DE4124090A1

DE4124090A1 - Rastertunnelmikroskop

Info

Publication number: DE4124090A1
Application number: DE4124090A
Authority: DE
Inventors: Tsugiko Takase; Takao Okada
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1992-01-23
Also published as: JPH0477605A; US5138159A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microskope = STM).

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Raster tunnelmikroskop, welches in der Lage ist, optische Charakte ristiken einer Probe zu messen und ein STM-Bild zu beobach ten.

In der Vergangenheit wurde versucht, die optischen Charakte ristiken und ein STM-Bild der Oberfläche einer Probe simul tan zu messen und Daten zu erhalten, die sich auf den elek tronischen Zustand, die Gittervibrationen etc. der Proben oberfläche beziehen, wie beispielsweise die Struktur und die Energiezustandsdichte.

Für diesen Zweck wurde beispielsweise ein optisches, mikro skopintegriertes STM vorgeschlagen. In diesem STM wird ein Meßfühler auf einer transparenten Platte befestigt und die Zentralachse des Meßfühlers wird ausgerichtet, um mit der optischen Achse eines optischen Probenbeobachtungssystemes übereinzustimmen. Daher kann die Probenoberfläche mittels des STMs beobachtet werden, während die Probenoberfläche optisch durch die transparente Platte beobachtet wird. Zusätzlich können, wenn ein Spektroskop bereitgestellt wird, die optischen Charakteristiken der Probenoberfläche, wie beispielsweise Absorption, Reflexion sowie Lichtemission gemessen werden.

In dem optischen mikroskopintegrierten STM werden indessen, wenn die optischen Charakteristiken der Probenoberfläche analysiert werden, indem das Spektroskop oder ähnliches verwendet wird, um die Wellenlängenauflösung zu verbessern, nur gemittelte optische Charakteristiken des gesamten optisch visuellen Feldes gemessen werden. Daher vermindert sich die horizontale Auflösung des optischen Bildes erheb lich. Darüberhinaus ist es nicht möglich, wenn die Proben oberfläche optisch mit Licht angeregt wird, daß von einer Objektivlinse emittiert wurde, und wenn ein sich ergebender Tunnelstrom detektiert wird, optisch nur die Probenoberflä che (in einem Bereich von ungefähr 10 nm²) neben dem Bereich anzuregen, in dem der Tunnelstrom detektiert wird.

Neben der zuvor beschriebenen Möglichkeit wurde eine weitere Vorrichtung vorgeschlagen, nämlich ein optisches Nahfeld- Rastermikroskop (near-field optical-scanning microscope = NFOSM). Das NFOSM wird im Detail in "J. Appl. Phys.," Vol. 59, No. 10, 15. May 1986, pp. 3318-3327 beschrieben. In Fig. 3 dieses Dokuments ist das Prinzip dieser Vorrichtung dargestellt. Eine Kristallspitze, welche ein Endteil mit einem Krümmungsradius von 30 nm aufweist, wird gezeigt, wobei dieses Ende der Spitze mit einem lichtdurchlässigen Loch ausgestattet ist. Das Loch wird ausgebildet, indem die Spitze mit Cr, Ag oder Al und dann mit Au beschichtet wird. Nachfolgend wird die Spitze auf eine Glasoberfläche gepreßt. Wenn ein Laserstrahl von dem anderen Endteil der Spitze ein geführt wird, wird der Lichtstrahl durch das lichtdurchläs sige Loch gebeugt und nach außen gestrahlt, während er sich weitet. Gemäß dem NFOSM wird die Probe und das lichtdurch lässige Loch hinreichend nah aneinander geführt und die Probe wird beobachtet, indem das Beugungslicht beobachtet wird. Verglichen mit einem optischen Mikroskop wird eine höhere horizontale Auflösung (∼λ/20) erhalten. In dem NFOSM wird ein STM für die Positionskontrolle in z-Richtung senk recht zu der Probenoberfläche verwendet. Demnach kann bei der Verwendung eines STM ein optisches Bild mit hoher hori zontaler Auflösung (Absorption, Reflexion, Lichtemission) sowie ein STM-Bild simultan erhalten werden.

