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JP2763745B2 - Tip-coated atom transfer method - Google Patents

Tip-coated atom transfer method

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Publication number
JP2763745B2
JP2763745B2 JP6155071A JP15507194A JP2763745B2 JP 2763745 B2 JP2763745 B2 JP 2763745B2 JP 6155071 A JP6155071 A JP 6155071A JP 15507194 A JP15507194 A JP 15507194A JP 2763745 B2 JP2763745 B2 JP 2763745B2
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JP
Japan
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probe
tip
fine
atoms
atom
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JP6155071A
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Inventor
昭男 榎村
エリック・スナイダー
正和 青野
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Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Original Assignee
Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan filed Critical Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、探針被覆原子移動方
法に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、
特に単一電子メモリー、アトミックスイッチ等のナノメ
ータースケールの機能材料や量子効果を利用した新しい
電子デバイスの中心パーツとなる量子井戸、量子ドッ
ト、量子細線等の作成に特に有用な探針被覆原子移動方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe-coated atom transfer method. More specifically, the present invention
Probe-coated atom transfer particularly useful for creating quantum wells, quantum dots, quantum wires, etc., which are the core parts of new electronic devices using nanometer-scale functional materials such as single-electron memories and atomic switches, and quantum effects utilizing quantum effects. It is about the method.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】近年、量子効果を利用した全
く新しい動作原理の電子デバイスや単一電子メモリ、ア
トミックスイッチ等の新規能材料を作成する方法として
特にSTM(走査型トンネル顕微鏡)を用いる方法が注
目を集めている。従来このSTMの探針を用いて原子ス
ケールあるいはナノメータースケールの原子集団を表面
に配置する方法としては、極低温下にあるNi表面にX
e原子を散布し、その後探針を操作して所望の形に並べ
ていく方法[Eigler and schwizer, NATURE, VOL. 344.
1990 ]や、探針に高電界をかけ探針原子を表面に飛ば
す方法[Mamin, Guethner, Ruger, Phys. Rev. Letter,
VOL. 65, 1990]、探針を液体金属Gaで濡らしGa原
子を表面に飛ばす方法[Hosoki, Hasegawa, Beckman, K
ohno, Workshop on Atomic order measurement and con
trol, April 26-27,1993, ABSTRACT]等が知られてい
る。これらの方法はいずれも金属あるいは半導体表面上
に原子スケールあるいはナノメータースケールの電子デ
バイスあるいは/および各種機能材料の構築を可能にす
る技術である。
2. Description of the Related Art In recent years, in particular, an STM (scanning tunneling microscope) has been used as a method for producing a new material such as an electronic device, a single-electron memory, or an atomic switch using an entirely new operating principle utilizing the quantum effect. The method is getting attention. Conventionally, a method of arranging atomic scales on the atomic scale or nanometer scale on the surface using the STM probe has been described by using an X
Spraying e-atoms and then manipulating the tip to arrange them in the desired shape [Eigler and schwizer, NATURE, VOL. 344.
1990] and a method in which a high electric field is applied to the probe to cause the probe atoms to fly to the surface [Mamin, Guethner, Ruger, Phys. Rev. Letter,
VOL. 65, 1990], a method in which a probe is wetted with liquid metal Ga and Ga atoms are ejected to the surface [Hosoki, Hasegawa, Beckman, K
ohno, Workshop on Atomic order measurement and con
trol, April 26-27, 1993, ABSTRACT]. Each of these methods is a technology that enables the construction of electronic devices and / or various functional materials on the atomic or nanometer scale on a metal or semiconductor surface.

