專(zhuān)利名稱(chēng)：掃描磁性探測(cè)器及其探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種掃描磁性探測(cè)器和用于該掃描磁性探測(cè)器的探針，特別適用于隧道電子顯微鏡。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，利用包含有由鐵磁金屬或二氧化鉻單晶體制成的探針的掃描磁性探測(cè)器，通過(guò)隧道電流，探測(cè)給定原子級(jí)磁物質(zhì)的表面情況。
在包含鐵磁金屬制成的探針的掃描磁性探測(cè)器中，由于該探針可能與磁性物質(zhì)之間發(fā)生強(qiáng)烈的磁作用，而擾亂該磁性物質(zhì)的磁場(chǎng)條件。這樣，就很難精確地探測(cè)磁性物質(zhì)的表面情況。
另一方面，在具有二氧化鉻單晶體探針的掃描磁場(chǎng)探針中，探針的最前端的磁性條件(自旋條件)并未被處理，探針的最前端可能由于氧化物的物理特性被污染。
從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，掃描磁性探測(cè)器最好采用III-V價(jià)的半導(dǎo)體的混合物制成的探針。在掃描磁性探測(cè)器中，利用了由光激發(fā)引起的III-V價(jià)半導(dǎo)體混合物的被自旋極化的傳導(dǎo)電子的隧道電流。由于該III-V價(jià)半導(dǎo)體混合物是非磁性的，因此，不會(huì)發(fā)生上述的磁擾亂，但是掃描磁性探測(cè)器的系統(tǒng)由于采用了激光系統(tǒng)等會(huì)變得更大和更復(fù)雜。
本發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的就是提供一種新的掃描磁性探測(cè)器和用于該掃描磁性探測(cè)器的探針。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及一種掃描磁性探測(cè)器，該探測(cè)器包括一具有自旋極化和導(dǎo)電性的單晶體固態(tài)材料制成的探針，當(dāng)將所述探針接近給出的磁性物質(zhì)時(shí)，可通過(guò)測(cè)量所述探針和所述磁性物質(zhì)表面之間的隧道電流，檢測(cè)所述磁性物質(zhì)的表面情況。
本發(fā)明還涉及一種用于掃描磁性探測(cè)器的、由具有自旋極化和導(dǎo)電性的單晶體固態(tài)材料制成的、將其靠近給定磁性物質(zhì)的探針，通過(guò)測(cè)量所述探針和所述磁性物質(zhì)之間的隧道電流，檢測(cè)所述磁性物質(zhì)的表面情況。
本發(fā)明人致力于研究實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)現(xiàn)一種新的掃描磁性探測(cè)器和用于上述探測(cè)器的探針。
當(dāng)本發(fā)明的掃描磁性探測(cè)器的探針接近給定磁性物質(zhì)的表面時(shí)，探針最前端中的電子微粒的波函數(shù)與磁性物質(zhì)表面中的電子微粒的S型波函數(shù)重疊。此時(shí)，探針通過(guò)磁性物質(zhì)的磁場(chǎng)的交換作用被磁性飽和，特定的隧道電流在探針和磁性物質(zhì)之間流動(dòng)。該隧道電流的量值和方向由磁性物質(zhì)表面中的磁動(dòng)量的量值和方向決定。
這就是說(shuō)，當(dāng)磁性物質(zhì)的表面中的磁動(dòng)量的量值變大時(shí)，隧道電流的量值就變大。而且，隧道電流與磁動(dòng)量的方向平行。
另一方面，如果改變構(gòu)成磁性物質(zhì)表面的微粒的種類(lèi)和排列，則磁動(dòng)量也改變。因此，探測(cè)到的隧道電流的量值和方向取決于構(gòu)成磁性物質(zhì)表面的微粒的種類(lèi)和排列，因此，可以通過(guò)隧道電流的量值和方向檢測(cè)到磁性物質(zhì)的表面情況。
本發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明本發(fā)明將參照附圖
進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在本發(fā)明中，掃描磁性探測(cè)器的探針由具有電傳導(dǎo)性和自旋極化的單晶體固態(tài)材料制成。固態(tài)材料可采用兩種類(lèi)型說(shuō)明一種是自身具有電傳導(dǎo)性和自旋極化的固態(tài)材料，另一種是不具有電傳導(dǎo)性只具有自旋極化的固態(tài)材料，因此向固態(tài)材料中添加施主雜質(zhì)(donor)元素。
前一種固態(tài)材料，可采用CuF、CuCl、AgI、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、BP、AlAs、AlP、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InP、InSb和SiC，它們具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。而且前一種固態(tài)材料也可采用具有金剛石(菱形)晶體結(jié)構(gòu)的材料，如Si、Ge和Sn。
