 49 gemessen wird, wird
der Meßfühler 22 an die Probe 38 mittels dem Grobbewegungs
mechanismus 34 in z-Richtung herangeführt. Unmittelbar nach
dem ein Tunnelstrom über den Meßfühler 22 und die Probe 38
zu fließen beginnt, wird der Mechanismus 34 für die Grobbe
wegung gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Tunnelstrom
zwischen der Probe 38 und der Spitze (d. h. einem Spitzen
teil des transparenten leitenden Filmes 26) des Meßfühlers
22. Nachfolgend wird unter Verwendung des Treiberschaltkrei
ses 48 eine vorherbestimmte Spannung an eine Treiberelek
trode (nicht dargestellt) des zylindrischen piezoelektri
schen Stellgliedes 32 angelegt und der Meßfühler 22 wird in
xy-Richtung über die Oberfläche der Probe 38 geführt. Wäh
rend dieses Vorganges justiert der Treiberschaltkreis 48 die
Treiberspannung für das piezoelektrische Stellglied 32, um
den Tunnelstrom, welcher mittels des Tunnelstromdetektors 49
detektiert worden ist, konstant zu halten, und führt eine
Rückkopplungssteuerung der Position des Meßfühlers 22 in z-
Richtung durch. Im Laufe dieser sequentiellen Operationen
wird das STM-Bild der Probe 38 mittels des Signalprozessors
46 auf der Grundlage der Spannung, die an das Stellglied 32
angelegt wird, konstruiert und das STM-Bild wird auf der
Anzeige 50 angezeigt. Auf der anderen Seite trifft, während
der Meßfühler 22 in xy-Richtung geführt wird, das Licht für
die NFOSM-Messung von der Lichtquelle 12 auf die optische
Faser 20 auf. Das in die Faser 20 eingeführte Licht wird auf
die Probe 38 gestrahlt, während es von dem lichtdurchlässi
gen Loch an dem Ende des Meßfühlers 22 gebeugt wird. Das
Licht, das durch die Probe 38 hindurchtritt, wird auf das
fotoelektische Übertragungselement 44 gestrahlt. Auf der
Grundlage des auf das Übertragungselement 44 gestrahlten
Lichtes werden NFOSM-Bilder erzeugt, die die Lichtabsorption
der Probe und/oder Lichtemissionen von der Probe darstellen,
und zwar unter Verwendung des Signalprozessors 46, und auf
der Anzeige 50 angezeigt.
Gemäß dieser Vorrichtung 10 ist der Meßfühler 22 mit einem
spitz zulaufenden Spitzenteil ausgestattet, welcher aus
einem transparenten leitenden Film 26 gebildet wurde und der
Tunnelstrom fließt über diesem Spitzenteil. Daher stimmt der
Ort der NFOSM-Messung mit dem der STM-Messung überein. Daher
können die lokalen optischen Charakteristiken der Probe
zusammen mit der STM-Messung ermittelt werden, und die räum
lichen Störungen von verschiedenen optischen Charakteristi
ken können gemessen werden.
Darüberhinaus kann gemäß der Vorrichtung 10 die Wellenlänge
des Anregungslichtes, welches von der Lichtquelle 12 ausge
strahlt wird, variabel gehalten werden und die räumliche
Verteilung des Absorptionsspektrums und des Lichtemissions-
Anregungsspektrums der Probe 38 können gemessen werden.
Zusätzlich kann, indem das von der Probe 38 emittierte Licht
mit einem Spektroskop vermessen wird, die räumliche Vertei
lung des Lichtemissions-Spektrums gemessen werden. Indem ein
Tunnelstrom gemessen wird während Anregungslicht abgestrahlt
wird, kann eine STM-Messung, basierend auf einem Tunnel
strom, durchgeführt werden, der aufgrund der Lichtanregung
eintritt. Indem man die Wellenlänge des Anregungslichtes
sukzessive verändert, kann man die räumliche Verteilung des
Tunnelstromes, die der des Anregungsspektrums entspricht,
messen. Darüberhinaus können auf der Grundlage von Licht
emissionen lokale STS- (scanning tunneling spectroscopy)
Messungen und STP- (scanning tunneling potentiometry) Mes
sungen durchgeführt werden, indem der Tunnelstrom überwacht
wird, während man den Strom regelt, den man an den Meßfühler
22 und die Probe 38 anlegt oder während man einen Span
nungsgradienten an die Probe 38 anlegt.