【0003】しかしながら、上記の従来のEiglerおよび
Schwizerの方法では、基板上にある原子を操作するため
には、探針を近づけた時に探針とより強く結合し、離れ
た時に基板表面とより強く結合しなければならず、この
ような操作を可能にする基板上原子、基板表面原子、探
針原子の組み合せがごく限られるという問題があった。
またMamin 、GuethnerおよびRuger の探針原子そのもの
を飛ばす方法では、Auのような特別の場合を除き、電
界作用で原子が飛び出した後の探針の構造に欠陥が生
じ、原子操作している内にSTM用探針として正常に機
能しなくなるという問題点があり、また、Hosoki, Hase
gawa, Beckman および Kohnoの発明では、電子デバイス
を作成時に液体として安定な金属の種類がごく限られて
いるという問題点があった。
However, the above-mentioned conventional Eigler and
According to Schwizer's method, in order to manipulate atoms on the substrate, the probe must be more strongly bonded to the probe when approaching the probe, and more strongly to the substrate surface when the probe is separated. There is a problem that the combinations of atoms on the substrate, atoms on the substrate surface, and probe atoms that enable the above are extremely limited.
Mamin, Guethner, and Ruger's method of flying the probe atoms themselves, except in special cases such as Au, causes a defect in the structure of the probe after the atoms have popped out due to the electric field effect, resulting in the atom manipulation. Has a problem that it does not function properly as a probe for STM. Hosoki, Hase
The inventions of gawa, Beckman and Kohno have the problem that the types of metals that are stable as liquids during the fabrication of electronic devices are very limited.

【0004】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであって、従来技術の欠点を解消し、走査型
トンネル顕微鏡(STM)を用いてナノメータスケール
デバイスを作成する技術に関して、これら原料となる原
子をSTM探針の先端に安定に供給する方法を提供する
ことを目的としている。
[0004] The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and solves the drawbacks of the prior art and relates to a technique for producing a nanometer-scale device using a scanning tunneling microscope (STM). It is an object of the present invention to provide a method for stably supplying atoms serving as raw materials to the tip of an STM probe.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するために、走査型トンネル顕微鏡(STM)
微細探針を用いて原子を操作し、半導体あるいは金属表
面上に原子スケールの電子デバイスあるいは各種機能材
を構築する原子操作方法において、STM用微細探針に
これら電子デバイスあるいは各種機能材用の材料を蒸着
被覆し、次いで被覆された材料の原子を微細探針の先端
部より微細探針を正極として電界蒸発させる工程の後
に、電界蒸発により先端部が露出して被覆された材料原
子が消失した微細探針を負極として電圧印加し、残存す
る被覆された材料の原子を微細探針中を流れる電流の作
用により前記露出した微細探針の先端にまで移動させ
て次の電界蒸発を可能とすることを特徴とする探針被覆
原子移動方法を提供する。つまり、電界蒸発−被覆され
た材料原子の消失・微細探針先端部の露出−露出先端部
への被覆された材料原子の移動のプロセスを繰り返し可
能とする探針被覆原子の移動方法を提供する。また、こ
の発明は、その態様として、前記探針電流を、探針先端
よりトンネル電子を放射させることにより得ることや、
前記被覆材料と探針材料の組合せにおいて、探針材料が
W、MoまたはSiである場合には、被覆材料がPd、
Au、Ni、GeまたはAlの少くとも1種を用いるこ
と、さらには、前記原料と探針材料の組み合せにおい
て、探針上で原料のエレクトロマイグレーションが生ず
る物質を用いる探針被覆原子移動方法をも提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a scanning tunneling microscope (STM) .
In an atomic operation method for manipulating atoms using a fine probe to construct an atomic-scale electronic device or various functional materials on a semiconductor or metal surface, a material for these electronic devices or various functional materials is used for a STM fine probe. Evaporated
Coating, then atomizing the coated material with the tip of the microtip
After the step of evaporating the electric field with the fine probe as the positive electrode from the part
In addition, the raw material covered with the tip exposed by electric field evaporation
A voltage is applied to the fine probe from which the probe
Moving the atoms of the coated material to the exposed tip of the fine probe by the action of a current flowing through the fine probe.
Probe coating characterized that you allow the next field evaporation Te
Provide an atom transfer method. In other words, the field evaporation-coated
Loss of material atoms, exposure of the tip of the fine probe-exposed tip
Process of moving coated material atoms to
Provided is a method for moving a probe-coated atom. Further, according to the present invention, as the aspect, the probe current is obtained by emitting tunnel electrons from the tip of the probe,
In the combination of the coating material and the probe material, when the probe material is W, Mo or Si, the coating material is Pd,
At least one kind of Au, Ni, Ge or Al is used. Further, in the combination of the raw material and the probe material, a probe-coated atom transfer method using a substance that causes electromigration of the raw material on the probe is also used. provide.