后一種固態(tài)材料可采用具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的BN。而且后一種固態(tài)材料也可采用具有菱形晶體結(jié)構(gòu)的材料，如C。
由于閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)或菱形晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料中具有不完全的非鍵合軌道(imperfect non-bonding orbit)，因此上述固態(tài)材料具有很好的自旋極化條件。
作為不具有電傳導(dǎo)性的固態(tài)材料的施主雜質(zhì)元素，B為元素周期表中的III價(jià)元素，P或As為V價(jià)元素。這些元素可部分替換固態(tài)材料晶體晶格位置中的微粒，從而起到電子供應(yīng)源的作用。從而使固態(tài)材料具有導(dǎo)電性。
探針的結(jié)構(gòu)不受限制，但最好為錐形，特別是當(dāng)固態(tài)材料由上述閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)或菱形晶體結(jié)構(gòu)的材料制成時(shí)，探針的結(jié)構(gòu)最好為錐形。
錐形探針的最前端由閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)或菱形晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料的正交晶面構(gòu)成。該錐形探針相對(duì)于通過(guò)頂點(diǎn)的軸線對(duì)稱(chēng)。然后，由于錐形探針由上述非磁性的固態(tài)材料制成，因此，探針的磁動(dòng)量在對(duì)稱(chēng)軸線的周?chē)a(chǎn)生。這樣，在不影響磁性物質(zhì)的磁性條件下，就可以通過(guò)錐形探針精確檢測(cè)到磁性物質(zhì)的表面情況。
探針的尺寸根據(jù)要從磁性物質(zhì)的表面探測(cè)的信息種類(lèi)而定。為了探測(cè)原子量級(jí)的磁性物質(zhì)的表面情況，提供一種實(shí)用的探針和實(shí)用的掃描磁性探測(cè)器，該探針的尺寸優(yōu)選被設(shè)為100nm或以下，最好為10nm或以下。
這里，“探針的尺寸”的意思是構(gòu)成探針結(jié)構(gòu)的各部件的尺寸。當(dāng)為錐形探針時(shí)，“探針的尺寸”意味著探針的高度和底邊長(zhǎng)度。
探針最好通過(guò)切割上述的大塊固態(tài)材料而制成。此時(shí)，該錐形探針比較容易制成設(shè)計(jì)尺寸。
另外，探針可通過(guò)利用CVD方法或MOCVD方法實(shí)現(xiàn)的晶體生長(zhǎng)的方法制成。
從結(jié)構(gòu)和探測(cè)原理上看，掃描磁性探測(cè)器可以作為一掃描磁力顯微鏡，或一掃描隧道電子顯微鏡。特別是，只有通過(guò)用如上所述的本發(fā)明的探針替換傳統(tǒng)掃描隧道電子顯微鏡的探針，掃描隧道電子顯微鏡才能組成本發(fā)明所述的掃描磁性探測(cè)器。
雖然參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述公開(kāi)的內(nèi)容，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的情況下，可以進(jìn)行任何的變化和修改。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，一種掃描磁性探測(cè)器包括一自旋極化的單晶固態(tài)材料制成的探針。然后，測(cè)量探針和給定磁性物質(zhì)之間的隧道電流。由于隧道電流的量值和方向取決于磁性物質(zhì)的表面情況，因此，可以通過(guò)測(cè)量隧道電流精確地探測(cè)表面情況。
權(quán)利要求
1.一種掃描磁性探測(cè)器，包括一具有自旋極化和電傳導(dǎo)性的單晶體固態(tài)材料制成的探針，當(dāng)將所述探針接近給定磁性物質(zhì)時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)所述探針和所述磁性物質(zhì)表面之間的隧道電流，檢測(cè)所述磁性物質(zhì)的表面情況。
2.如權(quán)利要求1所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述固態(tài)材料為具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的單晶體材料。