Wenn ein mechanischer Chopper für intermittierendes Licht
zwischen der Linse 18 und der optischen Faser 20 bereitge
stellt wird, kann man die Lichtabsorption und die Lichtemis
sion der Probe 38 simultan messen. In diesem Fall wird ein
fotoelektrisches Übertragungssignal in einen Lock-In-Ver
stärker in Synchronisation mit dem Zyklus des intermittie
renden Lichtes geführt. In diesem Fall ist das fotoelektri
sche Signal, welches sich in Phase mit dem intermittierenden
Licht befindet das Lichtabsorptionssignal, welches die
Lichtabsorption der Probe darstellt, und das fotoelektrische
Signal, welches sich nicht in Phase mit dem intermittieren
den Licht befindet, das Lichtemissionssignal (welches eine
Lichtkomponente darstellt, die eine vergleichsweise lange
Lichtemissions-Lebensdauer hat). Die Lichtemissions-Lebens
dauer der Probe kann aus der Phasendifferenz zwischen dem
Anregungslicht und dem emittierten Licht abgeschätzt werden.
Es ist möglich, als ein fotoelektrisches Übertragungselement
ein Lichtmeßsystem zu verwenden (beispielsweise das simul
tane Lichtmeßsystem, welches von HAMAMATSU PHOTONICS, CO.
hergestellt wird), welches aus einer Kombination eines opti
schen Gitters und eines Diodenarrays erster Ordnung gebildet
wird. Dadurch können emittierende Lichtkomponenten mit ver
schiedener Wellenlänge simultan detektiert werden.
Wenn die Wellenlängencharakteristik nicht so wichtig ist,
oder wenn das Licht, das durch die Probe hindurchtritt,
intensiv ist, muß das Linsensystem 42 nicht bereitgestellt
werden; stattdessen kann das fotoelektrische Übertragungs
element 44 unmittelbar an die hintere Oberfläche der Probe
oder um sie herum angeordnet werden. In diesem Fall können,
indem ein zweidimensionaler Lichtsensor direkt an der hinte
ren Oberfläche befestigt wird, die räumliche Verteilung der
Lichtemission selbst gemessen werden, und Daten bezüglich
der Diffusion der Anregung, wie sie während der Anregung der
Probe auftreten, können erhalten werden.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Mit der zuvor beschriebenen Ausfüh
rungsform gemeinsame strukturelle Elemente sind mit identi
schen Bezugszeichen versehen, auf ihre Beschreibung wird
verzichtet. In dieser Ausführungsform wird die Beobachtung
der STM-Bilder in der zuvor beschriebenen Art und Weise
durchgeführt, auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
Gemäß dieser Ausführungsform weist ein Probentisch 40 eine
transparente Platte 41 auf, die aus Glas oder Quarz herge
stellt ist. Eine Probe 38 ist auf der transparenten Platte
41 angeordnet. Die Oberfläche der transparenten Platte 41
kann mit einer transparenten Elektrode aus ITO etc.
beschichtet sein, wobei die an die Probe anzulegende Span
nung zu berücksichtigen ist. Ein Metallrahmen 30 zum Halten
des Meßfühlers 22 weist einen konkaven Spiegel 31 auf der
Oberfläche auf, die der Probe 38 gegenüberliegt. Der Brenn
punkt des konkaven Spiegels 31 liegt auf einem fotoelektri
schen Übertragungselement 44. Gemäß dieser Ausführungsform
wird Licht (und von der Probenoberfläche emittiertes Licht),
welches von der Spitze des Meßfühlers 22 emittiert und von
der Oberfläche der Probe 38 reflektiert worden ist, von der
konkaven Oberfläche 31 reflektiert. Das reflektierte Licht
tritt durch den Randteil der transparenten Platte 41 um die
Probe 38 herum hindurch und wird auf das fotoelektrische
Übertragungselement 44 fokussiert. Das Signal des Übertra
gungselementes 44 wird mittels eines Signalprozessors 46
verarbeitet und ein NFOSM-Bild wird auf einer Anzeige 50
angezeigt.