【0006】[0006]

【作用】この発明によれば、探針電流が原子を移動させ
るのに十分の大きさとなっているため、探針被覆材料の
原子の探針の先端への接近を可能とする。この場合、十
分の大きさの探針電流を得る方法として、探針に負の電
圧を印加しトンネル電子を探針先端近傍より真空中に放
出させるトンネル電子電流を利用することができる。
According to the present invention, since the probe current is large enough to move the atoms, the atoms of the probe coating material can approach the tip of the probe. In this case, as a method for obtaining a sufficiently large probe current, a tunnel electron current that applies a negative voltage to the probe and emits tunnel electrons into vacuum from near the tip of the probe can be used.

【0007】ここで、トンネル電流の放射時に探針中を
流れる電流がエレクトロマイグレーションを起こすのに
十分の大きさであることを、電界放射顕微鏡で流れるト
ンネル電子電流を用いて探針上の原子を移動させ得るこ
とを示すことによって説明する。すなわち、まず、たと
えば図1に示すように、真空中におかれた曲率半径Åの
モリブデン探針に10cm離れた平板状の正極に対し3
000Vの負電圧をかけたとすると、探針表面上での電
界の強さは探針の頂点からの距離(x)の関数として図
2に示すように、探針先端近傍で107 V/cm台の大
きさとなっている。このような高電圧下において、探針
内の電子はトンネル効果により固体より飛び出し電界放
射電流となる。またこの時のような外部電圧、探針径の
もとでは下記のように電界放射電流密度(j)に対する
ファウラー・ノルドハイムの公式がよく成り立つことが
知られている。
Here, the fact that the current flowing through the probe at the time of the emission of the tunnel current is large enough to cause electromigration is determined by using the tunneling electron current flowing through the field emission microscope to remove atoms on the probe. It will be described by showing that it can be moved. That is, first, as shown in FIG. 1, for example, a molybdenum probe having a radius of curvature れ た placed in a vacuum is placed on a flat positive electrode 10 cm away from a positive electrode.
When multiplied by the negative voltage of 000V, the intensity of the electric field on the probe surface, as shown in FIG. 2 as a function of distance (x) from the apex of the tip, 10 7 V / cm in the probe tip near The size of the table. Under such a high voltage, the electrons in the probe protrude from the solid due to the tunnel effect and become a field emission current. It is also known that the Fowler-Nordheim formula for the field emission current density (j) holds well under the external voltage and the probe diameter as described below.

【0008】[0008]

【数1】 (Equation 1)

【0009】ここで、jの単位は、Å/cm2 、Fは単
位V/cmで与えられた電界の強さ、Φは、単位eVの
仕事関数である。ファウラー・ノルドハイムの公式を用
いて探針表面上での電界放射電流密度の大きさを計算す
ると探針の頂点からの距離(x)の関数として図3に示
すようになり、これを探針の表面で積分することによ
り、全電界放射電流量を得る。これは、探針中を流れる
全電流に等しく、その値を示したものが表1である。
Here, the unit of j is Å / cm 2 , F is the intensity of the electric field given in the unit of V / cm, and Φ is the work function in the unit of eV. Calculating the magnitude of the field emission current density on the probe surface using the Fowler-Nordheim formula yields as shown in FIG. 3 as a function of the distance (x) from the tip of the probe. By integrating at the surface, the total field emission current is obtained. This is equal to the total current flowing through the probe, and Table 1 shows the value.