3.如權(quán)利要求2所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述固態(tài)材料為從包括CuF、CuCl、AgI、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、BP、AlAs、AlP、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InP、InSb和SiC的集合中選擇出的至少一種材料。
4.如權(quán)利要求2所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述固態(tài)材料為部分晶體晶格位置被施主雜質(zhì)元素替代的BN單晶體。
5.如權(quán)利要求1所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述固態(tài)材料為具有菱形晶體結(jié)構(gòu)的單晶體材料。
6.如權(quán)利要求5所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述固態(tài)材料為從包括Si、Ge和Sn的集合中選擇出的至少一種材料。
7.如權(quán)利要求5所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述固態(tài)材料為碳單晶體結(jié)構(gòu)，其晶體晶格位置部分被施主雜質(zhì)元素替換。
8.如權(quán)利要求2-7中任一個(gè)所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述探針為錐形。
9.如權(quán)利要求1所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述探針的尺寸被設(shè)為10nm或以下。
10.如權(quán)利要求2所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述探針通過(guò)切割大的單晶體制成。
11.如權(quán)利要求5所述的掃描磁性探測(cè)器，其特征在于所述探針通過(guò)切割大的單晶體制成。
12.包括如權(quán)利要求1-11中任一個(gè)掃描磁性探測(cè)器的掃描隧道電子微探針。
13.一種用于掃描磁性探測(cè)器的探針，由具有自旋極化和電傳導(dǎo)性的單晶體固態(tài)材料制成，當(dāng)將所述探針接近給定磁性物質(zhì)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)所述探針和所述磁性物質(zhì)之間的隧道電流，檢測(cè)所述磁性物質(zhì)的表面情況。
14.如權(quán)利要求13所述的探針，其特征在于所述固態(tài)材料為具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的單晶體材料。
15.如權(quán)利要求14所述的探針，其特征在于所述固態(tài)材料為從包括CuF、CuCl、AgI、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、BP、AlAs、AlP、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InAs、InP、InSb和SiC中選擇出的至少一種材料。
16.如權(quán)利要求14所述的探針，其特征在于所述固態(tài)材料為部分晶體晶格位置被施主雜質(zhì)元素替代的BN單晶體。
17.如權(quán)利要求13所述的探針，其特征在于所述固態(tài)材料為具有菱形晶體結(jié)構(gòu)的單晶體材料。
18.如權(quán)利要求17所述的探針，其特征在于所述固態(tài)材料為從包括Si、Ge和Sn的集合中選擇出的至少一種材料。
19.如權(quán)利要求17所述的探針，其特征在于所述固態(tài)材料為碳單晶體結(jié)構(gòu)，其晶體晶格位置部分被施主雜質(zhì)元素替換。
20.如權(quán)利要求13中所述的探針，其特征在于所述探針為錐形。
21.如權(quán)利要求13中所述的探針，其特征在于所述探針的尺寸被設(shè)為10nm或以下。
22.如權(quán)利要求14所述的探針，其特征在于所述探針通過(guò)切割大的單晶體制成。
23.如權(quán)利要求17所述的探針，其特征在于所述探針通過(guò)切割大的單晶體制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種掃描磁性探測(cè)器及其探針,該探測(cè)器包括一具有自旋極化和電傳導(dǎo)性的單晶體固態(tài)材料制成的探針,當(dāng)將所述探針接近給定磁性物質(zhì)時(shí),可通過(guò)檢測(cè)所述探針和所述磁性物質(zhì)表面之間的隧道電流,看出所述磁性物質(zhì)的表面情況。
文檔編號(hào)G01R33/038GK1376906SQ0210683
公開(kāi)日2002年10月30日 申請(qǐng)日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月5日
發(fā)明者武笠幸一, 澤村誠(chéng), 末岡和久, 廣田榮一 申請(qǐng)人:北海道大學(xué)