Wenn optische Messungen und STM-Messungen der Probenoberflä che unter Verwendung des NFOSM durchgeführt werden, wird Licht durch das lichtdurchlässige Loch in den Endteil der Spitze gestrahlt, wie in Fig. 5 des zuvor erwähnten Dokumen tes dargestellt, während ein Tunnelstrom durch einen Au-Film neben dem lichtdurchlässigen Loch fließt. Daher stimmt der Ort der Detektion der optischen Charakteristiken nicht mit dem Ort für die Detektion des STM-Bildes überein. Konsequen terweise unterscheidet sich der Ort, in dem die Lichtanre gung stattfindet, von dem Ort, an dem der Tunnelstrom detek tiert wird, und es ist nahezu unmöglich, einen lichtangereg ten Tunnelstrom zu detektieren.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage ist, die optischen Charakteristiken einer Probe wie Absorption, Reflexion und Lichtemission mit einer horizontalen Auflösung von ungefähr 10 nm bis 100 nm zu messen und ein STM-Bild an dem gleichen Ort zu messen, an dem auch die optischen Cha rakteristiken gemessen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Rastertunnelmikroskop gemäß dem Anspruch 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 die Struktur eines Rastertunnelmikroskopes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A bis 2D ein Verfahren zur Herstellung eines Meßfühlers, der in einem Mikroskop verwendet wird, das in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 die Struktur eines Rastertunnelmikroskopes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 die Struktur eines Rastertunnelmikroskopes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 Zeitdiagramme, die die Verhältnisse zwischen einem anregenden Lichtpuls, einem Gattersignal, einem Fotomultiplier-Eingangssignal und einem Ausgangs signal des Fotomultipliers darstellen, mit fort schreitender Zeit.

In der Zeichnung sind gegenwärtig bevorzugte Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung dargestellt, die zusammen mit der zuvor gegebenen, allgemeinen Beschreibung und der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dazu dienen, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erläutern.

Die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden im fol genden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 10 eine statio näre weiße Lichtquelle 12 auf, wie beispielsweise eine Wolf ramlampe, eine Hockdruck-Quecksilberlampe, eine Schwarzkör per-Strahlungsquelle oder eine Xenonlampe. Weißes Licht, welches von der Lichtquelle 12 emittiert wird, trifft auf ein Spektroskop 16, nachdem es durch eine Linse 14 hindurch getreten ist. Das Licht von dem Spektroskop 16 wird durch eine Linse 18 gebündelt und in einen Endteil einer optischen Faser 20 eingeführt. Das andere Endteil der optischen Faser 20 wird mit einem Meßfühler verbunden, um simultan eine NFOSM-Messung und eine STM-Messung durchzuführen. Der Meßfühler 22 wird beispielsweise derart ausgebildet, daß ein spitz zulaufendes Spitzenteil der Faser 20 mit einem total reflektierenden Film 24 und einem transparenten elektrisch leitenden Film 26 beschichtet wird.

Ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des Meßfüh lers 22 wird nun im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2D beschrieben. Ein Endteil der Quarzfaser 20 wird mit Flußsäure geätzt. Als Ergebnis ergibt sich ein Spitzenteil mit einem spitz zulaufenden Ende, wie in Fig. 2A dargestellt. Es ist wünschenswert, daß das Spitzenteil konisch zuläuft, und zwar mit einem Krümmungsradius von ungefähr 10 nm, so daß es sich effektiv als ein Lichtemis sionsende für NFOSM-Messungen eignet. Nachfolgend wird, wie in Fig. 2B dargestellt, während sich die Faser 20 dreht, Al auf die Seitenoberfläche der Faser 20 mittels eines Vakuum verfahrens aufgebracht. Als ein Ergebnis wird der total reflektierende Film 24 auf die Seitenoberfläche der Faser aufgebracht, die wenigstens den konisch zulaufenden Endteil umfaßt. In diesem Fall sollte aufgepaßt werden, Al nicht auf den Spitzenteil der Faser 20 aufzubringen. Die optische Faser 20 und eine Maske 28 mit einer kreisförmigen Öffnung oberhalb des Spitzenteiles der Faser 20 werden anschließend in einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung angeordnet. Wie in Fig. 2C dargestellt, wird ITO auf die Faser 20 von oberhalb der Maske 28 aufgebracht. Das Aufbringen wird fortgesetzt, bis die Öffnung der Maske 28 mit ITO verschlossen ist, wie in Fig. 2D dargestellt. Auf diese Art und Weise wird der konisch transparente leitende Film 26, welcher ein spitz zulaufendes Spitzenteil aufweist, auf dem Spitzenteil der Faser 20 ausgebildet. Der so erhaltene Meßfühler 22 weist daher ein lichtdurchlässiges Loch mit einem Durchmesser von ungefähr 10 nm an seinem spitzen Ende auf. Das Licht, wel ches durch die optische Faser 20 wandert, wird durch das lichtdurchlässige Loch emittiert.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Meßfühler 22 mittels eines Metallrahmens 30 an einem zylindrischen piezoelektri schen Stellglied 32 befestigt. Das Stellglied 32 ist vom konventionellen Typ und wird betrieben, um den Meßfühler 22 dreidimensional in verschiedene Richtungen fein zu bewegen. Das Stellglied 32 wird mittels eines Pulsmotors oder eines DC-Motors betrieben und von einem Grobbewegungsmechanismus 34 getragen, der in z-Richtung beweglich und auf einem Metallgehäuse 36 befestigt ist. Ein Probentisch 40 zum Tra gen der Probe 38 weist in seinem zentralen Teil eine Öffnung oder eine zentrale Platte zum Übermitteln von Licht auf. Ein fotoelektrisches Übertragungselement 44, wie beispielsweise ein Fotomultiplier, eine Fotodiode oder eine PIN-Fotodiode wird unterhalb des Probentisches 40 angeordnet und mittels eines Linsensystems 42 beleuchtet, welches durch die Probe 38 hindurchgetretenes Licht sammelt. Das fotoelektrische Übertragungselement 44 ist mit einer Anzeige 50 verbunden, wie beispielsweise einem Videomonitor oder einer Kathoden strahlröhre (CRT), und zwar über einen Signalprozessor 46. Die Anzeige 50 zeigt die Ergebnisse der NFOSM-Messung an. Die Vorrichtung 10 weist einen Tunnelstromdetektor 49 und einen Treiberschaltkreis 48 auf. Der Tunnelstromdetektor 49 legt eine Spannung über den Meßfühler 22 und die Probe 38 und detektiert einen Tunnelstrom, der über den Meßfühler 22 und die Probe 38 fließt. Der Treiberschaltkreis 48 erlaubt dem zylindrischen piezoelektrischen Stellglied 32 den Meßfühler 22 in xy-Richtungen parallel zu der Probenoberflä che zu bewegen, und steuert die z-Position des Meßfühlers 22 auf der Grundlage des Ausgangs des Tunnelstromdetektors 49. Der Treiberschaltkreis 48 ist ebenfalls mit der Anzeige 50 über den Signalprozessor 46 verbunden. Die Anzeige 50 zeigt ein STM-Bild, welches auf der Grundlage der Spannung gebil det wird, die von dem Treiberschaltkreis 48 an das zylindri sche piezoelektrische Stellglied 32 angelegt wird.

Im folgenden wird beschrieben, wie eine Messung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Während eine vorher bestimmte Spannung zwischen dem Meßfühler 22 und der Probe 38 mittels des Tunnelstromdetektors 49 gemessen wird, wird der Meßfühler 22 an die Probe 38 mittels dem Grobbewegungs mechanismus 34 in z-Richtung herangeführt. Unmittelbar nach dem ein Tunnelstrom über den Meßfühler 22 und die Probe 38 zu fließen beginnt, wird der Mechanismus 34 für die Grobbe wegung gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Tunnelstrom zwischen der Probe 38 und der Spitze (d. h. einem Spitzen teil des transparenten leitenden Filmes 26) des Meßfühlers 22. Nachfolgend wird unter Verwendung des Treiberschaltkrei ses 48 eine vorherbestimmte Spannung an eine Treiberelek trode (nicht dargestellt) des zylindrischen piezoelektri schen Stellgliedes 32 angelegt und der Meßfühler 22 wird in xy-Richtung über die Oberfläche der Probe 38 geführt. Wäh rend dieses Vorganges justiert der Treiberschaltkreis 48 die Treiberspannung für das piezoelektrische Stellglied 32, um den Tunnelstrom, welcher mittels des Tunnelstromdetektors 49 detektiert worden ist, konstant zu halten, und führt eine Rückkopplungssteuerung der Position des Meßfühlers 22 in z- Richtung durch. Im Laufe dieser sequentiellen Operationen wird das STM-Bild der Probe 38 mittels des Signalprozessors 46 auf der Grundlage der Spannung, die an das Stellglied 32 angelegt wird, konstruiert und das STM-Bild wird auf der Anzeige 50 angezeigt. Auf der anderen Seite trifft, während der Meßfühler 22 in xy-Richtung geführt wird, das Licht für die NFOSM-Messung von der Lichtquelle 12 auf die optische Faser 20 auf. Das in die Faser 20 eingeführte Licht wird auf die Probe 38 gestrahlt, während es von dem lichtdurchlässi gen Loch an dem Ende des Meßfühlers 22 gebeugt wird. Das Licht, das durch die Probe 38 hindurchtritt, wird auf das fotoelektische Übertragungselement 44 gestrahlt. Auf der Grundlage des auf das Übertragungselement 44 gestrahlten Lichtes werden NFOSM-Bilder erzeugt, die die Lichtabsorption der Probe und/oder Lichtemissionen von der Probe darstellen, und zwar unter Verwendung des Signalprozessors 46, und auf der Anzeige 50 angezeigt.