【0010】[0010]

【表1】 [Table 1]

【0011】図3から明らかなように、電界放射電流密
度は探針上で探針の頂点から離れるに従い急速に減少し
ていく。ここで、頂点の最大電界放射電流密度より四桁
小さい箇所では、もはや、そこの全電界放射電流量に対
する寄与は無視し得るとして、この地点を先端位置Pf
と命名し、以後これより頂点に近い領域(図1中のA部
分)で電界放射が生じているとする。図1にはPf と電
界放射の様子が図式的に示されている。
As is apparent from FIG. 3, the electric field emission current density decreases rapidly as the distance from the tip of the probe increases. Here, the four orders of magnitude smaller portions than the maximum field emission current density of vertices, longer, as contribution negligible for all field emission current amount of which tip the point position P f
It is assumed that electric field emission occurs in a region closer to the vertex (A portion in FIG. 1). State of P f and field emission is shown schematically in Figure 1.

【0012】一方、Pf より探針軸部にかけて(図1中
のB部分)は、電流は探針を流れるのでその電流を探針
電流と名付け電界放出電流と区別することにする。探針
電流密度(jTip )は全電流の値を各探針の断面積で割
った値であり、探針先端近傍での大きさの変化を図3に
示してある。探針全体にわたる探針電流密度の距離
(x)依存性は図4に示した通りで、式2のように探針
先端からの距離xのべきで記述される。
Meanwhile, over the probe shaft from the P f (B portion in FIG. 1), the current is to distinguish the current flows through the probe and probe current and the named field emission current. The tip current density (j Tip ) is a value obtained by dividing the total current value by the cross-sectional area of each tip, and the change in the magnitude near the tip of the tip is shown in FIG. The dependence of the probe current density on the distance (x) over the entire probe is as shown in FIG. 4 and is expressed by the power x of the distance from the tip of the probe as in Equation 2.

【0013】[0013]

【数2】 (Equation 2)

【0014】ここで、jTip の単位はÅ/cm2 、xの
単位はÅである。このように探針電流密度は電界放射電
流密度と異なりBの広い領域でゆるやかに変化すること
が特徴である。探針に第二金属が被覆されている場合、
この被覆金属原子は探針電流との相互作用の結果、電流
方向あるいはその反対方向にエレクトロマイグレーショ
ンすると考えられる。実際モリブデン薄膜表面上に金を
蒸着した二層膜についてこの二層膜に電流を流しエレク
トロマイグレーションの実験を行なった結果では、確か
にエレクトロマイグレーションが生じることが報告され
ている[A. Blech and E. Kinsbron. Thin SolidFilms,
VOL. 25, 1975, pp.327]。このエレクトロマイグレー
ションで運ばれる原子の移動速度(v)は金、モリブデ
ン二層膜を流れる電流密度(j)に正比例することが明
らかとなっている[A. Blech and E. Kinsbron. Thin S
olidFilms, VOL. 25, 1975, pp.327]。そして、温度が
430°Cの場合には、
Here, the unit of j Tip is Å / cm 2 , and the unit of x is Å. As described above, unlike the field emission current density, the probe current density is characterized by a gradual change in a wide region of B. If the tip is coated with a second metal,
It is considered that the coated metal atoms electromigrate in the current direction or in the opposite direction as a result of the interaction with the probe current. In fact, the results of conducting an electromigration experiment with a current flowing through a bilayer film of gold deposited on a molybdenum thin film surface have shown that electromigration does occur [A. Blech and E. Kinsbron. Thin SolidFilms,
VOL. 25, 1975, pp. 327]. It has been found that the speed of movement (v) of atoms carried by this electromigration is directly proportional to the current density (j) flowing through the gold-molybdenum bilayer film [A. Blech and E. Kinsbron. Thin S
olidFilms, VOL. 25, 1975, pp. 327]. And when the temperature is 430 ° C,

【0015】[0015]

【数3】 (Equation 3)

