DE69026314T2

DE69026314T2 - Tunnelspektroskop und Verfahren zur Gewinnung von spektroskopischer Information

Info

Publication number: DE69026314T2
Application number: DE69026314T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Sendai-Shi Miyagi-Ken Mikoshiba; Seizo Iwate-Ken Morita; Takao Hachioji-Shi Tokyo Okada; Akira Kanagawa-Ken Yagi
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: EP0408009A2; EP0408009A3; JPH0343944A; US5025153A; DE69026314D1; JP2916167B2; EP0408009B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raster- Tunnelmikroskop (STM), das in der Lage ist, die Form der Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Probe mit einer atomaren Auflösung unter Ausnutzung des Tunneleffektes von Elektronen zu bestimmen, und ein Verfahren zur Gewinnung spektroskopischer Information.
Bei dem STM wird ein STM-Bild einer Probe durch Abtasten mit einer spitzen Sonde gewonnen, während ein lokal zwischen der Probe und dem Ende der Spitze fließender Tunnelstrom konstant gehalten wird.
Das STM-Bild enthält zwei Arten von Information einschließlich mikroskopischer Rauheit der Probenoberfläche und mikroskopischer Variation der physikalischen Eigenschaften von Elektronen darin. Deshalb wird, wenn letztere Information für die Probe konstant ist, das STM- Bild die Unebenheit der Probenoberfläche darstellen. Ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes, das die Verteilung der elektronischen physikalischen Eigenschaften auf der Probenoberfläche angibt, während die Sonde vom STM gesteuert wird, wird als Raster-Tunnelspektroskopie bezeichnet.
Wenn eine Sonde mit einer Spitze in einem Abstand von ungefähr 10 Å von der Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Probe mit einer an die Probenoberfläche angelegten Vorspannung VT angesetzt wird, beginnt ein Tunnelstrom IT zu fließen.
Im STM kann ein die Oberflächenbedingungen der Probe wiedergebendes STM-Bild durch Rastern der Sonde über eine zur Oberfläche dieser Probe parallelen XY-Ebene, bei dem die Sonde mit einer Servosteuerung so in Z-Richtung fein bewegt wird, daß der Tunnelstrom unverändert gehalten wird, und durch Aufzeichnen der Bewegung der Sonde in der Z- Richtung erhalten werden. Der Tunnelstrom IT zeigt hinsichtlich des Abstandes S zwischen der Sonde und der Probe die folgende exponentielle Funktion:
wobei B einen numerischen Koeffizienten (ungefähr 1,025/Å [eV] bezeichnet, RT bezeichnet einen Tunnelwiderstand, φ bezeichnet die Höhe einer Tunnelbarriere (φ = (φ&sub1; + φ&sub2;)/2, φ&sub1; ist eine Austrittsarbeit der Sonde und φ2 ist eine Austrittsarbeit der Probe). Die Höhe φ der Tunnelbarriere für die saubere Metalloberfläche ist ungefähr 1 bis 5 eV, und der Tunnelstrom IT kann um eine Stelle gemäß der Gleichung (1) variieren, wenn sich der Abstand S um 1 Å ändert. Im STM erfolgt eine Servo-Funktion zum Konstanthalten des Tunnelstromes durch Verwendung der Variation im Tunnelstrom IT zum Bestimmen von Veränderungen im Abstand 5 zwischen der Sonde und der Probe und durch Feinbewegung der Sonde oder der Probe in Z-Richtung mit dem Feinbewegungselement eines piezoelektrischen Elements zum Regeln des Abstandes S. Der Regelmechanismus kann eine Genauigkeit von weniger als 1 Å erreichen, und es kann ein dreidimensionales mikroskopisches oder STM-Bild von atomarer Größenordnung durch Aufzeichnen einer Regeispannung und der Bewegung der Sonde in XY-Richtung erzielt werden.
In dem Fall, wenn eine Probe verwendet wird, sodaß die Höhe φ der Tunnelbarriere und der Tunnelwiderstand RT, die in der Gleichung (1) auftreten, unabhängig von der gewählten Position sind, wird das abgeleitete STM-Bild die Unebenheit der Probenoberfläche darstellen.
In vielen zu untersuchenden Proben tendieren jedoch die Höhe φ der Tunnelbarriere und der Tunneiwiderstand RT dazu, lokal zu variieren. Das STM-Bild solcher Proben enthält Information über die Unebenheit der probenoberfläche und Information über den Unterschied des Energiezustandes von Tunnelelektronen an unterschiedlichen Orten.
Als Verfahren zum Trennen dieser Informationsinhalte des STM-Bildes wird ein Verfahren (Methode des differentiellen Wirkleitwertes) zur Gewinnung der zustandsdichteverteilung für Elektronen und Phononen auf der Basis der Abhängigkeit des Tunnelstroms IT von der Vorspannung VT, wie etwa ∂IT/∂VT, (∂IT/∂VT//IT/VT oder (∂²IT/(∂VT² und ein Verfahren (Barrierenhöhen-Methode) zur Herleitung der Tunnelbarrierenhöhe φ von ∂lnIT/∂S bereitgestellt. Ein Mikroskop zum Durchführen der obengenannten Verfahren wird allgemein als Raster- Tunnel spektroskop (STS) bezeichnet.
Der Grund, weshalb die Zustandsdichte von Elektronen und die Höhe φ der Tunnelbarriere mit Hilfe des STS bzw. auf der Grundlage von ∂IT/∂VT und ∂lnit/∂S wie oben beschrieben ermittelt werden können, ist folgender. Die zur Erklärung des Prinzips des obigen STM verwendete Gleichung (1) für den Tunnelstrom IT wird unter der Annahme hergeleitet, daß die Höhe φ der Tunnelbarriere konstant gehalten werden kann.
Auf der realen Oberfläche sind jedoch die Höhe φ der Tunnelbarriere und die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein von Tunnelelektronen nicht uniform. Wenn man dies in Betracht zieht, kann der Tunnelstrom IT mit Hilfe der folgenden Gleichung hergeleitet werden.
[Rev. Sci. Instrum. 60(2), Feb. 1989, S. 165], wobei (E) die lokale Zustandsdichte auf der Probenoberflache bezeichnet, VT ist die Vorspannung der Probe bezüglich der Sonde, und T(E,eVT) bezeichnet die Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen mit der Energie E und kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß (E) durch Differenzieren von IT nach VT hergeleitet werden kann (∂IT/∂VT (E)).
Ferner kann φ durch Differenzieren des Logarithmus von IT bezüglich S gemäß Gleichung (1) oder (2) hergeleitet werden (∂lnIT/∂S φ1/2).
Die vorliegende Erfindung betrifft ein STS. Zunächst wird die im Stand der Technik angewendete Methode mit dem differentiellen Wirkleitwert und dann die Barrierenhöhen- Methode erklärt.
Ein herkömmlicher Fall (1): Eine Methode der Messung des differentiellen Wirkleitwertes durch Lock-in-Detektion (IBM, J. Res. Develop. Bd. 30 Nr. 4, Juli 1986, Seiten 411 bis 416).I
n der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird die Servo- Funktion so ausgeführt, daß ein Tunneistrorn, der dann fließt, wenn eine Sonde 2 nahe an eine Probe 1 herangebracht wird, konstant gehalten wird, während eine Gleichstrom-Vorspannung V0 von einem Gleichstrom Spannungsgenerator 6 zwischen die Probe 1 und die Sonde 2 angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der differentielle Wirkleitwert des Tunnelstroms gemessen, um lokale spektroskopische Information der Oberfläche am Spitzenende der Sonde 2 zu gewinnen. Zu diesem Zweck wird ein moduliertes Wechselstromsignal (ΔVTcos ωt), das klein ist im Vergleich zur Vorspannung, von einem Sinuswellengenerator 7 geliefert und der Vorspannung überlagert. Der zu dieser Zeit erhaltene Tunnelstrom IT kann unter Berücksichtigung modulierter Signalkomponenten folgendermaßen ausgedrückt werden:
IT(V0+ΔVtcosωt) = IT(V0)+ΔVtcosωt x ∂IT/∂VT VT = V&sub0;
wobei ΔVT ein bekannter Wert ist, und es kann ein partieller differentieller Wirkleitwert bei der Gleichstromvorspannung V&sub0;, d.h. (∂IT/∂VT) VT=V&sub0;, durch Bestimmen der Amplitude des im Tunnelstrom auftretenden ω- Anteils unter Verwendung eines Lock-in-Verstärkers 8 gemessen werden.
Ferner bezeichnet in Fig. 1 das Bezugszeichen 3 einen Vorverstärker zur Restimmung des Tunnelstroms, und das Symbol 4 bezeichnet einen XY-Feinantrieb zum Regeln eines Abstandes zwischen der Sonde 2 und der Probe 1 und zum Rastern der Sonde 2.Ein bekannter Fall (2): LTTM (Tieftemperatur-Tunnel-Mikroskopie) (Phys. Rev. Lett., Bd. 54, Nr. 22, 3. Juni 1985, Seiten 2433 bis 2436).
