專利名稱：用于測量交換力的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量一試樣表面和以很小距離面向該試樣表面配置的探頭之間的交換力的裝置。
迄今為止，在利用電子束分析固體試樣的很多已知方法中，采用其強度(電子數(shù))和動能作為測量量，用以進(jìn)行分析。另一種用于把握電子狀態(tài)的測量量是電子自旋。已經(jīng)提出幾種方法根據(jù)電子自旋評定固體物質(zhì)的微觀表面磁性。例如，按照

圖1中所示已經(jīng)提出幾種方法以原子級的分辨率測量各個原子的磁矩的方向。
根據(jù)在電子學(xué)方面近年來的進(jìn)展，磁記錄媒體上的記錄密度逐年提高。圖2是表示伴隨磁記錄媒體的變遷的記錄密度的變化量與各種評定表面磁性的方法之間關(guān)系的曲線圖。水平軸代表以格里(陽歷)年計的時間，左側(cè)豎直軸為線記錄密度(周期/厘米)，右側(cè)豎直軸代表以微米和毫微米計的評定表面磁性的各種方法的分辨率。在1900年開始的磁記錄按照1毫米的波長，后來變得越來越密。在錄音磁帶中線記錄密度得到提高。在β磁帶和VHS磁帶中同樣提高。在最近的一種蒸鍍式磁帶中，一位的長度為0.3-0.4微米。在現(xiàn)代硬盤中，一位的長度已縮短到0.16-0.19微米。利用電子全息攝影技術(shù)在Co-Cr媒體上已觀察到0.085微米的磁性記錄位。評定表面磁性方法的分辨率也得到提高。利用Bitter(比特)技術(shù)的分辨率已由1微米提高到0.7微米，利用Kerr(克爾)效應(yīng)方法的分辨率已由1微米提高到0.5微米。自旋極化掃描電子顯微鏡(SP-SEM)的分辨率由1984年的100-200微米到1994年20毫微米。利用磁力的顯微鏡(MFM)的分辨率1987年為100毫微米，1988年則為10毫微米。電子全息攝影的分辨率1991年為10毫微米，洛倫茲顯微鏡現(xiàn)在的分辨率為10毫微米，不久將來分辨率會達(dá)到0.7毫微米。
正如上面所解釋的，表面磁性評定的分辨率已越來越高。然而，在材料特性或工程方面例如磁記錄的基礎(chǔ)研究都需要將分辨率提高。因此，熱切地需要研究一種按照原子級分辨率評定固體表面的磁性特性的評定方法。本申請的發(fā)明人提出一種自旋極化掃描隧道顯微鏡(SP-STM)。
圖3是表示一種證實SP-STM效用的實驗裝置的示意圖。在一實際的SP-STM中，試樣是由磁性材料制成的，探頭是由砷化鎵(GaAs)制成的。然而，在該實驗裝置中，試樣是由GaAs制成的，探頭是由鎳(Ni)制成的。只要試驗研究是針對SP-STM的原理，這樣構(gòu)成不會帶來任何問題。單模激光二極管1用作波長約830毫微米的線性偏振光源，最大輸出功率約為30毫瓦。線性偏振激光束通過透鏡2入射到一普克爾盒3。由振蕩器4經(jīng)過高壓放大器5向普克爾盒3施加高電壓。于是，按約400赫的調(diào)制頻率受激勵的圓偏振激光束被調(diào)制成為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光。按這樣一種方式，使受激的電子的自旋極化產(chǎn)生變化。經(jīng)調(diào)制的激光束經(jīng)過反射鏡6-8，λ/4波片9和透鏡10作為激勵光入射到試樣11上。由晶體Ni的絲制成的探頭12由DC電壓源13施加偏壓，在壓電元件14的控制下，使之接近試樣11的表面11，這樣一隧道電流可以由試樣流向探頭。由一控制單元15檢測產(chǎn)生的隧道電流，控制單元的輸出信號連同來自振蕩器4的輸出信號提供到監(jiān)視器16。按照這種方式，檢測取決于試樣11的表面自旋極化的隧道電流。