【0016】である。ここで、vの単位はÅ/sec、
jの単位はÅ/cm2 。さて、先に見積った探針電流密
度jTip を式3に代入すると探針上に付着した金原子の
移動速度を得る。Pf の位置における移動速度vも表1
に示してある。また、金を1層被覆させた場合のエレク
トロマイグレーションで選ばれる原子数も合わせて表1
に示してある。これからも明らかなように曲率半径50
0Å、外部電圧3000Vのとき、Pf は840Åの位
置にあり、探針被覆金属原子は、560Å/hの速度で
運ばれる。その時の移動原子の個数は毎秒1.1×10
2 個と電子デバイスの構築に取って十分な大きさの値と
なっている。
## EQU1 ## Here, the unit of v is Å / sec,
The unit of j is Å / cm 2 . By substituting the previously estimated tip current density j Tip into Equation 3, the moving speed of the gold atom attached on the tip is obtained. The moving speed v at the position of P f is also shown in Table 1.
It is shown in Table 1 also shows the number of atoms selected by electromigration when one layer of gold is coated.
It is shown in As is clear from this, the radius of curvature 50
At 0 ° and an external voltage of 3000 V, P f is at 840 ° and the tip-coated metal atoms are carried at a rate of 560 ° / h. The number of mobile atoms at that time is 1.1 × 10
It has a sufficiently large value taking the construction of the two and the electronic device.

【0017】ここで、探針材料を変えた場合のPf 位置
の変化について述べると、表1に示すようにモリブデン
とタングステンでは仕事関数が4.8%異なるだけであ
るのに対し、Pf は実に48%も変わる。従ってこの発
明において用いている探針材料の仕事関数の値は被覆金
属原子の先端位置Pf を決める上で重要なパラメーター
である。この発明においては、被覆金属原子の先端位置
(図1Pf )をさらに探針先端に近づけることが可能で
ある。
Here, the change in the P f position when the probe material is changed will be described. As shown in Table 1, while the work functions of molybdenum and tungsten differ only by 4.8%, P f differs. Changes by as much as 48%. Therefore, the value of the work function of the probe material is used in the present invention is an important parameter in determining the end position P f of the coated metal atom. In the present invention, it is possible to approach the further probe tip end position of the coated metal atoms (Figure 1P f).

【0018】図5は、探針材料としてタングステンを、
被覆金属原子として金を用いた場合の位置Pf の変化を
探針の曲率半径がr=500Å,r=100Å,r=5
0Åの3種類の場合について、外部電圧の関数として示
したものである。表2にこの図を描くにあたって基にし
た全電界放射電流量、位置Pf、移動速度、一層分被覆
させた時の移動原子の個数に対する諸数値を記した。
FIG. 5 shows tungsten as a probe material,
Curvature change of the probe position P f in the case of using gold as the coating metal atomic radius r = 500Å, r = 100Å, r = 5
It is shown as a function of the external voltage for the three cases of 0 °. Table 2 shows various numerical values with respect to the total electric field emission current amount, the position Pf, the moving speed, and the number of moving atoms when one layer is covered, based on drawing this figure.

【0019】[0019]

【表2】 [Table 2]