Gemäß dieser Vorrichtung 10 ist der Meßfühler 22 mit einem spitz zulaufenden Spitzenteil ausgestattet, welcher aus einem transparenten leitenden Film 26 gebildet wurde und der Tunnelstrom fließt über diesem Spitzenteil. Daher stimmt der Ort der NFOSM-Messung mit dem der STM-Messung überein. Daher können die lokalen optischen Charakteristiken der Probe zusammen mit der STM-Messung ermittelt werden, und die räum lichen Störungen von verschiedenen optischen Charakteristi ken können gemessen werden.

Darüberhinaus kann gemäß der Vorrichtung 10 die Wellenlänge des Anregungslichtes, welches von der Lichtquelle 12 ausge strahlt wird, variabel gehalten werden und die räumliche Verteilung des Absorptionsspektrums und des Lichtemissions- Anregungsspektrums der Probe 38 können gemessen werden. Zusätzlich kann, indem das von der Probe 38 emittierte Licht mit einem Spektroskop vermessen wird, die räumliche Vertei lung des Lichtemissions-Spektrums gemessen werden. Indem ein Tunnelstrom gemessen wird während Anregungslicht abgestrahlt wird, kann eine STM-Messung, basierend auf einem Tunnel strom, durchgeführt werden, der aufgrund der Lichtanregung eintritt. Indem man die Wellenlänge des Anregungslichtes sukzessive verändert, kann man die räumliche Verteilung des Tunnelstromes, die der des Anregungsspektrums entspricht, messen. Darüberhinaus können auf der Grundlage von Licht emissionen lokale STS- (scanning tunneling spectroscopy) Messungen und STP- (scanning tunneling potentiometry) Mes sungen durchgeführt werden, indem der Tunnelstrom überwacht wird, während man den Strom regelt, den man an den Meßfühler 22 und die Probe 38 anlegt oder während man einen Span nungsgradienten an die Probe 38 anlegt.

Wenn ein mechanischer Chopper für intermittierendes Licht zwischen der Linse 18 und der optischen Faser 20 bereitge stellt wird, kann man die Lichtabsorption und die Lichtemis sion der Probe 38 simultan messen. In diesem Fall wird ein fotoelektrisches Übertragungssignal in einen Lock-In-Ver stärker in Synchronisation mit dem Zyklus des intermittie renden Lichtes geführt. In diesem Fall ist das fotoelektri sche Signal, welches sich in Phase mit dem intermittierenden Licht befindet das Lichtabsorptionssignal, welches die Lichtabsorption der Probe darstellt, und das fotoelektrische Signal, welches sich nicht in Phase mit dem intermittieren den Licht befindet, das Lichtemissionssignal (welches eine Lichtkomponente darstellt, die eine vergleichsweise lange Lichtemissions-Lebensdauer hat). Die Lichtemissions-Lebens dauer der Probe kann aus der Phasendifferenz zwischen dem Anregungslicht und dem emittierten Licht abgeschätzt werden.