In dem oben genannten bekannten Fall wurde auf die Tatsache geachtet, daß, wenn versucht wird, die Verteilung supraleitender Zustände auf der Oberfläche einer supraleitenden Probe unter Verwendung eines bei tiefen Temperaturen betriebenen STS zu messen, der Wert des differentiellen Wirkleitwert (dI/dV) im Tunnel- Übergangsbereich bei der Vorspannung von 0 V Null wird, wenn ein SIN (Supraleiter/Isolator/Normalleiter)-Übergang wie in Fig. 2A gezeigt verwendet wird, und der Wert auf einen begrenzten Wert gesetzt wird, wenn ein NIN ( rmalleiter/Isolator/Normalleiter)-Übergang wie in Figur 2B gezeigt verwendet wird, und dann wurde angestrebt, die Verteilung supraleitender Zustände durch Gewinnen des differentiellen Wirkleitwertes zu messen, wenn die Vorspannung auf 0 V gesetzt wird.In einer in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung wird eine Servofunktion ausgeführt, wobei die Sonde 2 nahe an die Probe 1 herangebracht wird, damit ein Tunnelstrom verursacht wird, während eine Dreieck-Wellenspannung von einem Vorspannungsgenerator 6 zwischen Probe 1 und Sonde 2 angelegt wird, die Amplitude des Tunnelstroms wird mit einem Lock-in-Verstärker 8 bestimmt und die Amplitude des Tunnelstroms wird durch eine Servorschaltung 5 konstant gehalten. Der Wert des differentiellen Wirkleitwertes wird durch Differenzieren des Tunnelstromes nach der Zeit mit einem Differenzierkreis 10 hergeleitet (da die Vorspannung eine Dreieck-Welle ist, ist ∂VT/∂t konstant. Deshalb ist der differentielle Wirkleitwert = ∂IT/∂VT = ∂IT/∂t / ∂VT/∂t ∂IT/∂t ). Während die Servo-Regelfunktion ausgeführt wird, wird ein Bild der Unebenheit durch Rastern der Sonde in XY-Richtung aufgezeichnet. Zur gleichen Zeit wird, wie in Fig. 4 gezeigt, das Verteilungsbild des differentiellen Wirkleitwertes für eine Vorspannung von 0 V durch Bestimmen eines differentiellen Wirkleitwertes ermittelt, die man unter Verwendung eines Nulldurchgangdetektors 11 und eines Schrotimpuls-Generators (shot puls generator) 12 für eine auf 0 V gesetzte Vorspannung erhält, und durch Abtasten derselben unter Verwendung eines Tastspeicherverstärkers 13 in Verbindung mit der XY-Abtast-Funktion erhält.
Ein bekannter Fall (3): CITS (Current Imaging Tunneling Spectroscopy)-Methode (Phys. Rev. Lett. 56, 18, 5. Mai 1986, Seiten 1972 bis 1975, J. Vac. Sci. Technol. A6(2), März/April 1988, Seiten 344 bis 348).Dieses Verfahren dient zur Messung der Verteilung der lokalen Zustandsdichte von Oberflächenelektronen auf der Basis der Abhängigkeit des Tunnelstroms IT von der Vorspannung VT. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, daß ein differentieller Wirkleitwert ∂IT/∂VT proportional zur lokalen Zustandsdichte ist, wenn ein Tunnelspalt 5 und eine Barrierenhöhe φ konstant sind, unabhängig vom Ort auf der Probenoberfläche.
In dem CITS-Verfahren werden die lokalen Strom- und Spannungswerte einzeln für jeden Ort gespeichert, während die Sonde gerastert wird, und dann wird der differentielle Wirkleitwert durch numerische Berechnung ermittelt. Die Messung der Strom-Spannungs-Charakteristik wird in dem CITS-Verfahren durch Verwendung einer in Fig. 5 gezeigten Konstruktion zu den in Figuren 6A bis 6E gezeigten Zeiten ausgeführt.
Wenn eine in Fig. 6D gezeigte Vorspannung, die eine Ausgangsgröße eines D/A-Wandlers 20 ist, eine Gleichstromspannung ist, wird ein Festhaltesignal wie in Fig. 6A gezeigt so unterbrochen, daß ein STM-Servosystem 22 durch einen ON-OFF-Signalgenerator 21 des STM-Servosystems in einen Servo-Zustand gesetzt wird, und eine Feinantriebsregelung für die Z-Richtung wird durch einen Feinantrieb 4 ausgeführt, sodaß der Tunnelstrom konstant gehalten wird. Die STM-Servospannung wird in den in Fig. 6B gezeigten Zeitpunkten durch einen A/D-Wandler 23 in ein entsprechendes digitales Signal umgewandelt und in einer Aufzeichnungs- oder Anzeigevorrichtung (nicht dargestellt) aufgezeichnet. Wie in Fig. 6A gezeigt, wird das Servosystem 22 als nächstes unterbrochen und der Sonden-Proben-Abstand wird unverändert gehalten. In diesem Zustand wird ein Vorspannungsausgang von einem A/D-Wandler 20 wie in Fig. 6D gezeigt abgetastet und ein A/D-Wandler 24 wird zu Zeitpunkten wie in Fig. 6C angegeben betrieben, um die sich wie in Fig. 6E dargestellt ändernde Tunnelstrom- Ausgangsgröße in ein entsprechendes digitales Signal umzuwandeln und dieses mit einer Aufzeichnungs oder Anzeigeeinrichtung (nicht dargestellt) aufzuzeichnen. Danach wird die Vorspannung wieder auf den Ausgangswert gesetzt, um die Z-Achsenregelung auszuführen. Eine Folge von Funktionen auf der Basis der Zeitfolge von Fig. 6 wird wiederholt an entsprechenden Punkten der XY- Rasterspannungen ausgeführt, um gleichzeitig die Daten der Unebenheit in Normalenrichtung und Daten der lokalen Strom- Spannungs-Charakteristik aufzuzeichnen.
Ein Symbol 25 in Fig. 5 bezeichnet einen Datenprozessor, um die Stromdaten numerischen Berechnungsvorgängen für die Berechnung der lokalen Zustandsdichte zu unterziehen.
Ein bekannter Fall (4): Barrierenhöhen-Spektroskopie (IBM, J. Res. Develop. Bd. 30, Nr. 4, Juli 1986, Seiten 355 bis 369, Phys. Rev. Lett. Bd. 60, Nr. 12, 21 März 1988, Seiten 1166 bis 1169).
In einer in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung wird eine Vorspannung VT zwischen Sonde 2 und Probe 1 angelegt, ein Abstand (Tunnellücke 5) zwischen dem Ende der Spitze der Sonde und der Probe wird auf weniger als einige nm eingestellt, ein zu diesem Zeitpunkt fließender Strom wird mit einem I/V-Wandler 3 erfaßt, und der Abstand 5 wird durch einen Feinantrieb für die Z-Richtung des X, Y und Z- Feinantriebsmechanismus 4 derart servogeregelt, daß das Konstanthalten des Tunnelstroms mittels des Servokreises 5 möglich ist. Wenn die Sonde in XY-Richtung mit dem X, Y und Z-Feinantriebsmechanismus 4 gerastert wird, während die Servofunktion ausgeführt wird, kann die Unebenheit der Probenoberfläche darstellende Information auf der Basis eines Servoausgangssignals gewonnen werden. In dem Fall, wenn die Servofunktion nicht den Änderungen des Servoausgangssignals des STM folgen kann (zum Beispiel bei einer Geschwindigkeit von 1/5 der Zeitkonstanten), wird ein sehr kleines moduliertes Signal (ΔScosωt), das die bekannte Amplitude besitzt, hierzu addiert und an den Feinantriebsmechanismus der Z-Achse angelegt. Eine Anwendung des modulierten Signals (ΔScosωt) verursacht die Einführung einer modulierten Komponente derselben Frequenz in einem zwischen der Probe und der Sonde fließenden Tunnelstrom.
Durch Herleiten des Logarithmus des Tunnelstroms IT unter Verwendung der Gleichung (1) kann folgende Gleichung erhalten werden.
lnIT = -B φΔScosωt + const. (4)
In diesem Fall bedeutet der Ausdruck "const"- Komponente, daß diese im wesentlichen den gleichen Wert in entsprechenden Zeitperioden der modulierten Komponente ω annimmt. Deshalb kann die Barrierenhöhe φ durch Gewinnen der ω-modulierten Amplitude (Bφ1/2ΔS) durch einen Detektor 30 für modulierte Komponenten bestimmt werden. Das heißt, die Barrierenhöhe φ kann zur gleichen Zeit hergeleitet werden wie die aus dem Servoausgangssignals gewonnene Information über die Unebenheit. In der Zeich-nung bedeutet das Bezungszeichen 31 einen Oszillator für angelegte Signale und ein Bezugszeichen 32 bedeutet einen logarithmischen Verstärker.
Aus Review of Scientific Instruments Bd. 60, Nr. 3, März 1989, Seiten 301-305, New York, US; J. P. PELZ et al.: Extremely low noise potentiometry with a scanning tunneling microscope ist Phasenkompensation als eine Standard-Technik in der Tunnelspektroskopie bekannt.