【0020】図5から明らかなように、外部電圧を減少
させることにより、Pf は先端に近づき、また表2から
明らかなように曲率半径が小さい探針ほど大きな移動速
度(v)を保ったままPf は先端に近づくことがわか
る。以上、詳しく説明した通り、探針を連続体として取
り扱い、ファウラー・ノルドハイムの公式がどの表面で
も同じ仕事関数で成り立つとしてこの発明の作用につい
て説明してきたが、この発明に係わる最近明かにされた
重要な知見として、探針先端にある単原子から電界放射
がありうることである。この研究をしたVu Thien Binh
ら(Vu Thien Binh, S. T. Purcell, N. Garica and J.
Doglioni, Phys. Rev. Letters vol. 69, pp2527, 199
2) に従うと、探針最先端に位置している単原子から電
界放射が生じることが明白に認められておりその場合の
全電界放射電流は、3×10-13 〜4×10-9Åと小さ
いが単原子がのっている探針先端台座の面積は極めて狭
く従って探針電流密度は十分の大きさとなっており、表
2に示すように、式3より計算した移動速度は最大約5
×10-1Å/hで1層つけた場合の移動原子の個数は毎
秒103 個と極めて大きな値となっている。ここで、被
覆金属原子の先端位置(Pf )は、探針先端に位置して
いるといってよく、このような先端の一原子から電界放
射が生じているような探針では、この発明によれば被覆
金属原子をこの位置まで探針軸部より移動させることが
可能である。
As can be seen from FIG. 5, by decreasing the external voltage, P f approaches the tip, and as can be seen from Table 2, a probe with a smaller radius of curvature maintains a higher moving speed (v). Mom P f it is found that the closer to the tip. As described above, the operation of the present invention has been described assuming that the probe is treated as a continuum and that the Fowler-Nordheim formula holds the same work function on any surface. One important finding is that a single atom at the tip of the probe can emit electric field. Vu Thien Binh who did this research
(Vu Thien Binh, ST Purcell, N. Garica and J.
Doglioni, Phys. Rev. Letters vol. 69, pp2527, 199
According to 2), it is clearly recognized that electric field emission is generated from a single atom located at the tip of the probe. In this case, the total electric field emission current is 3 × 10 -13 to 4 × 10 -9 Å Although the area of the probe tip pedestal on which a single atom is mounted is extremely small, the probe current density is sufficiently large. As shown in Table 2, the moving speed calculated from the expression 3 is at most about 5
The number of mobile atoms when one layer is formed at × 10 -1 Å / h is an extremely large value of 10 3 per second. Here, the tip position (P f ) of the coated metal atom may be said to be located at the tip of the probe. In such a probe in which electric field emission is generated from one atom of the tip, the present invention is applied. According to this, it is possible to move the coating metal atom to this position from the probe shaft.

【0021】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

【0022】[0022]

【実施例】長さ1cmの<111>方向に伸びている単
結晶モリブデン線を電界研磨することによりモリブデン
探針を作成した。電界研磨は、0.5NのKOH溶液に
この単結晶モリブデン線の先端1mmを浸し、単結晶モ
リブデン線を正極として5〜15Vの電圧を印加し電流
が流れなくなった時点で引き上げるという方法で行なっ
た。得られたモリブデン探針は、エタノール中で超音波
洗浄後、真空度10 -10 torrの真空チャンバー内に
セットした。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A 1 cm long single-layer extending in the <111> direction
Molybdenum is obtained by electropolishing crystalline molybdenum wire.
Created a probe. For electropolishing, use 0.5N KOH solution
Dip the 1 mm tip of this single crystal molybdenum wire
Applying a voltage of 5 to 15 V using a lithium wire as the positive electrode and applying a current
When it stops flowing,
Was. The obtained molybdenum probe is ultrasonically immersed in ethanol.
After washing, vacuum degree 10 -Tenin the torr vacuum chamber
I set it.

【0023】真空チャンバーから探針を取り出すことな
く、電子衝撃法により約1200℃の加熱処理後、探針
を正極として8Kvから10Kvの高電圧を繰り返しか
け、電界蒸発クリーニングを行った。走査型電子顕微鏡
によりモリブデン探針の先端曲率半径を調べ、500Å
であることを確認し、また電界イオン顕微鏡によりモリ
ブデンの探針先端の結晶構造を調べた。先端は(11
1)面が出ておりトリマーの上に頂点モリブデン原子が
突出していることを確認した。
Without removing the probe from the vacuum chamber, after a heat treatment at about 1200 ° C. by an electron impact method, a high voltage of 8 Kv to 10 Kv was repeatedly applied using the probe as a positive electrode to perform field evaporation cleaning. The radius of curvature of the tip of the molybdenum probe was checked with a scanning electron microscope, and the
Then, the crystal structure of the tip of the molybdenum probe was examined with a field ion microscope. The tip is (11
1) It was confirmed that the surface was protruded and the molybdenum atom at the top was projected above the trimmer.

