[发明专利]原子力显微镜以及采用原子力显微镜的相互作用力测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及原子间力显微镜(AFM＝Atomic Force Microscopy)、尤其涉及频率调制检测方式的原子间力显微镜(FM-AFM＝FrequencyModulation-AFM)和采用原子力显微镜来用于对探针位于试料表面的附近的情况下在两者间起作用的短距离相互作用力进行测定的相互作用力测定方法。 

背景技术

原子间力显微镜(AFM)为，根据悬臂的位移测定在尖锐的探针与试料表面之间起作用的力，通过沿试料表面一维地或者二维地扫描探针来取得试料表面的形状等的信息的装置。公知频率调制检测方式的FM-AFM作为该AFM之一。FM-AFM中，使在试料表面保持接近到原子能级(level)的距离为止的探针的悬臂以该机械的共振频率振动，检测通过在探针和试料表面之间发生作用的相互作用力所产生的共振频率的变化(频率偏移Δf)。由于该频率偏移Δf依赖于探针与试料表面之间的距离Z，因此将频率偏移Δf维持为固定，并且通过在与试料上的法线方向正交的面内对试料表面进行二维扫描(例如光栅扫描)，能够得到试料表面的凹凸观察像(Δf固定像)。 

如后所述那样根据探针与试料表面之间的互作用力能得到各种信息，但是在FM-AFM中不能通过实验直接求出相互作用力。在此，如上所述，测定频率偏移Δf与探针-试料表面间距离Z之间的关系(以下称做“Δf曲线”)，通过进行基于例如在非专利文献1～3等中记载的原理的变换计算，求得相互作用力F与探针-试料表面间距离Z之间的关系(以下称作“F曲线”)。此外，相互作用力F利用势能的倾斜度的关系，也能够根据F曲线推定探针-试料表面间的势能曲线。 

在探针与试料表面之间的相互作用力中，大致主要区分为在距离Z为 数nm～数十nm的范围起作用的远距离相互作用力(F_LR＝Long-RangeForce)和距离Z在最靠近1nm以下的附近起作用的短距离相互作用力(F_SR＝Short-Range Force)，该两者的和作为全相互作用力(F_total＝TotalForce)起作用。作为远距离相互作用力F_LR，可举出探针与试料表面之间的范德华(Van der waals)力F_vdw和探针与试料表面之间的接触电位差所引起的静电力F_ele等。另一方面，作为短距离相互作用力F_SR，举出例如在半导体原子间起作用的共有结合力等。公知短距离相互作用力F_SR不仅有助于试料表面的原子分解能的凹凸观察，而且反映探针前端的原子能级的构造(参照非专利文献4)，此外还告知有根据原子种类的短距离相互作用力F_SR的不同而能够利用于原子种类的同定(参照非专利文献5)。 

由此可知，为了得到与原子能级的试料相关的各种信息，近年来寻求能够以高精度测定短距离相互作用力F_SR的技术。概略地说明利用原子间力显微镜，用来测定在试料表面上存在的目的原子上产生作用的短距离相互作用力F_SR的现有的一般的步骤(参照非专利文献6)。图14为表示该步骤的流程图，图15为表示Δf曲线以及F曲线的一例的图表。 

首先，测量探针与试料表面之间的接触电位差，通过将对该接触电位差进行补偿的偏置电压施加在探针与试料表面之间，处于忽略静电力F_ele的状态(步骤S11)。远距离相互作用力F_LR由范德华力F_vdw与静电力F_ele支配，在看作没有静电力F_ele的状态下，远距离相互作用力F_LR能以范德华力F_vdw为主。 

接下来，采用原子间力显微镜，只远距离相互作用力F_LR在探针-试料表面间起作用的原子缺陷(Defect)上取得Δf曲线。Δf曲线如图15(a)所示，为横轴上取探针-试料表面间距离Z，纵轴上取频率偏移Δf的图。在探针与试料表面之间起作用的相互作用力为引力的情况下，频率偏移Δf为负的值，随着距离Z逐渐增大而渐近于0。将原子缺陷上的Δf曲线看作Δf_Defect曲线(步骤S12)。原子缺陷的位置能够从试料表面的FM-AFM凹凸观察像视觉地识别。在此，为了适用例如在非专利文献2中所述的从Δf曲线向F曲线的变换原理，而需要测定频率偏移Δf大致为0那样的到非常远距离为止的范围的Δf曲线。该距离一般为数十nm左右。