Es ist möglich, als ein fotoelektrisches Übertragungselement ein Lichtmeßsystem zu verwenden (beispielsweise das simul tane Lichtmeßsystem, welches von HAMAMATSU PHOTONICS, CO. hergestellt wird), welches aus einer Kombination eines opti schen Gitters und eines Diodenarrays erster Ordnung gebildet wird. Dadurch können emittierende Lichtkomponenten mit ver schiedener Wellenlänge simultan detektiert werden.

Wenn die Wellenlängencharakteristik nicht so wichtig ist, oder wenn das Licht, das durch die Probe hindurchtritt, intensiv ist, muß das Linsensystem 42 nicht bereitgestellt werden; stattdessen kann das fotoelektrische Übertragungs element 44 unmittelbar an die hintere Oberfläche der Probe oder um sie herum angeordnet werden. In diesem Fall können, indem ein zweidimensionaler Lichtsensor direkt an der hinte ren Oberfläche befestigt wird, die räumliche Verteilung der Lichtemission selbst gemessen werden, und Daten bezüglich der Diffusion der Anregung, wie sie während der Anregung der Probe auftreten, können erhalten werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit der zuvor beschriebenen Ausfüh rungsform gemeinsame strukturelle Elemente sind mit identi schen Bezugszeichen versehen, auf ihre Beschreibung wird verzichtet. In dieser Ausführungsform wird die Beobachtung der STM-Bilder in der zuvor beschriebenen Art und Weise durchgeführt, auf ihre Beschreibung wird verzichtet.

Gemäß dieser Ausführungsform weist ein Probentisch 40 eine transparente Platte 41 auf, die aus Glas oder Quarz herge stellt ist. Eine Probe 38 ist auf der transparenten Platte 41 angeordnet. Die Oberfläche der transparenten Platte 41 kann mit einer transparenten Elektrode aus ITO etc. beschichtet sein, wobei die an die Probe anzulegende Span nung zu berücksichtigen ist. Ein Metallrahmen 30 zum Halten des Meßfühlers 22 weist einen konkaven Spiegel 31 auf der Oberfläche auf, die der Probe 38 gegenüberliegt. Der Brenn punkt des konkaven Spiegels 31 liegt auf einem fotoelektri schen Übertragungselement 44. Gemäß dieser Ausführungsform wird Licht (und von der Probenoberfläche emittiertes Licht), welches von der Spitze des Meßfühlers 22 emittiert und von der Oberfläche der Probe 38 reflektiert worden ist, von der konkaven Oberfläche 31 reflektiert. Das reflektierte Licht tritt durch den Randteil der transparenten Platte 41 um die Probe 38 herum hindurch und wird auf das fotoelektrische Übertragungselement 44 fokussiert. Das Signal des Übertra gungselementes 44 wird mittels eines Signalprozessors 46 verarbeitet und ein NFOSM-Bild wird auf einer Anzeige 50 angezeigt.

Gemäß der Vorrichtung dieser Ausführungsform ist es möglich, die räumliche Verteilung des Reflexionsspektrums von Licht zu messen, das von der Probenoberfläche emittiert wurde, sowie die räumliche Verteilung des Lichtemissionsspektrums, das von der Probenoberfläche reflektiert worden ist. In diesem Fall kann, wenn man das Reflexionsspektrum der Kramers-Kronig-Konversion aussetzt, das Absorptionsspektrum der Probenoberfläche bestimmt werden. Das Absorptionsspek trum ist effektiver als das Transmissions-Absorptionsspek trum für den Fall, in dem die Probe einen hohen Absorptions koeffizienten aufweist. Verglichen mit dem Lichtemissions spektrum, welches erhalten wird, indem man das Licht verwen det, das durch die Probe hindurchgetreten ist, kann der Reabsorptionseffekt durch die Probe vernachlässigt werden und ein Spektrum kann erhalten werden, welches dem innewoh nenden Lichtemissionsspektrum des Materials näher kommt.

Das in Fig. 3 dargestellte optische System, welches ausge legt ist, um Reflexionslicht von der Probenoberfläche zu detektieren, ist in der Lage, ein schwaches Tunnelemissions licht zu beobachten, das auf der Probenoberfläche detektiert wurde. In diesem Fall kann nicht nur das einfache Tunnel emissionslicht detektiert werden, sondern auch das durch das Bestrahlungslicht der Probe angeregte Tunnelemissionslicht.