Der Fehler des bekannten Falls (1)

In der Messung nach einer Methode, in der ein sehr kleines wechselstrommoduliertes Signal einer Gleichstrom- Vorspannung überlagert wird, wird ein differentieller Wirkleitwert an einem Punkt bestimmt, auf den der Gleichstrom-Vorspannungswert VO eingestellt wird. Um die Sonden-Servofunktion mit der eingestellten Vorspannung stabil auszuführen, ist es jedoch notwendig, daß eine Vorspannung vorhanden ist, mit der die Servofunktion für bestimmte Oberflächenbedingungen der Probe oder Sonde nicht stabil ausgeführt werden kann, was es unmöglich macht, die Abhängigkeit von der Vorspannung kontinuierlich zu messen. Ferner ist der Ort, an dem die Vorspannung an einem Zeitpunkt gemessen werden kann, auf einen Punkt begrenzt, und deshalb kann die Abhängigkeit der lokalen spektroskopischen Daten von der Vorspannung nicht auf Echtzeitbasis gemessen werden.
Weiterhin kann die Höhe der Sonde und der Betrag des zugehörigen Tunnelstroms in der von einer Gleichstrom- Vorspannung ausgeführten Servofunktion gemäß einer Differenz im Einstellwert der Vorspannung und dem Einstellwert des Tunnelstroms variieren, und sogar wenn die Abhängigkeit des differentiellen Wirkleitwertes von der Vorspannung an dem gleichen Punkt gemessen wird, können Tunnelbedingungen wie etwa der Proben-Sonden-Abstand geändert werden, wenn sich der Einstellwert der Vorspannung ändert, wodurch es unmöglich wird, die Abhängigkeit von der Vorspannung unter der gleichen Bedingung zu messen.

Der Fehler des bekannten Falls (2)

Bei der Messung der Verteilung des supraleitenden Zustandes wird versucht, den supraleitenden Zustand zu messen, indem großer Nachdruck nur auf den Wert des differentiellen Wirkleitwertes gelegt wird, der sich ergibt, wenn die Vorspannung 0 V ist. Um den supraleitenden Zustand zu bestimmen ist es nötig, Information über der differentielle Wirkleitwert an anderen Punkten als für 0 V zu erhalten, zum Beispiel durch Messen des differentiellen Wirkleitwertes bei einer Vorspannung, die einer supraleitenden Lückenspannung entspricht, bei der sich der differentielle Wirkleitwert rasch ändert. Ferner wird es notwendig, wenn ein übliches Material verwendet wird, eine dem Material eigene charakteristische Vorspannung einzustellen und den differentiellen Wirkleitwert bei der solchermaßen eingestellten Vorspannung zu gewinnen. Mit dieser Methode ist es jedoch nur möglich, den differentiellen Wirkleitwert zu messen, wenn die Vorspannung 0 V ist.
Um zu verhindern, daß die Servo-Funktion durch in der Vorspannung enthaltene harmonische Komponenten beeinflußt und instabil wird, ist es weiterhin notwendig, eine Sinuswelle zur Vorspannung zu addieren, oder es ist, um die Abhängigkeit davon von der Ansprechgeschwindigkeit zu messen, notwendig, eine Sägezahnwelle anzulegen. Auf diese Weise ist das freie Einstellen der Wellenform der Vorspannung gemäß der Messungen erforderlich. Bei dieser Meßmethode muß die angelegte Wellenform zum Messen des differentiellen Wirkleitwertes jedoch eine Dreieckwellenform sein.