在上述SP-STM中，檢測由于射線激勵產(chǎn)生的隧道電流，因此，不能適用于電絕緣的磁性材料。本發(fā)明人已經(jīng)提出有一種可能的原子力的顯微鏡(AMF)，其能檢測試樣和探頭之間的交換力。這樣一種原子力顯微鏡可以應(yīng)用于絕緣物體。
在該公知的原子力顯微鏡中，在一非接觸區(qū)內(nèi)進(jìn)行測量，即在該區(qū)域內(nèi)，探頭的端部與試樣表面分開相對大的距離，或者在一直接接觸區(qū)內(nèi)進(jìn)行測量，即在該區(qū)域內(nèi)，探頭的端部與試樣表面相接觸。在非接觸區(qū)內(nèi)進(jìn)行測量時，測量在磁偶極子之間產(chǎn)生的磁作用力。然而這些力屬于長距離的作用力。因此不可能實現(xiàn)原子級的分辨率。在直接接觸區(qū)內(nèi)進(jìn)行測量時，雖然可以按原子級的分辨率來評定表面結(jié)構(gòu)，但不能以精確的方式測量試樣和探頭之間的交換力，因為探頭端部與試樣表面相接觸并且受試樣表面的磁特性的影響。因此不可能以精確的方式評定試樣表面的本征磁性。
為了克服上述缺點，本發(fā)明人在同時待審的專利申請中提出了一種按原子級的分辨率測量探頭和導(dǎo)電或絕緣的試樣之間的交換力的方法。
按照這種方法，為了測量試樣和探頭之間的交換力，其中兩者中的每一方都包含定域電子以及至少其中一方包含傳導(dǎo)電子，試樣和探頭彼此以一定距離相對，這個距離在一個密切接近的范圍內(nèi)，即由傳導(dǎo)電子云(波函數(shù))開始彼此重疊的距離到定域電子云(波函數(shù))基本上彼此不相重疊的距離，并測量在所述兩種物質(zhì)之間的交換力。上述密切接近的區(qū)域被稱為RKKY型交換(力)交互作用區(qū)。
圖4表示試樣和探頭的作用力和能量隨其間的距離的變化。應(yīng)注意，該作用可以通過對能量求微分獲得。該RKKY型交換(力)交互作用區(qū)處在其中發(fā)生直接交換(力)交互作用的接觸區(qū)和其中在磁偶極子之間交互作用的非接觸區(qū)之間。在公知的原子力顯微鏡中，利用直接交換(力)交互作用區(qū)或非接觸區(qū)。在這些區(qū)域內(nèi)，不能按照原子級的分辨率測量試樣和探頭之間的作用力。應(yīng)注意，在圖4中用虛線表示直接交換(力)交互作用區(qū)，RKKY型交換交互作用區(qū)與磁偶極子交互作用區(qū)之間的邊界，但是在實際上，這些邊界是不能清楚確定的。
當(dāng)試樣和探頭彼此面向并在RKKY型交換交互作用區(qū)內(nèi)隔開某一距離時，試樣和探頭之間的交換力的量級為10-10牛頓。目前已有的原子力顯微鏡的測量極限約為10-12-10-13牛頓量級。因此，該10-10牛頓量級的交換力是可以測量的。
然而，如果要利用其中利用非接觸區(qū)的懸臂梁式的已知的原子力顯微鏡來測量在RKKY型交換交互作用區(qū)內(nèi)的交換力，要使探頭與試樣相接觸，因為試樣和探頭之間的距離是不能精確控制的。由于懸臂梁的彈性常數(shù)是十分小的，當(dāng)探頭與試樣密切接近時，懸臂梁的彈性力可能會克服試樣和探頭之間的作用力，而將懸臂梁吸向試樣。當(dāng)懸臂梁的彈性常數(shù)增加時，懸臂梁的靈敏度可能降低很多，不可能精確測量試樣和探頭之間的量級為10-10牛頓的交換力。
本發(fā)明的目的在于，提供一種新穎和實用的用于以原子級的分辨率精確測量彼此面對的按十分小的距離隔開的試樣和探頭之間在RKKY型交換力交互作用區(qū)內(nèi)的交換力的裝置。