Das Verfahren zum Detektieren des Tunnelemissionslichtes mit hoher Genauigkeit wird im folgenden beschrieben. In Fig. 3 sind die xy-Koordinaten des Meßfühlers 22 fest. Eine DC-Vor spann-Spannung wird an die Probe 38 angelegt. Wenn ein Tun nelstrom detektiert wird, wird der Servoschaltkreis angehal ten und die Position in z-Richtung des Meßfühlers 22 wird fixiert. Nachfolgend wird eine Rechteck-Vorspann-Spannung an die Probe angelegt und ein Tunnelemissionslicht-Signal, wel ches mit der Vorspann-Spannung synchronisiert ist, wird mit tels eines Lock-In-Verstärkers detektiert. Diese Operation wird an jedem Punkt auf der Probenoberfläche wiederholt, während der Meßfühler 22 bewegt wird. Dadurch wird die räum liche Verteilung des Tunnelemissionslichtes mit hoher Präzi sion gemessen. Darüberhinaus kann, wenn das von der Probe emittierte Licht mittels eines Spektroskopes gemessen wird, die räumliche Verteilung des Tunnelemissionslichtes mit hoher Präzision bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in der Lage ist, die zuvor erwähnte Emis sionslicht-Lebensdauer direkt zu messen. Die grundlegende Struktur dieser Ausführungsform ist der von der Ausführungs form von Fig. 1 ähnlich. Daher werden nur die abweichenden Elemente beschrieben. In dieser Ausführungsform wird ein modegelockter YAG-Laser als Lichtquelle 12 verwendet. Eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 52, welche in der Lage ist, eine zweite oder eine dritte Hochfrequenz zu erzeugen, ist auf der hinteren Stufe der Lichtquelle 12 bereitgestellt. Das Licht von der Quelle 12 wird zu Licht geringerer Wellen länge konvertiert. Ein abstimmbarer Farbstofflaser (DYE- Laser) 54, welcher in der Lage ist, Strahlung mit variabler Wellenlänge zu erzeugen, wird auf der hinteren Stufe der Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 52 angeordnet. Dadurch werden Anregungslichtpulse mit variabler Wellenlänge einer Puls breite im Sub-Nanosekundenbereich wiederholt erzeugt und in die optische Faser 20 eingeführt.

Ein Raumfilter 56 zum räumlichen Ausscheiden von Anregungs licht ist zwischen der Probe 38 und dem Linsensystem 42 bereitgestellt. Ein zentraler Bereich von ungefähr 50 Mikrometern des Raumfilters 56 dient als optische Falle und absorbiert den Großteil des Anregungslichtes. Daher ist der Großteil des Lichtes, das durch den Raumfilter 56 hin durchgetreten ist, eine Emissionslichtkomponente. Diese Emis sionslichtkomponente trifft über ein spektroskopisches System etc. auf ein fotoelektrisches Übertragungselement 44. In diesem Fall wird als ein Konversionselement 44 ein Foto multiplier mit einem Gatterschaltkreis verwendet. Nur wenn ein Gattersignal von einem Gattersignalgenerator an den fotoelektrischen Vervielfacher angelegt wird, wird eine Spannung an die erste Stufenelektrode des Fotomultipliers angelegt und ein fotoelektrischer Übertragungsausgang wird erzeugt. Als ein Ergebnis wird eine Anregungslichtkomponente und eine Lichtemissionskomponente zeitlich separiert. In diesem Fall wird der Gattersignalgenerator 58 derart justiert, daß das Gatter geöffnet wird, unmittelbar nachdem (beispielsweise 1 µs später) der Anregungslichtpuls eingege ben wird, wie in dem Zeitdiagramm gezeigt, das in Fig. 5 dargestellt ist. Das erhaltene fotoelektrische Übertragungs signal (d. h. das Signal der Emissionslichtkomponente) wird mit der Laseroszillation synchronisiert und über eine Wel lenform-Speichereinrichtung 62 oder einen A/D-Wandler an einen Computer 62 angelegt.

Es ist wohlbekannt, daß die Wellenform des fotoelektrischen Übertragungsausganges des Multipliers, das durch das Gatter signal abgeleitet wird, gegeben ist durch,

I (t) = I₀ exp (-t/τ),

wobei I (t) die Wellenform eines fotoelektrischen Übertra gungsschaltkreises des Emissionslichtes und I₀ der Anfangs wert des Ausganges ist.

