专利名称:原子间力显微镜以及采用原子间力显微镜的相互作用力测定方法
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Δι)。由于该频率偏移Δ f依赖于探针与试料表面之间的距离Ζ，因此将频率偏移Δ f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(Δ ·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Af与探针_试料表面间距离Z之间的关系(以下称做“ △ f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(Flk = Long-RangeForce)和距离Z在最靠近Inm 以下的附近起作用的短距离相互作用力(FSK = Short-Range Force)，该两者的和作为全相互作用力(Fttrtal = TotalForce)起作用。作为远距离相互作用力Fui，可举出探针与试料表面之间的范德华(Van der waals)力Fvdw和探针与试料表面之间的接触电位差所引起的静电力Fele等。另一方面，作为短距离相互作用力Fsk，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Fsk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Fsk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Fsk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Fsk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Af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+的状态(步骤Sll)。远距离相互作用力Fui由范德华力Fvdw与静电力Fele支配，在看作没有静电力Fele的状态下，远距离相互作用力Fui能以范德华力Fvdw为主。
接下来，采用原子间力显微镜，只远距离相互作用力Fui在探针_试料表面间起作用的原子缺陷(Defect)上取得Af曲线。Af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Af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Δ f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Af曲线看作Afllrfert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Af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Af曲线。该距离一般为数十nm左右。
基于上述公知的变换原理进行从频率偏移Δ f向相互作用力F的变换运算，根据 Δ fDefect曲线得到表示原子缺陷上的相互作用力与探针_试料表面间的距离Z之间的关系的Fllrfert曲线(步骤S13)。F曲线如图15(b)所示，为横轴取探针-试料表面间距离Z，纵轴上取相互作用力F的图。
采用假定试料表面为平面，探针的前端为球的范德华力模型，对Fllrfert曲线进行拟合(fitting)，确认假定的模型的适当性。由此，决定远距离相互作用力Fui的拟合曲线(步骤S14)。但是，实际上，在以只求出短距离相互作用力Fsk为目的的情况下，不需要求出远距离相互作用力Fui的拟合曲线，也可直接采用FD。fe。t曲线。
接下来，采用原子间力显微镜，在作为目的的原子上取得Af曲线。该Af曲线反映短距离相互作用力Fsk与远距离相互作用力Fui这双方。将该Δ f曲线作为AfAt。m曲线 (步骤S15)。目的原子的位置也能根据试料表面的FM-AFM凹凸观察像来决定。该Δ fAt。m 曲线也与上述Afllrfert曲线同样需要进行数十nm程度为止的范围的测定。
与步骤S13同样，基于上述变换原理进行从频率偏移Af向相互作用力F的变换， 根据AfAtom曲线得到表示目的原子上的相互作用力与探针-试料表面间的距离Z之间的关系的FAt。m曲线(步骤S16)。
由于FAt。m曲线反映远距离相互作用力与短距离相互作用力之和，因此通过从FAt。m 曲线中减去由步骤S14求出的远距离相互作用力Fui的拟合曲线(或者FDefe。t曲线)来算出Fsk曲线，根据该Fsk曲线求得目的原子上的短距离相互作用力Fsk (步骤S17)。
但是，上述的现有的短距离相互作用力Fsk的算出方法存在如下的几个问题。
(1)例如半导体表面与硅制的探针之间的接触电位差通常为士 IV左右，在上述步骤Sll中，通过将与其相当的适当的偏置电压施加在探针-试料表面间而使静电力F+从实验的角度处于最小。但是，即使如上那样施加偏置电压，静电力F+也不能完全限制为零， 因此存在不能忽略其影响而使精度降低的可能性。此外，在离子结晶那样的绝缘性试料的情况下，在探针前端与试料表面之间施加偏置电压是困难的，因此接触电位差的补偿实质上是不可能的。
(2)在多个FM-AFM中，为了进行探针-试料表面间的微小的距离的控制而使用压电元件(piezoelectricity元件)。此时，为了取得长距离范围的Af曲线而需要使对压电元件的施加电压较大地变化，但如果那样的话，压电元件的蠕变(ere印)(即使将施加电压维持为固定也产生缓慢的位移的现象)容易成为问题，担心位置控制的精度的下降。此外， 为了取得长距离范围的Δι曲线而在测定中需要花费时间，随着热所引起的探针和试料的膨胀而探针-试料表面间距离的漂流(drift)的影响变得显著。由此，期望应测定Af曲线的距离范围尽可能窄。