根據(jù)本發(fā)明，一種測量試樣和探頭之間的交換力的裝置，其中試樣和探頭之中的每一方包含定域電子以及其中的至少一方包含傳導(dǎo)電子，該裝置包含用于固定所述試樣的裝置，彈性部件，用于支承所述探頭，使所述試樣和探頭以在一緊密接近的區(qū)域內(nèi)間隔的距離相對，即由傳導(dǎo)電子云開始彼此重疊的距離到定域電子云基本上彼此不相重疊的距離；位移測量裝置，用于測量由于試樣和探頭之間的作用力引起的所述彈性部件的位移；控制裝置，用于克服試樣和探頭之間的作用力控制所述彈性部件的彈性，從而防止探頭與試樣相接觸；以及交換力檢測裝置，用于根據(jù)所述彈性部件的所述位移檢測試樣和探頭之間的交換力。
根據(jù)本發(fā)明，所述彈性部件最好由一彈性懸臂梁構(gòu)成，該懸臂梁一端固定到一穩(wěn)定部件上；以及所述位移測量裝置包含一固定到懸臂梁上的第一壓電元件；一振蕩器，用于向所述第一壓電元件提供具有指定頻率和指定輻值的驅(qū)動信號；以及光電式位置檢測器件，用于檢測懸臂梁的位移。
在根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的裝置中，所述控制裝置包含一彈性常數(shù)調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)由位移測量裝置提供的彈性部件的位移信號調(diào)節(jié)彈性部件的彈性常數(shù)。
另外，控制裝置可以由這樣一個裝置構(gòu)成，該裝置利用電磁力或靜電力防止探頭與試樣相接觸。
在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的裝置中，所述位移測量裝置包含固定到懸臂梁上的第一壓電元件；一振蕩器，用于產(chǎn)生具有指定頻率和指定幅值的驅(qū)動信號；以及一光學(xué)式位置檢測裝置，用于以光電方式檢測懸臂梁的位移；所述彈性常數(shù)調(diào)節(jié)裝置包含第二壓電元件和一控制電路，用于向所述第二壓電元件提供控制信號，使懸臂梁按照指定頻率和指定幅值振動；以及所述交換力檢測裝置包含計算電路，用于處理由所述控制電路提供的所述控制信號，以得到所述試樣和探頭之間的交換力。
圖1是表示磁性試樣表面的原子結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是表示在磁媒體、線記錄密度、評定方法和分辨率各方面的進(jìn)展的示意圖。
圖3是表示公知的自旋極化掃描隧道顯微鏡結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4是表示距離與試樣和探頭之間作用力的相關(guān)關(guān)系的曲線圖；圖5是表示在用于根據(jù)本發(fā)明的裝置的測量原理的計算中所使用的試樣和探頭的示意圖；圖6是表示試樣和探頭的原子結(jié)構(gòu)模型的示意圖；圖7是表示距離和試樣與探頭之間距離的相關(guān)關(guān)系的曲線圖；圖8是表示距離和試樣的磁矩的相關(guān)關(guān)系的曲線圖；圖9A和9B是在直接交換(力)交互作用區(qū)和RKKY型交互作用區(qū)內(nèi)的電子狀態(tài)的示意圖；圖10是表示利用根據(jù)本發(fā)明的方法測量交換力的裝置的一個實施例的示意圖；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的交換力測量裝置的第二實施例的示意圖；以及圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的交換力測量裝置的第三實施例的示意圖。
首先，我們分析一簡單的模型，其中使兩個由一種3d過渡金屬的鐵制成薄膜彼此十分接近，如圖5中所示。其中一個薄的鐵薄膜可作為試樣，另一個作為探頭。在實際測量中，可以將試樣看作為一薄膜，但探頭是一十分尖的尖端，不能認(rèn)為是薄膜。然而，從微觀觀點來看，探頭也可以看作為一薄膜。還假設(shè)兩個薄膜都具有由圖6中所示的3個原子層組成的結(jié)構(gòu)，各薄膜的(001)面彼此面對距離為d，薄膜的晶格常數(shù)為(2.83埃)。