Aus der obigen Gleichung kann die Emissionslicht-Lebensdauer τ errechnet werden.

Gemäß dieser Vorrichtung kann die Zeitabhängigkeit der Emis sionslichtintensität in den Fällen gemessen werden, in denen die Probe mittels eines pulsähnlichen Anregungslichtes ange regt wird, wodurch Daten erhalten werden, die sich auf die Relaxation der angeregten Zustände (der Emissionslicht- Lebensdauer) beziehen.

Darüberhinaus kann mittels Fühlen des Meßfühlers in der xy- Ebene die räumliche Verteilung der Emissionslicht-Lebens dauer gemessen werden.

Gemäß der in Fig. 4 gezeigten Struktur wird das Tunnelstrom signal in einer Wellenform-Speichereinrichtung 60 in Syn chronisation mit der Laseroszillation der Lichtquelle 12 aufgenommen. Dabei wird die Zeitabhängigkeit der Tunnel stromintensität zu der Zeit der Anregung der Probe durch die Lichtpulse gemessen. Demnach können Daten erhalten werden, die sich auf die relaxierten Zustände der Ladungen beziehen, die mit der elektrischen Leitfähigkeit verbunden sind, oder auf die räumliche Verteilung der relaxierten Zustände der Ladung.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschrie benen Ausführungsformen begrenzt, verschiedene Änderungen und Modifikationen können durchgeführt werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können bezüglich des Verfahrens zur Herstellung des Meßfühlers 22 auch optische Fasern verwendet werden, die nicht aus Quarz glas bestehen. Beispielsweise kann stattdessen eine Multi komponenten-Glasfaser oder eine Plastikglasfaser verwendet werden. Jeder Typ von Faser, welcher in der Lage ist, Wellen zu führen, die die Wellenlänge des Lichtes haben, das von der Lichtquelle emittiert wird, kann verwendet werden. Der zugespitzte Spitzenteil der optischen Faser 20 kann auch mittels mechanischer Poliertechniken hergestellt worden sein. Das Material des Reflexionsfilmes 24 ist nicht auf Al begrenzt, Cr, Ag, Au, etc. können gleichfalls verwendet wer den, solange der Film in der Lage ist, Licht der Wellenlänge zu emittieren, das von der Lichtquelle emittiert worden ist. Nicht nur ITO sondern auch SnO₂ etc. können als Material für den transparenten elektrisch leitenden Film verwendet wer den, solange das Material die Wellenlängen übermitteln kann, die den Wellenlängen des Lichtes von der Lichtquelle 12 ent sprechen und solange es eine elektrische Leitfähigkeit auf weist. Darüberhinaus kann der totalreflektierende Film 24 und der transparent leitende Film 26 auf die Seitenoberflä che der optischen Faser 20 in umgekehrter Reihenfolge lami niert sein.

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß von einer Lichtquelle 12 emittiertes weißes Licht über eine Linse 14 auf ein Spektroskop 16 trifft. Das Licht von dem Spektroskop 16 wird mittels einer Linse 18 konvergiert und auf ein Ende einer optischen Faser 20 geführt. Das andere Ende der Faser 20 ist mit einem Meßfühler 22 ausgestattet. Der Meßfühler 22 weist ein zugespitztes Endteil auf, welches mit einem total reflektierenden Film 24 und einem transparenten, elektrisch leitenden Film 26 beschichtet ist. Der Meßfühler 22 ist mit tels eines Metallrahmens 30 auf einem zylindrischen piezo elektrischen Stellglied 32 befestigt. Auf diese Art und Weise kann der Meßfühler 22 entlang der Oberfläche einer Probe geführt und die Entfernung zwischen dem Meßfühler 22 und der Oberfläche der Probe geregelt werden. Das von der Spitze des Meßfühlers 22 emittierte Licht wird durch die Probe 38 hindurchgeführt, mittels eines Linsensystems 42 fokussiert und auf ein fotoelektrisches Übertragungselement 44 geleitet. Der Ausgang des fotoelektrischen Übertragungs elementes 44 wird mittels eines Signalprozessors 46 verar beitet und das so verarbeitete Ergebnis wird auf einer Anzeige 50 angezeigt. Ein Treiberschaltkreis 48 führt den Meßfühler 22 entlang der Oberfläche der Probe und steuert die Entfernung zwischen dem Meßfühler 22 und der Probe beim Empfang eines Tunnelstroms. Der Ausgang des Treiberschalt kreises 48 wird mittels des Signalprozessors 46 verarbeitet und ein STM-Bild wird auf der Anzeige 50 angezeigt.