Gemäß der Vorrichtung dieser Ausführungsform ist es möglich,
die räumliche Verteilung des Reflexionsspektrums von Licht
zu messen, das von der Probenoberfläche emittiert wurde,
sowie die räumliche Verteilung des Lichtemissionsspektrums,
das von der Probenoberfläche reflektiert worden ist. In
diesem Fall kann, wenn man das Reflexionsspektrum der
Kramers-Kronig-Konversion aussetzt, das Absorptionsspektrum
der Probenoberfläche bestimmt werden. Das Absorptionsspek
trum ist effektiver als das Transmissions-Absorptionsspek
trum für den Fall, in dem die Probe einen hohen Absorptions
koeffizienten aufweist. Verglichen mit dem Lichtemissions
spektrum, welches erhalten wird, indem man das Licht verwen
det, das durch die Probe hindurchgetreten ist, kann der
Reabsorptionseffekt durch die Probe vernachlässigt werden
und ein Spektrum kann erhalten werden, welches dem innewoh
nenden Lichtemissionsspektrum des Materials näher kommt.
Das in Fig. 3 dargestellte optische System, welches ausge
legt ist, um Reflexionslicht von der Probenoberfläche zu
detektieren, ist in der Lage, ein schwaches Tunnelemissions
licht zu beobachten, das auf der Probenoberfläche detektiert
wurde. In diesem Fall kann nicht nur das einfache Tunnel
emissionslicht detektiert werden, sondern auch das durch das
Bestrahlungslicht der Probe angeregte Tunnelemissionslicht.
Das Verfahren zum Detektieren des Tunnelemissionslichtes mit
hoher Genauigkeit wird im folgenden beschrieben. In Fig. 3
sind die xy-Koordinaten des Meßfühlers 22 fest. Eine DC-Vor
spann-Spannung wird an die Probe 38 angelegt. Wenn ein Tun
nelstrom detektiert wird, wird der Servoschaltkreis angehal
ten und die Position in z-Richtung des Meßfühlers 22 wird
fixiert. Nachfolgend wird eine Rechteck-Vorspann-Spannung an
die Probe angelegt und ein Tunnelemissionslicht-Signal, wel
ches mit der Vorspann-Spannung synchronisiert ist, wird mit
tels eines Lock-In-Verstärkers detektiert. Diese Operation
wird an jedem Punkt auf der Probenoberfläche wiederholt,
während der Meßfühler 22 bewegt wird. Dadurch wird die räum
liche Verteilung des Tunnelemissionslichtes mit hoher Präzi
sion gemessen. Darüberhinaus kann, wenn das von der Probe
emittierte Licht mittels eines Spektroskopes gemessen wird,
die räumliche Verteilung des Tunnelemissionslichtes mit
hoher Präzision bestimmt werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, welche in der Lage ist, die zuvor erwähnte Emis
sionslicht-Lebensdauer direkt zu messen. Die grundlegende
Struktur dieser Ausführungsform ist der von der Ausführungs
form von Fig. 1 ähnlich. Daher werden nur die abweichenden
Elemente beschrieben. In dieser Ausführungsform wird ein
modegelockter YAG-Laser als Lichtquelle 12 verwendet. Eine
Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 52, welche in der Lage ist,
eine zweite oder eine dritte Hochfrequenz zu erzeugen, ist
auf der hinteren Stufe der Lichtquelle 12 bereitgestellt.
Das Licht von der Quelle 12 wird zu Licht geringerer Wellen
länge konvertiert. Ein abstimmbarer Farbstofflaser (DYE-
Laser) 54, welcher in der Lage ist, Strahlung mit variabler
Wellenlänge zu erzeugen, wird auf der hinteren Stufe der
Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 52 angeordnet. Dadurch werden
Anregungslichtpulse mit variabler Wellenlänge einer Puls
breite im Sub-Nanosekundenbereich wiederholt erzeugt und in
die optische Faser 20 eingeführt.