【0024】その後、真空チャンバーに取り付けられた
タングステンフィラメントを用いた金蒸着源をフィラメ
ント温度1250℃で、探針に向けて2分間動作させる
ことにより金原子を気体分子運動論で理論上見積られる
厚さ4Åを被覆した。電界イオン顕微鏡による構造観察
では、先端は先のモリブデンの結晶構造は認められない
ことから金が先端にまで付着していると判断した。
Thereafter, a gold vapor deposition source using a tungsten filament attached to a vacuum chamber is operated at a filament temperature of 1250 ° C. toward the probe for 2 minutes to convert gold atoms to a thickness theoretically estimated by gas molecule kinetics. 4 mm. According to the structure observation by a field ion microscope, the crystal structure of molybdenum at the tip was not recognized, so it was determined that gold had adhered to the tip.

【0025】次に、金の蒸発電界が3.5V/Å、モリ
ブデンの蒸発電界が4.6V/Åであることを考慮し、
探針先端の電界の強さが3.55V/Åに対応するよう
10cm離れたアース電極に対し探針を正極として14
KVの電圧を1分与えた。再び電界イオン顕微鏡により
先端構造を調べたところ金蒸着前と同様のモリブデンの
結晶構造が出ており電界蒸発により金原子が離脱したこ
とを確認した。つぎに探針を負極として3KVの電圧を
30秒与えた。電界イオン顕微鏡を用いて探針の先端構
造を調べたところ、先のモリブデンの結晶構造は認めら
れないことから金が再び先端を覆っていると結論した。
次に同じ14KVを与え金の電界蒸発を確認した後、再
び探針を負電極として1KVを30秒印加した。今度は
電界イオン顕微鏡による観察で3KVの時のような金の
先端被覆は認められなかった。しかしながら、2KVに
上げ30秒印加の場合には金で覆われることを確認し
た。
Next, considering that the evaporation electric field of gold is 3.5 V / Å and the evaporation electric field of molybdenum is 4.6 V / Å,
The probe is used as a positive electrode with respect to a ground electrode 10 cm away so that the electric field strength at the tip of the probe corresponds to 3.55 V / 55.
A voltage of KV was applied for one minute. When the tip structure was examined again by a field ion microscope, it was confirmed that the same molybdenum crystal structure as that before gold deposition was present, and that gold atoms were detached by field evaporation. Next, a voltage of 3 KV was applied for 30 seconds using the probe as a negative electrode. When the tip structure of the probe was examined using a field ion microscope, it was concluded that gold was covering the tip again because no crystal structure of molybdenum was observed.
Next, after applying the same 14 KV and confirming the electric field evaporation of gold, 1 KV was again applied for 30 seconds using the probe as a negative electrode. This time, observation with a field ion microscope showed no gold tip coating as at 3 KV. However, it was confirmed that the film was covered with gold when the voltage was increased to 2 KV and applied for 30 seconds.

【0026】以上のことから、金は探針に負の電圧を加
えることにより被覆金原子を先端部分に移動させること
が可能で、その移動の有無は加えた電圧の大きさに依存
することを確認した。
From the above, it can be understood that gold can move the coated gold atom to the tip portion by applying a negative voltage to the probe, and the presence or absence of the movement depends on the magnitude of the applied voltage. confirmed.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
り、被覆材料の原子をSTM用探針の先端に向けて移動
させることが可能となる。この原子の移動のための電流
は、探針先端より放出されるトンネル電流を利用するこ
とができ、STMを用いてデバイスを構築する際に真空
チャンバーより探針を取り出すことなく、いつでもST
M探針の先端に電子デバイスあるいは各種機能材用の材
料原子を供給することが可能となる。
As described in detail above, according to the present invention, atoms of the coating material can be moved toward the tip of the STM probe. As the current for the movement of atoms, a tunnel current emitted from the tip of the probe can be used. When constructing a device using the STM, the probe can be used at any time without removing the probe from the vacuum chamber.
Material atoms for electronic devices or various functional materials can be supplied to the tip of the M probe.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】探針および平板正極の配置を示した説明図であ
る。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an arrangement of a probe and a flat cathode.