Der Fehler im herkömmlichen Fall (3)

Da eine Zeit-Teilungsoperation erfolgt und die Servo- Funktion für jeden Meßpunkt zum Aufzeichnen von Werten des Stroms und der Spannung in jedem Meßpunkt wiederholt EIN und AUS geschaltet wird, reagiert das Sondenregelsystern schrittweise, wenn der Servobetrieb EIN oder AUS geschaltet wird, wodurch im System eine Resonanz oder eine Instabilität verursacht wird. Besonders wenn der Servobetrieb für einen Abstand zwischen der Probe und der Sonde instabil ist, wird es unmöglich, die STM- und STS- Messungen auszuführen.
Da spektroskopische Daten durch Ausführen der numerischen Operationen wie etwa dem Differenzieren gespeicherter Strom- und Spannungswerte gewonnen werden, wird ferner die für die Gewinnung eines Informationsinhaltes erforderliche Zahl von Daten groß, wodurch es notwendig wird, eine große Zahl von Stromwerten für jeden Bildpunkt zu speichern. Zum Beispiel werden in einem typischen CITS-Betrieb STM-Daten auf 128x128 Punkten aufgezeichnet, und mehr als 16 Strom-Spannungs- Charakteristik-Daten werden für jeden Punkt aufgenommen. In diesem Fall sind ein STM-Datenfile von 16K Punkten und ein STS-File mit 256K Punkten notwendig und deshalb steigt die Zahl der Daten.
Da differentiell-spektroskopische Information nach ihrer Gewinnung einem Prozess numerischer Operationen unterzogen werden muß, kann die differenziellspektroskopische Information nicht während der Messung auf Echtzeitbasis angezeigt werden.

Fehler des herkömmlichen Falls (4)

Da es sich um eine Methode handelt, bei der die modulierten Amplituden verglichen werden, um einen differentiellen Wert herzuleiten, kann der differentielle Wert nicht gewonnen werden, wenn die Anwendungsamplitude nicht sehr klein ist. Deshalb ist die Anwendungsamplitude begrenzt, wodurch der Meßbereich in der Z-Richtung eingeschränkt ist.
Ferner kann, da die modulierte Amplitude sehr klein ist, das Verhältnis der Barrierenhöhe φ und der Tunnellücke S über einen weiten Bereich nicht gemessen werden, und insbesondere, wenn die Beziehung zwischen lnIT und 5 nicht linear ist, kann die Barrierenhöhe φ nicht genau bestimmt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Raster-Tunnelspektroskop bereitzustellen, das in der Lage ist, die Oberflächenbedingungen einer Probe mit hoher Genauigkeit kontinuierlich zu messen, sogar dann, wenn die Oberflächenbedingung der Probe und einer Sonde lokal verändert werden, und eine Methode zum spektroskopischen Messen anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Raster- Tunnelspektroskop gemäß dem Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 12.
Nun werden die grundlegenden Konzepte der Erfindung für die Methode des differentiellen Wirkleitwertes und die Barrierenhöhenmethode erklärt.

(1) Methode des differentiellen Wirkleitwertes

Die zur Lösung der Fehler der obigen herkömmlichen Fälle notwendige Konstruktion ist in Figur 8 gezeigt.
Wenn eine Vorspannung zwischen Probe 41 und Sonde 42 angelegt wird und diese auf einen Abstand von einigen nm nahe zusammengebracht werden, so fließt ein Tunnelstrom, sodaß ein Tunnelstrom-Signal IT von einem Strom Spannungswandler 48 geliefert wird. Das Signal IT ist hier ein einen Tunnelstrom zu dieser Zeit darstellendes Spannungssignal. Falls die Meßsonde mit einem Z-Richtungs- Antriebsmechanismuns (nicht dargestellt) in Z-Richtung bewegt wird, sodaß sie nahe an die Probe herangebracht wird, whrend eine Vorspannung VT (zum Beispiel eine durch (a) in Fig. 9 dargestellte Sinuswelle), die sich zeitlich mit einer konstanten Periode ändert, von einem Vorspannungsgenerator 43 zwischen Probe 41 und Sonde 42 angelegt wird, liefert der Wandler 48 ein Tunnelstrom- Signal IT (dargestellt durch (b) in Fig. 9), das mit einer Grundfrequenz der Vorspannung oszilliert. In diesem Fall wird, um den Abstand zwischen Probe und Sonde wie bei der Verwendung eines normalen STM zu halten, eine Servofunktion aufgeführt, um den Mittelwert des Absolutwertes des Tunnelstrom-Signals konstant zu halten. Um zu verhindern, daß der Abstand zwischen Probe und Sonde von den Oszillationen des Tunnelstroms beeinflußt wird, wird die Zeitkonstante eines aus einem Absolutwert-Detektors oder Amplituden-Detektor 44 zum Bestimmen des Absolutwertes (dargestellt durch ( c ) in Fig. 9) oder der Amplidute des Tunnelstroms und einer Servoschaltung 45 gebildeten Rückkopplungssystems ausreichend länger (mehr als fünfmal länger) eingestellt als die Grundperiode der Vorspannung.
Die Servoschaltung 45 ist ein Servosystem, das den Proben- Sonden-Abstand so regeln kann, daß er, wie durch das Signal (d) in Fig. 9 gezeigt, unter Verwendung eines durch (e) in Fig. 9 dargestellten Signals variiert und dessen Zeitkonstante eingestellt werden kann, um zu verhindern, daß die Servo-Funktion einer Veränderung in der Vorspannung folgt, so, daß der Mittelwert der Intensität des Tunnelstrom-Signals in einer festgelegten Zeitperiode konstant gesetzt wird. Auf der anderen Seite wird, wenn man die Sonde 42 rastert, die Abtastgeschwindigkeit so eingestellt, daß eine wirkungsvolle Rückkopplung erzielt und der Proben-Sonden-Abstand unverändert gehalten wird.
Unter diesen Bedingungen wird ein durch Rastern der Sonde 42 gewonnenes Servosignal als die Unebenheit der Oberfläche repräsentierende Information verwendet.
Wenn die Servozeitkonstante und eine Grundperiode in der oben beschriebenen Weise bestimmt werden, kann unter Verwendung einer gewünschten Vorspannung, die Frequenzanteile höher als die Grundfrequenz enthält, eine Servo-Funktion ausgeführt werden.
30 Ferner kann spektroskopische Information (Zustandsdichte, Phononen-Mode und ähnliches) im Bereich der Vorspannungsamplitude auf Echtzeit-Basis gewonnen werden, wenn ein Tunnelstrom-Signal und eine Vorspannung in eine analoge Verarbeitungseinheit 46 eingegeben werden, um den Rechenvorgang (zum Beispiel ∂IT/∂VT, ∂²IT/∂VT²) auf Echtzeitbasis zur Gewinnung von spektroskopischer Information auf Echtzeitbasis ablaufen zu lassen. Die Antwortfrequenzen des analogen Signalsystems werden höher gesetzt als die Grundfrequenz der Vorspannung. Die analoge Verarbeitungseinheit 46 ist für die Durchführung von Differentiation, Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division in einer Verknüpfung zur Herleitung spektroskopischer Information ausgestattet.
Da der Vorgang der Herleitung spektroskopischer Information auf Echtzeitbasis abläuft, ist ein Nachverarbeiten wie etwa numerisches Differenzieren bezüglich von Daten nicht notwendig. Die für ein Spannungsniveau erhaltenen spektroskopischen Daten stehen in einer Eins-zu-eins-Beziehung mit Unebenheitsdaten, und die erforderliche Speicherkapazität ist einfach proportional zur Anzahl der erforderlichen Bilder.
Mit den obigen Funktionen können eine räumliche Verteilung (STS-Bild) spektroskopischer Informationen und ein Unebenheitsbild auf Echtzeitbasis gewonnen werden.