當(dāng)將坐標(biāo)的原點置于兩個薄膜之間的中點時，第一薄膜中的第一層x1中的原子位置用x1(0,0,d/2)來表示，第二層x2中的原子位置用x2(a/2,a/2,d/2+a/2)，以及第三層x3中的原子位置用x3(0,0,d/2+a)來表示。與之相似，在第二薄膜中，第一層x1’中的原子位置用x1’(a/2,a/2,-d/2)來表示，第二層x2’中的原子位置用x2’(0,0,-d/2-a/2)來表示，第三層x3’中的原子位置用x3’(a/2,a/2,-d/2-a)來表示。沒有考慮表面松馳。這樣假設(shè)晶格是剛性的。
由于兩個薄膜之間的交換力可以按兩個力之間的差得到，第一個力是在這些薄膜的各磁矩的方向彼此平行的狀態(tài)下得到的，第二個力是在這些薄膜中的各磁矩的方向彼此逆平行的狀態(tài)下得到的。因此，根據(jù)在這兩個薄膜之間的距離研究這些第一和第二力之間的相關(guān)關(guān)系。利用對于密度-函數(shù)理論的定位自旋近似，通過第一原理計算得出該關(guān)系。在計算時，利用全位(full potential)線性擴展平面波(LAPW)法。本發(fā)明人例如在“日本應(yīng)用物理學(xué)報(JJAP)”第33卷(1994)第2692-2695頁、“材料科學(xué)和工程”B31(1995)第69-76頁，以及“物理學(xué)報(Physicoal Review)”B56(1995)第3218-3321頁上舉出在這樣一種狀態(tài)下即各磁矩的方向彼此平行的狀態(tài)下施加到各個原子的作用力的計算結(jié)果。為了測量實際的交換力，需要得到在這樣一種狀態(tài)即各磁矩的方向彼此平行的狀態(tài)下所測量的作用力以及在這樣一種狀態(tài)即各磁矩的方向彼此逆平行的狀態(tài)下所測量的作用力之間的差。
根據(jù)本發(fā)明，不僅對在各磁矩的方向平行的狀態(tài)下施加于各個薄膜的作用力，而且對在各磁矩的反向平行狀態(tài)下施加于各個薄膜的作用力以極為精確的方式進(jìn)行計算，可以得到如在圖7中所示的計算結(jié)果。在圖7中，水平軸表示利用晶格常數(shù)(d./a)歸一化的距離。豎直軸表示作用力F(10-9牛頓)。曲線Fp代表在平行條件的作用力，曲線FAP代表沿逆平行條件的作用力。
在二薄膜間的作用力包含不同于交換力的一些作用力，因此為了只得到交換力，需要通過得到各作用力之間的差來消除不同于交換力的其他作用力。在圖7中，由曲線Fex=FAP-FP表示所計算的交換力。由Fex曲線可以看出，交換力與兩個薄膜之間的距離有很大的相關(guān)性。在d/a≤1.7的范圍內(nèi)，出現(xiàn)交換力。特別是，在d/a＜1.0的范圍內(nèi)，可識別出很大的交換力。在1.0≤d/a≤1.7的范圍內(nèi)，可識別出有交換力的存在。然而，在d/a＞2.0的范圍內(nèi)不可能有交換力出現(xiàn)。
然后，研究在平行和逆平行的狀態(tài)下薄膜的磁矩的相關(guān)性，在圖8中表示得到的結(jié)果。在圖8中，水平軸代表利用晶格常數(shù)(d/a)歸一化的薄膜之間的距離，豎直軸代表磁矩m(μB)。曲線X1(P)和X1(AP)、X2和X3分別表示在層X1、X2和X3中的原子的磁矩。由線X1(P)表示在平行的狀態(tài)下磁矩的變化，曲線X1(AP)表示在逆平行的狀態(tài)下磁矩的變化。在第二層X2中的原子的磁矩基本上與該主體(bulk)的對應(yīng)磁矩相同。