Ein Raumfilter 56 zum räumlichen Ausscheiden von Anregungs
licht ist zwischen der Probe 38 und dem Linsensystem 42
bereitgestellt. Ein zentraler Bereich von ungefähr
50 Mikrometern des Raumfilters 56 dient als optische Falle
und absorbiert den Großteil des Anregungslichtes. Daher ist
der Großteil des Lichtes, das durch den Raumfilter 56 hin
durchgetreten ist, eine Emissionslichtkomponente. Diese Emis
sionslichtkomponente trifft über ein spektroskopisches
System etc. auf ein fotoelektrisches Übertragungselement 44.
In diesem Fall wird als ein Konversionselement 44 ein Foto
multiplier mit einem Gatterschaltkreis verwendet. Nur wenn
ein Gattersignal von einem Gattersignalgenerator an den
fotoelektrischen Vervielfacher angelegt wird, wird eine
Spannung an die erste Stufenelektrode des Fotomultipliers
angelegt und ein fotoelektrischer Übertragungsausgang wird
erzeugt. Als ein Ergebnis wird eine Anregungslichtkomponente
und eine Lichtemissionskomponente zeitlich separiert. In
diesem Fall wird der Gattersignalgenerator 58 derart
justiert, daß das Gatter geöffnet wird, unmittelbar nachdem
(beispielsweise 1 µs später) der Anregungslichtpuls eingege
ben wird, wie in dem Zeitdiagramm gezeigt, das in Fig. 5
dargestellt ist. Das erhaltene fotoelektrische Übertragungs
signal (d. h. das Signal der Emissionslichtkomponente) wird
mit der Laseroszillation synchronisiert und über eine Wel
lenform-Speichereinrichtung 62 oder einen A/D-Wandler an
einen Computer 62 angelegt.
Es ist wohlbekannt, daß die Wellenform des fotoelektrischen
Übertragungsausganges des Multipliers, das durch das Gatter
signal abgeleitet wird, gegeben ist durch,
I (t) = I0 exp (-t/τ),
wobei I (t) die Wellenform eines fotoelektrischen Übertra
gungsschaltkreises des Emissionslichtes und I0 der Anfangs
wert des Ausganges ist.
Aus der obigen Gleichung kann die Emissionslicht-Lebensdauer
τ errechnet werden.
Gemäß dieser Vorrichtung kann die Zeitabhängigkeit der Emis
sionslichtintensität in den Fällen gemessen werden, in denen
die Probe mittels eines pulsähnlichen Anregungslichtes ange
regt wird, wodurch Daten erhalten werden, die sich auf die
Relaxation der angeregten Zustände (der Emissionslicht-
Lebensdauer) beziehen.
Darüberhinaus kann mittels Fühlen des Meßfühlers in der xy-
Ebene die räumliche Verteilung der Emissionslicht-Lebens
dauer gemessen werden.
Gemäß der in Fig. 4 gezeigten Struktur wird das Tunnelstrom
signal in einer Wellenform-Speichereinrichtung 60 in Syn
chronisation mit der Laseroszillation der Lichtquelle 12
aufgenommen. Dabei wird die Zeitabhängigkeit der Tunnel
stromintensität zu der Zeit der Anregung der Probe durch die
Lichtpulse gemessen. Demnach können Daten erhalten werden,
die sich auf die relaxierten Zustände der Ladungen beziehen,
die mit der elektrischen Leitfähigkeit verbunden sind, oder
auf die räumliche Verteilung der relaxierten Zustände der
Ladung.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschrie
benen Ausführungsformen begrenzt, verschiedene Änderungen
und Modifikationen können durchgeführt werden ohne den
Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können
bezüglich des Verfahrens zur Herstellung des Meßfühlers 22
auch optische Fasern verwendet werden, die nicht aus Quarz
glas bestehen. Beispielsweise kann stattdessen eine Multi
komponenten-Glasfaser oder eine Plastikglasfaser verwendet
werden. Jeder Typ von Faser, welcher in der Lage ist, Wellen
zu führen, die die Wellenlänge des Lichtes haben, das von
der Lichtquelle emittiert wird, kann verwendet werden. Der
zugespitzte Spitzenteil der optischen Faser 20 kann auch
mittels mechanischer Poliertechniken hergestellt worden
sein. Das Material des Reflexionsfilmes 24 ist nicht auf Al
begrenzt, Cr, Ag, Au, etc. können gleichfalls verwendet wer
den, solange der Film in der Lage ist, Licht der Wellenlänge
zu emittieren, das von der Lichtquelle emittiert worden ist.