(2) Barrierenhöhen-Methode

Der zur Behebung der Fehler des oben genannten Standes der Technik notwendige Aufbau ist in Fig. 10 gezeigt.
Diese Erfindung liegt in der Herleitung einer Barrierenhöhe φ durch analoge Rechenvorgänge unter Verwendung einer Differenzierschaltung und ähnliches anstelle der Durchführung der Vergleichsbestimmung der Amplitude eines modulierten Signals unter Verwendung eines Lock-in-Verstärkers und ähnliches.
Das heißt, die Barrierenhöhe wird hergeleitet durch Halten einer Ausgangsgröße des Vorspannungsgenerators 43 auf einer Gleichstromspannung, Eingabe einer an den Feinantriebsmechanismus für die Z-Achse des XYZ Feinantriebsmechanismus 47 anzulegenden Z-Achsen- Modulationsspannung AVZ durch Teilung einer Ausgangsgröße eines Oszillators 50 in die analoge Verarbeitungsschaltung 51, Eingabe des Tunnelstrom-Signals IT in die analoge Verarbeitungsschaltung 51 und Ablaufenlassen des analogen Verarbeitungsvorganges von ∂lnIT/∂ΔVZ ∂.lnIT/∂S mit Hilfe der Schaltung 51 auf der Basis der zwei Eingangssignale.
Wenn die Abtast-Signale für die X-Achse und die Y-Achse (Rasterabtasten) an den X- und Y-Feinantriebsmechanismus des X, Y und Z-Feinantriebsmechanismus 47 angelegt werden, kann ein f-Bild (f-Verteilungsbild) der Probe gewonnen werden.Diese Erfindung kann vollständiger anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer ersten herkömmlichen Vorrichtung ist;
Fig. 2A und 2B Darstellungen sind, die eine zweite herkömmliche Vorrichtung veranschaulichen und Vorspannungdifferentieller Wirkleitwert-Charakteristika im SIN und NIN zeigen;
Fig. 3 ein Schaltbild ist, das ein System zur Bestimmung des differentiellen Wirkleitwertes einer zweiten herkömmlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 4 ein Schaltbild eines spektroskopischen Abtastsystems zur Veranschaulichung der zweiten herkömmlichen Vorrichtung ist;
Fig. 5 und 6A bis 6E ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer dritten herkömmlichen Vorrichtung und Zeitdiagramme der dabei genutzten Signale sind;
Fig. 7 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer vierten herkömmlichen Vorrichtung ist;
Fig. 8 ein grundlegendes Schaltbild für eine Methode des differentiellen Wirkleitwertes zur Veranschaulichgung der grundlegenden Konzepte dieser Erfindung ist;
Fig. 9 eine Darstellung ist, die die Beziehung zwischen einer Servospannung und eines Tunnelstrom-Signals, die in der Schaltung von Fig. 8 verwendet werden, zeigt;
Fig. 10 ein grundlegendes Schaltbild zur Barrierenhöhen-Methode ist, um die grundlegenden Konzepte dieser Erfindung zu veranschaulichen;
Fig. 11 eine Darstellung einer Schaltung zum Eliminieren von Signalen kapazitiver Kopplung ist, die in einer ersten Ausführungsform auf der Basis der Schaltung in Fig. 8 eingesetzt wird;
Fig. 12A bis 12D Wellenform-Diagramme zur Veranschaulichung einer Funktion der Schaltung zum Eliminieren kapazitiver Kopplung sind;
Fig. 13 ein Schaltbild ist, das eine in einer ersten Ausführungsform auf der Basis der Schaltung von Fig. 8 eingesetzte analoge Verarbeitungseinheit zeigt;
Fig. 14A bis 14G Wellenform-Diagramme sind, die Signale in zugehörigen Elementen der ersten Ausführungsform zeigen;Fig. 15 ein Diagramm ist, das eine in der ersten Ausführungsform eingesetzte Schaltung zur Phasenkompensation zeigt;
Fig. 16A und 16B oszillographische Wellenform-Diagramme sind, die die Beziehung zwischen ∂IT/∂VT und VT in verschiedenen Punkten einer bei der ersten Ausführungsform eingesetzten Graphitprobe zeigen;
Fig. 17 ein ausführliches Schaltbild der in Fig. 8 gezeigten analogen Verarbeitungseinheit ist;
Fig. 18 ein Diagramm ist, das eine Abtastschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
Fig. 19A und 19B oszillographische Wellenform-Diagramme sind, die die Graphitoberfläche in der zweiten Ausführungsform zeigen;
Fig. 20 eine Darstellung ist, die eine analoge spektroskopische Schaltung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt; und
Fig. 21 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer vierten Ausführungsform ist.
Es wird nun eine Ausführungsform dieser Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.
Bauelemente, die im wesentlichen die gleichen sind, wie die in Figuren 8 und 10, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden deshalb nicht erläutert.

Ausführungsform 1: Spektroskopisches Verfahren mittels differentiellem Wirkleitwert