當(dāng)兩個薄膜之間的歸一化的距離d./a小于1.0時，第一層X1的磁矩大為降低。這意味著在第一層X1中的原子受到直接交換交互作用。在該歸一化的距離d/a小于1.0的范圍內(nèi)，第一薄膜中的各自旋磁矩是直接交換(力)交互作用的。因此，在本發(fā)明中，這一范圍稱之為直接交換(力)交互作用區(qū)。正如前面參照圖7上面解釋的，在歸一化的距離d./a小于1.0的直接交換(力)交互作用內(nèi)，可得到大的交換力。然而，在這一直接交換(力)交互作用區(qū)內(nèi)，磁矩變化是很大的，因此，試樣表面的磁結(jié)構(gòu)可能受到探頭的影響，試樣表面的磁特性不能精確地評定。
根據(jù)本發(fā)明，更為優(yōu)選的是測量在1.0≤d/a≤1.7范圍內(nèi)的交換力。在d/a＜1.0的直接交換交互作用區(qū)內(nèi)，例如3d軌道上的定域電子云(波函數(shù))相互重疊如圖9A中所示，而1.0≤d/a≤1.7的范圍內(nèi)，雖然各定域電子云彼此分開的，如圖9B中所示，但4S和3P軌道上的傳導(dǎo)電子云(波函數(shù))是彼此重疊的。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過將試樣表面和探頭彼此分開一定距離來測量交換力，這一距離處在一個范圍內(nèi)，即由4S和3P軌道的傳導(dǎo)電子云開始彼此重疊的距離到3d軌道上的定域電子云彼此基本上不相重疊的距離。在本說明書中，這樣一個區(qū)域稱之為RKKY型交換(力)交互作用區(qū)。根據(jù)本發(fā)明對交換力的測量不僅適用于上述3d的過渡金屬，而且也適用于顯示磁性的分子、4f稀土金屬和化合物以及磁性的半導(dǎo)體。應(yīng)注意，本發(fā)明同樣適用于這樣兩種物質(zhì)，即兩者都包含定域自旋以及兩者中的至少一方包含傳導(dǎo)電子。
正如參照圖7上面解釋的，在RKKY型交換(力)交互作用區(qū)(即1.0≤d/a≤1.7)內(nèi)測量的交換力Fex幅值小于在直接交換(力)交互作用區(qū)內(nèi)測量的對應(yīng)值，但依然在10-10牛頓的量級?？梢詼y量到具有這樣幅值的交換力是因為常規(guī)的利用原子力的顯微鏡具有約10-12到10-13牛頓的分辨率。此外，這種RKKY型交換力按正弦方式變化，因此利用這一特征可以精確地測量交換力。
下面解釋根據(jù)本發(fā)明的用于測量試樣和探頭之間交換力的裝置的幾個實施例。
圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的用于測量上述RKKY型交換力的裝置的第一實施例的示意圖。將需評定磁特性的試樣21置于在一可以沿三維方向移動的載物臺22上。在載物臺22上方配置一彈性懸臂梁23，它的一端利用第一壓電元件25固定到一穩(wěn)定部件上。彈性懸臂梁23由硅、氮化硅、不銹鋼、磷青銅等制成的彈性條構(gòu)成。探頭24固定到近于彈性懸臂梁23前端的下表面上。最好，探頭24具有尖的頂端。根據(jù)本發(fā)明，對試樣21和探頭24的材料組合沒有專門限制，從可加工性來看探頭可以由任何適宜的材料制成，除去考慮由于磁性試樣的特性所要求的條件以外。因此，根據(jù)本發(fā)明，懸臂梁23和探頭24可以作為單一整體形成。
正如上面解釋的，懸臂梁23利用第一壓電元件25固定到穩(wěn)定部件上，壓電元件25連接到一產(chǎn)生幾百千赫頻率的驅(qū)動信號的振蕩器26上，使懸臂梁23按照這一頻率變化。在懸臂梁23的上表面上裝有一反射部件27，使由激光源28發(fā)射的激光束沿入射方向入射到反射部件上。由反射部件27反射的激光束由一位置傳感器29接收。位置傳感器29包含由多個光接收元件組成的陣列，可以檢測激光束入射的位置。按照這種方式，可以非常精確地檢測在與試樣21表面相垂直的Z方向的探頭24的位置。