Weitere Vorteile und Modifikationen werden dem Fachmann nach dem Studium der Beschreibung zusammen mit den Patentansprü chen klar werden. Daher ist es beabsichtigt, die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf die spezifischen Details und beispielhaften Einrichtungen zu begrenzen, wie sie zuvor diskutiert worden sind. Verschiedene Modifikatio nen können durchgeführt werden, ohne den Gegenstand der Erfindung sowie das allgemeine erfinderische Konzept zu ver lassen, wie es durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Rastertunnelmikroskop mit:
einem Meßfühler 22, welcher ein spitz zulaufendes End teil, einen Lichteinfallsbereich und ein Lichtausbrei tungsmedium mit einem Lichtemissionsteil an der Spitze des spitz zulaufenden Endteiles aufweist, wobei der Lichtemissionsteil dem einfallenden Licht erlaubt, emittiert zu werden;
einer elektrisch leitenden Schicht, welche neben dem spitz zulaufenden Endteil bereitgestellt ist;
einer Lichtquelle (12);
Führungsvorrichtungen (14, 16, 18) zum Führen des Lichtes von der Lichtquelle zu dem Lichteinfallsbereich des Meßfühlers;
Abtastvorrichtungen (32) zum Tragen des Meßfühlers in der Nähe einer Probe, wobei Licht von dem Lichtemis sionsteil auf die Probe gestrahlt wird und zum Führen des Meßfühlers entlang der Oberfläche der Probe;
einem fotoelektrischen Übertragungselement (44), wel ches das Licht von der Probe empfängt;
Tunnelstrom-Detektionsvorrichtungen (49) zum Anlegen einer Spannung über den Meßfühler und der Probe, und zum Detektieren eines Tunnelstromes, welcher über den Meßfühler und die Probe fließt;
Steuervorrichtungen (48) zum Steuern der Entfernung zwischen der Spitze des Meßfühlers und der Oberfläche der Probe; und
Meß-/Anzeigevorrichtungen (46, 50) zum Messen der opti schen Charakteristiken der Probe auf der Grundlage des Ausgangs des fotoelektrischen Übertragungselementes, wobei eine Feinkonfiguration und elektrische Charakte ristiken der Oberfläche der Probe auf der Grundlage des Ausganges aus den Tunnelstrom-Detektionsvorrichtungen gemessen werden, und wobei die gemessenen Ergebnisse angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht einen transparenten elektrischen Leiter (26) mit einem optisch transparen ten, spitz zulaufenden Spitzenteil aufweist, durch den Licht von dem Lichtemissionsteil hindurchtritt.

2. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Lichtausbreitungsmedium eine optische Faser (20) ist, welche ein spitz zulaufendes Spitzen teil aufweist.

3. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht eine Reflexionsschicht (24) aufweist, welche auf der peripheren Oberfläche des Lichtausbreitungsmediums bereitgestellt ist, wobei die Reflexionsschicht Licht reflektiert, welches von innerhalb des Lichtausbrei tungsmediums nach außerhalb wandert.

4. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es des weiteren ein optisches Element aufweist, welches Konjugations punkte an einem Teil der Probe (38), bei der Spitze des Meßfühlers (22) und dem fotoelektrischen Übertragungsele ment (44) hat.

5. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das optische Element ein konkaver Spiegel (31) ist.

6. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtquelle (12) ein pulsgetriebener Laser ist, wobei das Mikroskop ein wellenlängenselek tives Element aufweist und das fotoelektrische Übertra gungselement (44) in Synchronisation mit den Pulsen getrieben wird.

7. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß es des weiteren enthält:
eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (54) zum Erzeugen einer Hochfrequenz einer Emissionslichtwellenlänge.

8. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das wellenlängenselektive Element ein abstimmbarer Farbstofflaser (54) ist.