In diesem Beispiel wird zuerst die Echtzeitmessung der Abhängigkeit des lokalen differentiellen Wirkleitwertes von der Vorspannung erläutert.
Die Messung wird mit dem Aufbau, der mit Bezug auf Fig. 8 und einer zusätzlichen Erläuterung der konkreten Bauelemente in den hier durchgeführten Messungen des differentiellen Wirkleitwertes erklärt wird, durchgeführt.
Eine Probe 41 wird aus Graphit hergestellt, und als eine Sonde 42 dient eine durch elektrolytisches Polieren geformte Nadel aus PtIr. Das Servosystem 45 ist eine Servoschaltung vom Integrationstyp. Eine Sinus-Welle wird von einem Vorspannungsgenerator 43 erzeugt.
Wenn sich die Vorspannung zeitlich wie die in Fig. 12A gezeigte Wellenform ändert, kann ein Signal für die kapazitive Kopplung, das, wie in Fig. 12B gezeigt, durch die Wirkung der kapazitiven Kopplung zwischen der Probe und einem die Sonde tragenden Element des Stellantriebs bezüglich der Vorspannung um 90º phasenverschoben ist, als Ausgangsgröße von einem Strom/Spannungswandler 48 abgenommen werden, der mit der zum Zeitpunkt, unmittelbar bevor ein Tunnelstrom zu fließen beginnt, dicht an der Oberfläche gehaltenen Sonde verbunden ist, und das Signal der kapazitiven Kopplung kann einen negativen Einfluß auf die Messung ausüben. Um dieses Problem zu lösen, kann man sich an die folgende Vorgehensweise halten. Das Spannungssignal der kapazitiven Kopplung ist unmittelbar bevor und nachdem der Tunnelstrom zu fließen begonnen hat, im wesentlichen das gleiche. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache wird das Spannungssignal der kapazitiven Kopplung unter Verwendung der Schaltung von Fig. 11 von der Ausgangsgröße des Strom/Spannungswandlers abgezogen. Wenn die Vorspannung eine auf 1 Vpp und 2 KHz eingestellte Sinuswelle, wie in Fig. 12A gezeigt, aufweist, und die Sonde eine Position einige µm vor der Position, an der der Tunnelstrom zu fließen beginnt, eingenommen hat, liefert der IT-VT-Wandler 48 ein in Fig. 12B gezeigtes Signal. Zu diesem Zeitpunkt wird die Phase des Vorspannungssignals durch einen in Fig. 11 gezeigten Phasenschieber 100 zur Synchronisation mit dem des Spannungssignals der kapazitiven Kopplung um 90º verschoben, und die Amplitude des ersteren Signals wird mit einem Verstärker 101 gleich der des letzteren Signals gesetzt. So ergibt sich aus der Vorspannung ein Spannungs-Blindsignal der kapazitiven Kopplung. Wenn die Sonde dichter als auf einen Abstand, der einen Tunnelstrom zwischen der Sonde und der Probe zu fließen erlaubt, an die Probe herangebracht wird, liefert der Wandler 48 ein wie in Fig. 12C gezeigtes Signal, in dem das Tunnelstrom-Signal mit dem Spannungssignal der kapazitiven Kopplung überlagert ist. Ein wie in Fig. 12D gezeigtes Tunnelstrom-Signal ergibt sich durch Subtraktion des Tunnelstrom-Blindsignals von dem Ausgangssignal mit Hilfe eines Subtraktors 102. Die STM- und STS-Funktionen werden unter Verwendung des so erhaltenen Tunnelstrom- Signals, aus dem das Spannungssignal der kapazitiven Kopplung beseitigt worden ist, ausgeführt. Wenn ein IT-VT- Wandler mit einer hohen Impedanz verwendet wird, kann im Stromdetektorsignal durch eine schwimmende Kapazität, Induktion etc. in der Schaltung manchmal eine Phasenverzögerung auftreten. Um diese Phasenverzögerung auszugleichen wird der Phasenschieber so eingestellt, daß er die Phasen mit Ausnahme für 90º aussteuert.Die analoge Verarbeitungseinheit 46 zum Herleiten des differentiellen Wirkleitwertes ist wie in Fig. 13 gezeigt aufgebaut und die Ausführung des Verarbeitungsprinzips ist in Figuren 14A bis 14G dargestellt. Die lokale Strom-Spannungs-Charakteristik zwischen der Probe und der Sonde nimmt gemäß der Position von Atomen eine inhärente Form wie in Fig. 14 gezeigt an. Wenn eine wie in Fig. 14B gezeigte Sinuswellen-Vorspannung VT angelegt wird, so wird ein Tunnelstrom-Signal die lokale IT-VT-Charakteristik von Fig. 14A widerspiegeln, wie in Fig. 14C gezeigt. Das Tunnelstrom-Signal aus Fig. 14C und die Vorspannung nach Fig. 14B werden bezüglich der Zeit mittels zweier Differenzierschaltungen 500 und 510 differenziert, um ein in Fig. 14D gezeigtes ∂VT/∂t-Signal und ein in Fig. 14E gezeigtes ∂IT/∂t-Signal herzuleiten. Die zwei Signale werden zur Herleitung eines in Fig. 14F gezeigten differentiellen Wirkleitwertes ∂IT/∂VT in eine Divisionsschaltung 52 eingegeben.
Zu diesem Zeitpunkt können die Phasen des Tunnelstrom- Signals und der Vorspannung gemäß der Zeitkonstanten des Vorverstärkers gegeneinander verschoben werden. Wenn in einer solchen Bedingung eine analoge Operation durchgeführt wird, werden der Nullpunkt des Tunnelstrom-Signals und der Nullpunkt der Vorspannung als Bezugspunkte zur Zeitsynchronisierung verwendet, und die Phase der Vorspannung wird mittels einer in Fig. 15 gezeigten Phasenausgleichsschaltung 60 verschoben. Ferner werden, um durch die Differentiation nach der Zeit verursachtes Hochfrequenzrauschen zu verhindern, das Tunnelstrom-Signal und die Vorspannung durch Tiefpaßfilter 61 und 62, die gleiche Zeitkonstante besitzen, geschickt. Auf diese Weise wird eine Verschiebung der Zeitverläufe von Tunnelstrom- Signal und Vorspannung, die für die analoge Verarbeitung verwendet werden, verhindert.
Die in Fig. 14G gezeigte Darstellung von Vorspannungdifferentieller Wirkleitwert erfolgt unter Verwendung einer Speichermöglichkeit und durch Eingabe eines Signals des differentiellen Wirkleitwertes in eine Y-Achse und einer Vorspannung in eine X-Achse. Figuren 16A und 16B zeigen die Beziehung zwischen ∂IT/∂VT und VT in unterschiedlichen Punkten auf der derart dargestellten Graphit-Probe. Die Kurvenform kann sich entsprechend der Bewegung der Sonde ändern, die Reproduzierbarkeit davon in jedem Punkt wird jedoch bestätigt. Ferner wird für den Fall, daß die Tunnelwahrscheinlichkeit stark von φ und S abhängt, eine Datenverarbeitung von ∂IT/∂∂VT/I/V notwendig.
Zur Durchführung der obigen Datenverarbeitung kann die in Fig. 8 gezeigte analoge Verarbeitungseinheit 46 in eine in Fig. 17 dargestellte analoge Schaltung abgeändert werden.

Ausführungsform 2

Als nächstes werden die Echtzeit-Messungen von Werten des differentiellen Wirkleitwertes bei einer festgelegten Vorspannung und die Aufnahme des Verteilungsbildes erklärt.
Die Schaltung von Fig. 18 ist eine Abtastschaltung, die zur ständigen Ausgabe der Werte des differentiellen Wirkleitwertes verwendet wird. Ein von einer in Fig. 13 gezeigten Verarbeitungsschaltung für den differentiellen Wirkleitwert ausgegebener Wert ∂IT/∂VT des differentiellen Wirkleitwertes wird in einen Tastspeicherverstärker 70 eingegeben. Eine Vorspannung VT und eine Referenzspannung V&sub0; werden in einen Komparator 71, der dafür ein entsprechendes binäres Signal ausgibt, und in einen Schrotimpuls-Generator 72 zum Erzeugen eines Impulses, dessen Impulsweite τp einen von dem Tastspeicherverstärker 70 abgetasteten Impuls zum Zeitpunkt für VT = V&sub0; erzeugt, eingegeben. So können die Werte [(∂IT/∂VT VT=V&sub0;] des differentiellen Wirkleitwertes für VT = V&sub0; ständig ausgegeben werden.
Wenn die Abtastgeschwindigkeit der Sonde so eingestellt wird, daß die Servofunktion den Oberflächenunregelmäßigkeiten folgen kann, wird der Proben- Sonden-Abstand konstant gehalten, und die Information über die Oberflächenunregelrnäßigkeiten und der Wert des differentiellen Wirkleitwertes bei der Vorspannung V0 werden in Übereinstimmung mit den XY-Abtastsignalen dargestellt, dann kann die räumliche Beziehung zwischen dem Unebenheitsbild und dem Bild des differentiellen Wirkleitwertes auf einer Echtzeitbasis dargestellt und miteinander verglichen werden.
Da der differentielle Wirkleitwert unabhängig für eine große Zahl von Referenzspannungen aufgenommen werden kann, wenn die Abtastschaltungen parallel verbunden werden, können Werte des lokalen differentiellen Wirkleitwertes für eine Vielzahl von Vorspannungsniveaus gleichzeitig erfaßt werden. Das heißt, es kann eine große Zahl von Bildern zur gleichen Zeit dargestellt werden.
Die Figuren 19A und 19B zeigen eine beispielhafte Messung der Oberfläche von Graphit an Luft. Fig. 19A zeigt ein Unebenheitsbild, in dem die Servospannung mit der Abtastspannung verknüpft ist, und hohe und tiefe Bereiche davon hell bzw. dunkel mit variabler Dichte dargestellt sind. Fig. 19B zeigt ein Bild des differentiellen Wirkleitwertes, bei dem die Bereiche, in denen der Wert des lokalen differentiellen Wirkleitwertes groß ist oder der Strom leicht fließt, hell dargestellt sind und Bereiche, in denen der Wert des lokalen differentiellen Wirkleitwertes klein ist, dunkel dargestellt sind. Im Unebenheitsbild kann im rechten Teil eine Unebenheit atomarer Größe beobachtet werden, die dunkel dargestellt ist, aber im Bild des differentiellen Wirkleitwertes tritt das Gefälle der Probe nicht auf und die Verteilung des differentiellen Wirkleitwertes bei 0,2 V kann auf der gesamten Oberfläche mit atomarer Auflösung beobachtet werden. Es wird in Betracht gezogen, daß in jenen Bereichen, in denen der differentielle Wirkleitwert groß ist, die Zustandsdichte der Elektronen einer entsprechenden Energie hoch ist.