試樣臺22、懸臂梁23、激光源28和位置傳感器29全都安裝在真空室30內(nèi)部，而真空室連通到一真空泵(未表示)。按照這種方式，真空室30內(nèi)部的空間可以維持在超高真空狀態(tài)下，以及可以不受沉積在試樣21上的灰塵影響實現(xiàn)對交換力的精確測量。如果將裝置置于一非常清潔的環(huán)境中，不必使用真空室。
為了防止由于試樣21和探頭24之間的作用力克服懸臂梁23的彈性力而使探頭24與試樣21相接觸，在本實施例中，裝設(shè)一彈性常數(shù)控制裝置。就是說，在懸臂梁23上裝設(shè)一第二壓電元件31。這一第二壓電元件31連接到控制電路32。
在真空室30外側(cè)，除了上述振蕩器26和控制電路32以外，設(shè)有一驅(qū)動電路33，用于驅(qū)動載物臺22；連接到所述位置傳感器29上的位移測量電路34；計算電路35，用于計算由控制電路32提供的輸出信號，得到施加于探頭24上的交換力；以及處理電路36，用于處理由計算電路35提供的輸出信號，以便根據(jù)所測量的施加到探頭24上的交換力評定試樣21的磁特性。
在將試樣21置于載物臺22上并對真空室30抽真空后，由驅(qū)動電路33驅(qū)動載物臺22，使探頭24的端部面向試樣的指定位置。在這種情況下，將試樣21和探頭24的端部之間的距離設(shè)定到一處在上述RKKY型交換交互作用區(qū)內(nèi)的數(shù)值上。然后，由振蕩器26驅(qū)動壓電元件25，以使彈性懸臂梁23和探頭24沿Z方向按指定頻率振動。該頻率最好設(shè)定為懸臂梁23的諧振頻率上。由于這種振動，激光束入射到位置傳感器29上的位置以周期方式改變。當(dāng)探頭24位置遠(yuǎn)離試樣21以及在試樣21和探頭24之間未產(chǎn)生作用力時，彈性懸臂梁23的振動完全不受影響，該梁按照指定頻率和幅值振動。然而，當(dāng)探頭24與試樣21接近距離處在所述RKKY型交換(力)交互作用區(qū)內(nèi)時，在試樣21和探頭24之間引起作用力，梁23的振動受到這一作用力的影響。于是，彈性懸臂梁23的振動頻率和幅值改變。在本實施例中，由位移測量電路34產(chǎn)生的位移信號提供到控制電路32?？刂齐娐?2產(chǎn)生控制信號以及這樣產(chǎn)生的控制信號提供到第二壓電元件31。形成的控制信號使懸臂梁23按與試樣21和探頭24之間的交換力無關(guān)的指定的頻率和幅值振動。換句話說，在本實施例中，向第二壓電元件31提供這樣一種信號，即根據(jù)試樣21和探頭24之間距離的降低使彈性懸臂梁23的彈性常數(shù)增加。
正如上面解釋的，利用第二壓電元件31控制懸臂梁23，使得懸臂梁23按照所述指定頻率和幅值振動，因此，由控制電路向第二壓電元件31提供的控制信號代表試樣21和探頭24之間引起的作用力。所以，控制信號還提供到計算電路35，以便求得試樣21和探頭24之間的作用力。這樣計算的作用力一旦存儲在計算電路35中。如上所述，在這樣一些狀態(tài)下即各磁矩方向彼此平行和各磁矩方向彼此反向平行的狀態(tài)下，測量試樣21和探頭24之間的作用力，以及按照這兩種作用力之間的差測量交換力。通過圍繞探頭24形成一電磁線圈以及流過使探頭沿第一方向磁化的第一方向的電流，可以實現(xiàn)這些平行狀態(tài)和反向平行狀態(tài)。在測量第一和第二作用力其中之一以后，使電流沿與所述第一方向相反的第二方向流過線圈，測量所述第一和第二作用力其中的另一方。在測量作用力的過程中，沒有電流流過線圈，因此，對作用力的測量完全不受影響。