【図2】曲率半径500Åのモリブデン探針に3000
Vの電圧をかけたときの探針表面上の電界の強さと先端
からの距離の関係を示した関係図である。
FIG. 2 3000 molybdenum probe with a radius of curvature of 500 °
FIG. 4 is a relationship diagram showing a relationship between the strength of an electric field on the probe surface and the distance from the tip when a voltage of V is applied.

【図3】探針電流密度と電界放射電流密度をx軸方向の
距離の関数として表わした関係図である。
FIG. 3 is a relationship diagram showing a probe current density and a field emission current density as a function of a distance in an x-axis direction.

【図4】モリブデン探針に金を被覆し3000Vの電圧
をかけた時の金原子の移動量と探針電流密度との関係を
x軸方向の距離の関数として表わした関係図である。
FIG. 4 is a relationship diagram showing the relationship between the movement amount of gold atoms and the probe current density when a molybdenum probe is coated with gold and a voltage of 3000 V is applied, as a function of the distance in the x-axis direction.

【図5】図1で示した先端位置Pf の電圧に対する変化
を三つの曲率半径の場合について表わした関係図であ
る。
FIG. 5 is a relationship diagram showing a change in a tip position Pf with respect to a voltage shown in FIG. 1 for three curvature radii.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 37/30 H01J 37/28 G01N 37/00Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01J 37/30 H01J 37/28 G01N 37/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 走査型トンネル顕微鏡の微細探針を用い
て原子を操作し、半導体あるいは金属表面上に原子スケ
ールの電子デバイスあるいは各種機能材を構築する原子
操作方法において、細探針にこれら電子デバイスある
いは各種機能材用の材料を蒸着被覆し、次いで被覆され
た材料の原子を微細探針の先端部より微細探針を正極と
して電界蒸発させる工程の後に、電界蒸発により先端部
が露出して被覆された材料原子が消失した微細探針を負
極として電圧印加し、残存する被覆された材料の原子を
微細探針中を流れる電流の作用により前記露出した微細
探針の先端にまで移動させて次の電界蒸発を可能とす
ることを特徴とする探針被覆原子移動方法。
[Claim 1] with a fine probe of a scanning tunneling microscope operating the atom, the atomic operation method for constructing an electronic device or various functional materials atomic scale on the semiconductor or metal surface, these fine fine probe Vapor coating of materials for electronic devices or various functional materials , and then coating
The fine material tip from the tip of the fine probe is
After the step of evaporating the electric field, the tip
The fine probe where the exposed material atoms have disappeared
A voltage is applied as a pole to remove the remaining coated material atoms.
Probe covering atom is moved to the distal end of the fine <br/> probe was the exposed by the action of the current flowing through the fine probe in characterized <br/> Rukoto to allow the next field evaporation Moving method.
【請求項2】 探針先端よりトンネル電子を放射させる
ことにより原子移動の電流を得る請求項1の探針被覆原
子移動方法。
2. The method according to claim 1, wherein a current for atom transfer is obtained by emitting tunnel electrons from the tip of the probe.
【請求項3】 探針材料がW、MoまたはSiであっ
て、被覆材料がPd、Au、Ni、GeまたはAlの少
くとも1種である請求項1または2の探針被覆原子移動
方法。
3. The method according to claim 1, wherein the probe material is W, Mo or Si, and the coating material is at least one of Pd, Au, Ni, Ge and Al.
【請求項4】 探針上でエレクトロマイグレーションが
生ずる被覆材料を用いる請求項1、2または3の探針被
覆原子移動方法。
4. The method according to claim 1, wherein a coating material that causes electromigration on the probe is used.
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