Nicht nur ITO sondern auch SnO2 etc. können als Material für
den transparenten elektrisch leitenden Film verwendet wer
den, solange das Material die Wellenlängen übermitteln kann,
die den Wellenlängen des Lichtes von der Lichtquelle 12 ent
sprechen und solange es eine elektrische Leitfähigkeit auf
weist. Darüberhinaus kann der totalreflektierende Film 24
und der transparent leitende Film 26 auf die Seitenoberflä
che der optischen Faser 20 in umgekehrter Reihenfolge lami
niert sein.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß von einer
Lichtquelle 12 emittiertes weißes Licht über eine Linse 14
auf ein Spektroskop 16 trifft. Das Licht von dem Spektroskop
16 wird mittels einer Linse 18 konvergiert und auf ein Ende
einer optischen Faser 20 geführt. Das andere Ende der Faser
20 ist mit einem Meßfühler 22 ausgestattet. Der Meßfühler 22
weist ein zugespitztes Endteil auf, welches mit einem total
reflektierenden Film 24 und einem transparenten, elektrisch
leitenden Film 26 beschichtet ist. Der Meßfühler 22 ist mit
tels eines Metallrahmens 30 auf einem zylindrischen piezo
elektrischen Stellglied 32 befestigt. Auf diese Art und
Weise kann der Meßfühler 22 entlang der Oberfläche einer
Probe geführt und die Entfernung zwischen dem Meßfühler 22
und der Oberfläche der Probe geregelt werden. Das von der
Spitze des Meßfühlers 22 emittierte Licht wird durch die
Probe 38 hindurchgeführt, mittels eines Linsensystems 42
fokussiert und auf ein fotoelektrisches Übertragungselement
44 geleitet. Der Ausgang des fotoelektrischen Übertragungs
elementes 44 wird mittels eines Signalprozessors 46 verar
beitet und das so verarbeitete Ergebnis wird auf einer
Anzeige 50 angezeigt. Ein Treiberschaltkreis 48 führt den
Meßfühler 22 entlang der Oberfläche der Probe und steuert
die Entfernung zwischen dem Meßfühler 22 und der Probe beim
Empfang eines Tunnelstroms. Der Ausgang des Treiberschalt
kreises 48 wird mittels des Signalprozessors 46 verarbeitet
und ein STM-Bild wird auf der Anzeige 50 angezeigt.
Weitere Vorteile und Modifikationen werden dem Fachmann nach
dem Studium der Beschreibung zusammen mit den Patentansprü
chen klar werden. Daher ist es beabsichtigt, die Erfindung
in ihren breiteren Aspekten nicht auf die spezifischen
Details und beispielhaften Einrichtungen zu begrenzen, wie
sie zuvor diskutiert worden sind. Verschiedene Modifikatio
nen können durchgeführt werden, ohne den Gegenstand der
Erfindung sowie das allgemeine erfinderische Konzept zu ver
lassen, wie es durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.
Claims (8)
1. Rastertunnelmikroskop mit:
einem Meßfühler 22, welcher ein spitz zulaufendes End teil, einen Lichteinfallsbereich und ein Lichtausbrei tungsmedium mit einem Lichtemissionsteil an der Spitze des spitz zulaufenden Endteiles aufweist, wobei der Lichtemissionsteil dem einfallenden Licht erlaubt, emittiert zu werden;
einer elektrisch leitenden Schicht, welche neben dem spitz zulaufenden Endteil bereitgestellt ist;
einer Lichtquelle (12);
Führungsvorrichtungen (14, 16, 18) zum Führen des Lichtes von der Lichtquelle zu dem Lichteinfallsbereich des Meßfühlers;
Abtastvorrichtungen (32) zum Tragen des Meßfühlers in der Nähe einer Probe, wobei Licht von dem Lichtemis sionsteil auf die Probe gestrahlt wird und zum Führen des Meßfühlers entlang der Oberfläche der Probe;
einem fotoelektrischen Übertragungselement (44), wel ches das Licht von der Probe empfängt;
Tunnelstrom-Detektionsvorrichtungen (49) zum Anlegen einer Spannung über den Meßfühler und der Probe, und zum Detektieren eines Tunnelstromes, welcher über den Meßfühler und die Probe fließt;
Steuervorrichtungen (48) zum Steuern der Entfernung zwischen der Spitze des Meßfühlers und der Oberfläche der Probe; und
Meß-/Anzeigevorrichtungen (46, 50) zum Messen der opti schen Charakteristiken der Probe auf der Grundlage des Ausgangs des fotoelektrischen Übertragungselementes, wobei eine Feinkonfiguration und elektrische Charakte ristiken der Oberfläche der Probe auf der Grundlage des Ausganges aus den Tunnelstrom-Detektionsvorrichtungen gemessen werden, und wobei die gemessenen Ergebnisse angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht einen transparenten elektrischen Leiter (26) mit einem optisch transparen ten, spitz zulaufenden Spitzenteil aufweist, durch den Licht von dem Lichtemissionsteil hindurchtritt.