然后，計算第一和第二作用力之間的差，并存儲在計算電路35中，以求得試樣21和探頭24之間的作用力。最后，將所計算的交換力(信號)提供到處理電路36，根據(jù)該交換力評定試樣21的磁特性。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的交換力測量裝置的第二實施例中的主要部分的示意圖。在上面解釋的第一實施例中，利用設(shè)在懸臂梁上的第二壓元件31控制彈性懸臂梁23的彈性常數(shù)，按這樣一種方式防止由于試樣和探頭之間的作用力的作用使探頭24與試樣24相接觸。在本實施例中，利用磁力防止懸臂梁吸住。為此，利用壓電元件41使彈性懸臂梁42振動，并將磁性元件43固定到懸臂梁42的前端。在磁性元件43上方設(shè)置磁化線圈44，其連接到控制電路46上?？刂齐娐?6連接到位移測量電路45上。
在本實施例中，通過根據(jù)由位移測量電路45提供的位移信號由控制電路46控制提供到磁化線圈44上的電流，產(chǎn)生施加到磁性元件43上的磁力，使得磁性元件向上移動，固定到懸臂梁42上的探頭48不會由于試樣和探頭之間的作用力而吸向試樣47。
按照這樣一種方式，通過控制提供到磁線圈44上的電流，懸臂梁42按照指定的頻率和幅值振動。于是，由控制電路46產(chǎn)生的控制信號代表試樣47和探頭48之間的交換力。在本實施例中，磁化線圈44置于懸臂梁42上方，但是也可設(shè)置于懸臂梁下方。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的交換力測量裝置第三實施例的示意圖。在本實施例中，彈性懸臂梁52由壓電元件51驅(qū)動按指定頻率和幅值振動，電極53置于在懸臂梁上方。一可變DC電壓源54連接在懸臂梁52和電極53之間。探頭56固定到懸臂梁56的前端，面向試樣55。調(diào)節(jié)由加在懸臂梁52和電極53之間的可變DC電壓源54根據(jù)控制信號提供的DC電壓，而該控制信號是根據(jù)懸臂梁52的位移產(chǎn)生的。于是，懸臂梁52受到在懸臂梁52和電極53之間產(chǎn)生的靜電力的作用，防止吸向試樣55。通過調(diào)節(jié)控制信號，使懸臂梁52按照與試樣55和探頭56之間的作用力無關(guān)的指定頻率和幅值振動，通過處理該控制信號可以測量試樣和探頭之間的交換力。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明的范圍內(nèi)由本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以考慮進(jìn)行很多替換和改進(jìn)。在上述各實施例中，利用機械力、磁力和靜電力來防止設(shè)在懸臂梁上的探頭吸到試樣上。然而，根據(jù)本發(fā)明，可以采用其它方式防止由于試樣和探頭之間的交換力作用而使探頭吸到試樣上。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的測量交換力的裝置中，設(shè)有控制裝置，以便克服試樣和探頭之間的作用力控制彈性懸臂梁的彈性，使得能防止探頭吸到試樣上。因此，可以不必考慮試樣和探頭的成分按照原子級的分辨率精確地測量試樣和探頭之間的交換力，以及根據(jù)所測量的交換力精確的地評定試樣的磁特性。
權(quán)利要求