Ausführungsform 3

Fig. 20 zeigt ein Beispiel einer aktuellen analogen spektroskopischen Schaltung, die zur in Fig. 10 dargestellten Barrierenhöhen-Spektroskopie eingesetzt wird.
Ein Tunnelstrom IT wird an eine erste Differenzierschaltung 81 über einen logarithmischen Verstärker 80 angelegt und dort nach der Zeit differenziert (∂lnIT/∂t), und mit einer zweiten Differenzierschaltung 82 wird eine modulierte Spannung ΔVZ für die Z-Achse nach der Zeit differenziert (∂ΔVZ/∂t).
Als nächstes werden die differenzierten Werte mit einer Dividierschaltung 83 einer Division zur Herleitung von ∂lnIT/∂t/∂ΔVZ/∂t = ∂lnIT/∂ΔVZ x ∂lnIT/∂S unterzogen, und so kann die Barrierenhöhe [φ] aus der Gleichung (1) erhalten werden.
In dem Fall, wenn die Barrierenhöhe f notwendig ist, kann diese unter Verwendung einer Quadrierschaltung 84 gewonnen werden.

Ausführungsform 4

Fig. 21 zeigt eine andere Ausführungsform der Barrierehöhen-Spektroskopie. In dieser Ausführungsform kann der Strom einer Servoschaltung 45 mit einem externen Oszillator 50 eingestellt werden. In diesem Fall ist die Vorspannung eine Gleichstromspannung und die wird so eingestellt, daß die Regelschaltung der Sonde Veränderungen im eingestellten Strom folgen kann. Die Modulationsfrequenz des eingestellten Stroms kann nicht höher als die Resonanzfrequenz des Apparatesystem eingestellt werden.
Eine Schaltung 90 zum Gewinnen von Informationen über die Unebenheit wird zum Ausgleichen von durch einen Unterschied im eingestellten Strom verursachten und im Unebenheitsbild auftretenden Schwingung der Sonde eingesetzt, und es wird eine Glättungsschaltung oder ähnliches für die Schaltung zur Informationsgewinnung verwendet
Die Verwendung der Schaltung 90 für die Gewinnung der Information über die Unebenheit wird entbehrlich, wenn ein Darstellungsverfahren angewendet wird, das nur die Darstellung von definierten eingestellten Stromwerten gestattet.
Die gleiche analoge Verarbeitungsschaltung wie in Fig. 11 gezeigt kann als analoge Verarbeitungseinheit 51 verwendet werden.
Die Ausgangswellenform des Oszillators in den Ausführungsformen 3 und 4 kann frei bestimmt werden, und da der Logarithmus des Tunnelstroms immer bezüglich der Tunnellücke differenziert wird, ist die Modulation nicht notwendigerweise klein, und der Wert von φ( [φ]) und die S- Abhängigkeit von φ( [φ]) kann im Vergleich zum Stand der Technik genauer gemessen werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Messen des differentiellen Wirkleitwertes, die die Servo- Zeitkonstante gezielt auf geeignete Werte einstellen kann, wenn die Vorspannung des STS innerhalb einer konstanten Periode zeitlich geändert wird, die die Servofunktion so ausführt, daß der Proben-Sonden-Abstand während einer oder mehrerer Perioden der Wellenform der Vorspannung konstant gehalten wird, die Servospannung und die Unebenheitsdaten aufzeichnet und die Vorspannungsabhängigkeit der spektroskopischen Daten mißt, die von einer analogen Verarbeitungseinheit, die ausgehend vom Tunnelstrom und von der Vorspannung auf Echtzeitbasis bei konstant gehaltenem Proben-Sonden-Abstand lokale spektroskopische Daten liefert, hergeleitet werden.
Nach dieser Erfindung kann, wenn die Vorspannung, bei der die spektroskopischen Daten aufgenommen werden, innerhalb der Amplitude davon liegt, eine gewünschte Zahl von Abtastpunkten bei gewünschten Spannungen festgelegt werden. Deshalb können der differentielle Wirkleitwert bei einer Spannung, die nicht im Gleichstrom- Vorspannungsbetrieb gemessen werden kann, und die Schwankung des differentiellen Wirkleitwertes bei einer Spannung in der supraleitenden Lücke gemessen werden.
Da eine Vielzahl von Meßpunkten gleichzeitig festgelegt werden kann, ist es ferner möglich, in jedem Meßpunkt spektroskopische Daten als Daten der Vorspannungs- Abhängigkeit in einer erforderlichen Zahl von Meßpunkten zusammen mit der Unebenheit der Probenoberfläche zu messen.
Da die Servofunktion nicht unterbrochen wird, wenn sich die Vorspannung ändert, zeigt nach dieser Erfindung die gemäß der Abtastung ablaufende Servofunktion keine schrittweise Antwort.
Da die spektroskopischen Daten Ausgangsgrößen einer analogen Verarbeitungseinheit auf Echtzeitbasis sind, ist ferner ein Nachverarbeiten der spektroskopischen Daten durch eine CPU oder ähnliches nicht notwendig. Da eine numerische Differentiation o.a. nicht notwendig ist, wird es auch entbehrlich, eine große Datenmenge zu speichern.
Zusätzlich kann, wenn eine Modulationsspannung ΔVZ an der Z-Achse anstelle der Vorspannung VT in der analogen Verarbeitungseinheit für die Methode des Differentiations- Wirkleitwerts verwendet wird, die Barrierenhöhe φ( [φ]) gewonnen werden, und der Wert von φ( [φ]) und die S- Abhängigkeit von φ( [φ]) können im Vergleich zum Stand der Technik genauer gemessen werden.

Claims

1. Tunnelspektroskop, umfassend:

Meßfühler (42), der so angeordnet ist, daß damit eine Probe (41) abgetastet werden kann;

Mittel (43) zum Anlegen einer Vorspannung (VT) mit einer voreingestellten Wellenform, die zeitlich mit einer konstanten Periode zwischen der Probe und dem Meßfühler wechselt;

Mittel (48) zum Strom-Spannungswandeln eines Tunnelstroms, der fließt, wenn der Meßfühler dicht an die Probe herangebracht wird, in ein Tunnelstrom-Signal (IT);

Mittel (44) zum Ermitteln des Absolutwertes des vollweggleichgerichteten Tunnelstrom-Signals (IT):

Mittel (45) zum Folgeregeln eines Abstandes zwischen der Probe und des Meßfühlers unter Verwendung des Absolutwertes der Zeitkonstanten der Folgeregelung, die größer gesetzt wird als das Fünffache der Periode der Vorspannung;

Mittel zum Herleiten von Daten der Unebenheit der Probe auf der Basis einer Ausgangsgröße der Folgeregelung; und

erstes analoges Wirkungsmittel (46) zum Herleiten von Daten des differentiellen Wirkleitwertes basierend auf dem Tunnelstrom-Signal (IT) und der Vorspannung (VT) auf einer Echtzeit-Basis und zum Messen der Unebenheitsdaten und der differentiellen Wirkleitwertsdaten auf einer Echtzeit-Basis bei konstant gehaltenem Abstand zwischen der Probe und dem Meßfühler.

2. Tunnelspektroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionsmittel (44) ein Mittel zum Ermitteln der Komponenten der Grundschwingungsfrequenz der Vorspannung im Tunnelstrom-Signal einschließt und das Folgeregelungsmittel (45) den Abstand zwischen der Probe und dem Meßfühler unter Verwendung der Komponenten der Grundschwingungs frequenz regelt.

3. Tunnelspektroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (43) zum Anlegen der Vorspannung einen Sinus-Spannungsgenerator einschließt.

4. Tunnelspektroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste analoge Wirkungsmittel (46) einen Differenzierkreis (500, 510) zum Differenzieren des Tunnelstrom-Signals (IT) und der Vorspannung (VT) nach der Zeit und eine Dividierschaltung (52) zum Herleiten eines differentiellen Wirkleitwertes (∂IT/∂VT) durch Teilen des nach der Zeit differenzierten Wertes (∂IT) des Tunnelstrom-Signals durch den nach der Zeit differenzierten Wert (∂VT) des Vorspannungssignals auf Echtzeit-Basis einschließt.

5. Tunnelspektroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste analoge Wirkungsmittel (46) einen logarithmischen Verstärker zum Herleiten des Logarithmus des Tunnelstrom-Signals (IT) und der Vorspannung (VT) und Mittel zum Differenzieren des Logarithmus nach der Zeit und dem Zuführen der differenzierten Werte einer Teilungsoperation zum Herleiten des differentiellen Wirkleitwertes (∂IT/∂VT/I/V) auf Echtzeit-Basis einschließt.

6. Tunnelspektroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin ein Mittel umfaßt, mit dem nur die Daten des differentiellen Wirkleitwertes festgehalten werden, die in den Ausgangsdaten für den örtlichen differentiellen Wirkleitwertes auf Echtzeit-Basis des ersten analogen Wirkungsmittels (46) bei einer Sollspannung innerhalb des Bereiches der Amplitude der Vorspannung enthalten sind und die einer vorgeschriebenen, auf der Ausgangsspannung und der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung des Mittels zum Anlegen der Vorspannung basierenden Vorspannung entspricht.

7. Tunnelspektroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin ein Mittel (70) zum Abtasten und Speichern von Daten des örtlichen differentiellen Wirkleitwerts auf Echtzeit-Basis des ersten analogen Wirkungsmittels (46) bei wenigstens einer Sollspannung innerhalb des Bereiches der Amplitude der Vorspannung bei einem gewünschten Zeitablauf in einerkonstanten Periode der Ausgangsspannung des Mittels zum Anlegen der Vorspannung umfaßt.

8. Tunnelspektroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin eine Phasenentzerrungsschaltung umfaßt, mit der das Tunnelstrom- Signal (IT) und die an das erste analoge Wirkungsmittel (46) angelegte Vorspannung (VT) richtigphasig zueinander gesetzt werden.

9. Tunnelspektroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin ein Mittel zum Entfernen eines Signals mit einer von der in der zum Tunnelstrom gehörenden Spannung aus dem Strom-Spannungswandler auftretenden Vorspannung verschiedenen Phase aufgrund einer Leitfähigkeitskopplung zwischen Versorgungs mitteln des Meßfühlers und der Probe umfaßt.

10. Tunnelspektroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin umfaßt:

Mittel zum Hinzufügen einer Offset-Gleichspannung zur Vorspannung, um die Vorspannung positiv oder negativ zu machen.

11. Tunnelspektroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin umfaßt:

einen X,Y,Z-Feinantrieb (47) zum Servostellen des Meßfühlers,

Mittel (50) zum Anlegen einer Veränderungsspannung (ΔVZ) an der z-Achse mit einer Periode kleiner als 1/5 der Servo-Zeitkonstanten an den Feinantrieb zum Feinstellen des Meßfühlers in Z-Richtung; und

ein zweites analoges Wirkungsmittel (51) zum Aufnehmen der Veränderungsspannung (ΔVZ) an der z-Achse und des Tunnelstrom-Signals (IT) zum Herleiten einer Barrierenhöhe (φ or ( [φ])).

12. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information, das die folgenden Schritte umfaßt:

Anlegen einer zeitlich mit einer konstanten Periode zwischen der Probe (41) und dem Meßfühler (42) wechselnden Vorspannung (VT) mit einer voreingestellten Wellenform, und Ermitteln des Absolutwertes eines vollweggleichgerichten Tunnelstrom-Signals (IT), das einem Tunnelstrom entspricht, der dann fließt, wenn die Probe und der Meßfühler dicht aneinander gebracht werden;

Folgeregeln eines Abstandes zwischen der Probe und dem Meßfühler unter Verwendung des genannten Absolutwertes, während die Zeitkonstante eines Folgeregelkreises (45) so eingestellt wird, daß eine Beeinflussung des Abstandes zwischen der Probe und des Meßfühlers durch Oszillation der Vorspannung verhindert wird;

Herleiten von Information über die Unebenheitsdaten der Probe aus einer Ausgangsgröße des genannten Folgeregelkreises; und

Herleiten differentieller Wirkleitwertsdaten basierend auf dem Tunnelstrom-Signal (IT) und kontinuierliches Messen von Daten der Unebenheit und des differentiellen Wirkleitwertes auf einer Echtzeit-Basis mit konstant gehaltenem Abstand zwischen der Probe und dem Meßfühler.

13. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Folgeregelungsschritt einen Schritt einschließt, bei dem die Folgeregelung eine Abstand zwischen der Probe und dem Meßfühler unter Verwendung der Komponenten der Grundschwingungsfrequenz der Vorspannung bei einem Tunnelstrom-Signal (IT) bewirkt.

14. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung eine Sinus-Spannung ist.

15. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Ermittlung der Daten des differentiellen Wirkleitwertes auf einer Echtzeit-Basis einen Schritt zur Herleitung von Daten des differentiellen Wirkleitwertes bei wenigstens einem vorgeschriebenen Vorspannungs-Signal aus den Daten des örtlichen differentiellen Wirkleitwertes bei einer Sollspannung innerhalb des Bereiches der Vorspannungsamplitude einschließt.

16. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin einen Schritt umfaßt, bei dem das Tunnelstrom-Signal und das Vorspannungs-Signal vor dem Schritt der Ermittlung der Daten des differentiellen Wirkleitwertes auf Echtzeit-Basis richtigphasig zueinander gesetzt werden.

17. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin einen Schritt umfaßt, bei dem eine kapazitive Komponente eines zwischen Versorgungsmitteln des Meßfühlers und der Probe erzeugten Stroms aus dem Tunnelstrom-Signal (IT) entfernt wird.

18. Verfahren zur Gewinnung tunnelspektroskopischer Information nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt umfaßt:

Hinzufügen einer sich in einer konstanten Periode ändernden Offset-Spannung mit voreingestellter Wellenform zur Vorspannung (VT), um das Vorzeichen der Vorspannung positiv oder negativ zu machen, und Anlegen der hinzugefügten Spannung zwischen Probe (41) und Meßfühler (42).