einem Meßfühler 22, welcher ein spitz zulaufendes End teil, einen Lichteinfallsbereich und ein Lichtausbrei tungsmedium mit einem Lichtemissionsteil an der Spitze des spitz zulaufenden Endteiles aufweist, wobei der Lichtemissionsteil dem einfallenden Licht erlaubt, emittiert zu werden;
einer elektrisch leitenden Schicht, welche neben dem spitz zulaufenden Endteil bereitgestellt ist;
einer Lichtquelle (12);
Führungsvorrichtungen (14, 16, 18) zum Führen des Lichtes von der Lichtquelle zu dem Lichteinfallsbereich des Meßfühlers;
Abtastvorrichtungen (32) zum Tragen des Meßfühlers in der Nähe einer Probe, wobei Licht von dem Lichtemis sionsteil auf die Probe gestrahlt wird und zum Führen des Meßfühlers entlang der Oberfläche der Probe;
einem fotoelektrischen Übertragungselement (44), wel ches das Licht von der Probe empfängt;
Tunnelstrom-Detektionsvorrichtungen (49) zum Anlegen einer Spannung über den Meßfühler und der Probe, und zum Detektieren eines Tunnelstromes, welcher über den Meßfühler und die Probe fließt;
Steuervorrichtungen (48) zum Steuern der Entfernung zwischen der Spitze des Meßfühlers und der Oberfläche der Probe; und
Meß-/Anzeigevorrichtungen (46, 50) zum Messen der opti schen Charakteristiken der Probe auf der Grundlage des Ausgangs des fotoelektrischen Übertragungselementes, wobei eine Feinkonfiguration und elektrische Charakte ristiken der Oberfläche der Probe auf der Grundlage des Ausganges aus den Tunnelstrom-Detektionsvorrichtungen gemessen werden, und wobei die gemessenen Ergebnisse angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht einen transparenten elektrischen Leiter (26) mit einem optisch transparen ten, spitz zulaufenden Spitzenteil aufweist, durch den Licht von dem Lichtemissionsteil hindurchtritt.
2. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Lichtausbreitungsmedium eine optische
Faser (20) ist, welche ein spitz zulaufendes Spitzen
teil aufweist.
3. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht
eine Reflexionsschicht (24) aufweist, welche auf der
peripheren Oberfläche des Lichtausbreitungsmediums
bereitgestellt ist, wobei die Reflexionsschicht Licht
reflektiert, welches von innerhalb des Lichtausbrei
tungsmediums nach außerhalb wandert.
4. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß es des weiteren
ein optisches Element aufweist, welches Konjugations
punkte an einem Teil der Probe (38), bei der Spitze des
Meßfühlers (22) und dem fotoelektrischen Übertragungsele
ment (44) hat.
5. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das optische Element ein konkaver Spiegel
(31) ist.
6. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lichtquelle (12) ein pulsgetriebener
Laser ist, wobei das Mikroskop ein wellenlängenselek
tives Element aufweist und das fotoelektrische Übertra
gungselement (44) in Synchronisation mit den Pulsen
getrieben wird.
7. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß es des weiteren enthält:
eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (54) zum Erzeugen einer Hochfrequenz einer Emissionslichtwellenlänge.
eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (54) zum Erzeugen einer Hochfrequenz einer Emissionslichtwellenlänge.
8. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wellenlängenselektive Element ein
abstimmbarer Farbstofflaser (54) ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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