1．一種測量試樣和探頭之間的交換力的裝置，試樣和探頭都包含定域電子以及至少其中的一方包含傳導(dǎo)電子，該裝置包含一用于固定所述試樣的裝置；一彈性部件，用于支承所述探頭，使得所述試樣和探頭彼此面向、間隔處在密切接近范圍內(nèi)的一個距離，即由傳導(dǎo)電子云開始彼此重疊的距離到定域電子云彼此基本上不相重疊的距離；位移測量裝置，用于測量由于試樣和探頭的作用力作用產(chǎn)生的所述彈性部件的位移；控制裝置，用于克服在試樣和探頭之間的作用力控制所述彈性部件的彈性，使得能防止探頭與試樣相接觸；以及交換力檢測裝置，用于根據(jù)所述彈性部件的位移檢測試樣和探頭之間的交換力。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述控制裝置包含一彈性常數(shù)調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)由位移測量裝置提供的彈性部件的位移信號調(diào)節(jié)彈性部件的彈性常數(shù)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述彈性部件是由一彈性懸臂梁構(gòu)成的，其一端固定到一穩(wěn)定部件上；以及所述位移測量裝置包含固定到懸臂梁上的第一壓電元件；一振蕩器，用于向所述第一壓電元件提供具有指定頻率和指定幅值的驅(qū)動信號；以及光電式位置檢測裝置，用于檢測懸臂梁的位移。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述彈性常數(shù)調(diào)節(jié)裝置包含一第二壓電元件和一控制裝置，其用于根據(jù)懸臂梁的位移向第二壓電元件提供控制信號，以使懸臂梁按指定頻率和幅值振動，以及所述交換力檢測裝置包含計算電路，用于處理由所述控制電路提供的所述控制信號，以求得試樣和探頭之間的交換力。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述控制裝置包含電磁控制裝置，用于根據(jù)懸臂梁的位移向探頭施加一作用力以使探頭遠(yuǎn)離試樣。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述電磁控制裝置包含設(shè)在懸臂梁上的磁性元件和與所述磁性元件相對設(shè)置的磁化線圈。
7．根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述控制裝置包含一利用靜電力防止探頭與試樣接觸的靜電控制裝置。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述靜電控制裝置包含與所述懸臂梁相對設(shè)置的電極和一可變DC電壓源，其連接到所述懸臂梁和電極之間，用于根據(jù)懸臂梁的位移提供DC電壓。
9．根據(jù)權(quán)利要求1-8中之一所述的裝置，其中所述試樣和探頭是由具有晶格常數(shù)為a的過渡金屬制成的，且探頭面向試樣表面間隔距離為d，滿足1.0≤d/a≤1.7的條件。
全文摘要
一種用于測量試樣和探頭之間的交換力的裝置,該試樣和探頭彼此面向且間隔一處在密切接近或RKKY型交換(力)交互作用區(qū)內(nèi)的距離,即由傳導(dǎo)電子云開始彼此重疊的距離到定域電子云基本上彼此不重疊的距離。為了防止由于試樣和探頭之間的作用力作用使探頭吸到試樣上,在懸臂梁上設(shè)一壓電元件,根據(jù)懸臂梁的位移產(chǎn)生一控制信號提供到壓電元件上,以控制懸臂梁的彈性常數(shù),根據(jù)提供到壓電元件上的控制信號計算試樣和探頭之間的交換力。
文檔編號G01N24/00GK1212365SQ9810969
公開日1999年3月31日 申請日期1998年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月15日
發(fā)明者武笠幸一, 早川和延, 末岡和久, 中村浩次, 田附雄一, 長谷川秀夫, 小口多美夫 申請人:北海道大學(xué)