(3)在进行采用非专利文献2中记载的方法从Af曲线向F曲线的变换时，依赖于计算机的运算速度也需要数分到数十分的运算时间。在采用搭载有例如美国intel公司制的Xeon 3GHz双处理机的工作站的情况下，为了进行1024点的从Δ f曲线向F曲线的变换而需要5分以上的时间。在上述的现有方法中，需要进行步骤S13以及S16的两次花费这样的时间的计算，这样解析时间变得更长。尤其如果在求仅某1点的短距离相互作用力的情况下较好，但在求得多点的短距离相互作用力的情况下非常花费时间，缺乏实用性。
非专利文献1 r 二 'J >夕’(U. Durig)、「工夕义卜” “A>夕，夕〉3 > .7 才-V 文· 7 y F . ^ y IJ J 父夕 IJ夕· 口一 · ■彳夕口 7 2 匕°非专利文献2 笮工〉；l· (p. J. Giessibl)、「了 夕· 4 l· 夕卜 乂乂 夕卜·、 卜
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非专利文献4 大藪(Noriaki Oyabu) ( 力> 7 名、「* > 夕‘卟· r 卜 /、y ” · 二 >
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彳夕口 7 2 匕° -(SingleAtomic Contact Adhesion and Dissipation in Dynamic Force Microscopy)」、7 力卟· > 匕 Λ _ · > 夕-文(Physical Review Letters) vol. 96 (2006)， pp.16101
非专利文献5 杉本(Yoshiaki Sugimoto) ( 力> 6名、「丨J 7卟·卜水。夕’，7 < -，
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发明内容
本发明正是为了解决上述那样的各种课题而提出的，其目的在于提供一种能够缩小测定Δι曲线的距离范围，并且缩短该测定所需要的时间，降低压电元件的蠕变或探针与试料表面之间的相对距离的热漂流的影响的原子间力显微镜以及采用原子间力显微镜的相互作用力测定方法。
此外，本发明的其他目的在于提供一种通过缩短即使利用高性能的计算机也需要时间的运算时间来提高处理能力，尤其能够容易地得到试料表面上的多个点的短距离相互作用力的原子间力显微镜以及采用原子间力显微镜的相互作用力测定方法。
本申请发明者，基于过去的研究的技术的研究和考察的结果得到，频率偏移Af 能够由由来于远距离相互作用力Fui的频率偏移Δ &和由来于短距离相互作用力Fsk的频率偏移间的简单的线形结合来表示的新的见解。根据该见解，求得某原子上的短距离相互作用力的作业，如以往进行的那样，将在目的原子上和原子缺陷上所得到的两个Δ f 曲线分别独立地进行变换来求得两个F曲线，能够不按照计算该两个F曲线的差的步骤而能够以在两个Af曲线的阶段计算差，而对该结果得到的一个差的Δι曲线进行变换来求得一个F曲线的步骤来完成。
即本发明相关的原子间力显微镜的相互作用力测定方法，采用在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对由在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率的频率调制检测方式的原子间力显微镜，来测定在试料表面的原子与探针前端之间起作用的短距离相互作用力，该相互作用力测定方法具有下述步骤
a)原子上测定步骤，其测定原子上Af曲线，该原子上Af曲线表示试料表面的目的原子上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δf之间的关系；
b)缺陷上测定步骤，其测定缺陷上Af曲线，该缺陷上Af曲线表示试料表面的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Af 之间的关系；
c)差运算步骤，其计算上述原子上Af曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分 Af曲线；和
d)变换运算步骤，其通过进行将上述差分Δ f曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算来求出短距离相互作用力。
能够认为目的原子上得到的Af曲线反映由来于远距离相互作用力的频率偏移 Δ fLE和由来于短距离相互作用力的频率偏移Δ fSE之和，另一方面，在原子缺陷上，由于短距离相互作用力不起作用，因此只反映由来于远距离相互作用力的频率偏移Afui。因此，取得两Af曲线的差的差分Af曲线只反映由来于短距离相互作用力的频率偏移AfSK。在将该差分Δ ·曲线变换为F曲线时可看作没有受到远距离相互作用力的影响，因此如果为了适用变换原理，而在短距离相互作用力起作用的距离范围中得到差分Af曲线，则是足够的。
由此，在上述原子上测定步骤以及上述缺陷上测定步骤中，求得最大Inm以下的距离Z的范围的Af曲线即可。实际上，较多情况下需要到Inm为止的情况较少，如果为 0.5nm以下的距离Z的范围的Af曲线则足够。因此，应测定Af曲线的距离范围与现有方法相比，相当窄。
上述目的原子或原子缺陷能够在由FM-AFM得到的凹凸观察像中视觉上进行确认。在此，考虑针对用于通过上述那样的方法求得短距离相互作用力的目的原子的位置或原子缺陷的位置，用户一边观察凹凸观察像一边手动地进行指定的方法和利用例如图像识别等从凹凸观察像自动地提取的方法。
即实施上述发明相关的相互作用力测定方法的、本发明相关的原子间力显微镜的第1方式，为频率调制检测方式的原子间力显微镜，其在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，包括
a)凹凸观察像取得单元，其一边一维或二维地扫描试料表面的规定区域，一边形成试料表面的凹凸观察像来进行显示；
b)指定单元，其用于用户在由上述凹凸观察像取得单元所显示的凹凸观察像上指定至少一个目的原子以及一个原子缺陷；
c)原子上测定实行单元，其测定原子上Δ f曲线，该原子上Af曲线表示在试料表面由上述指定单元指定的目的原子上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δf之间的关系；
d)缺陷上测定实行单元，其测定缺陷上Af曲线，该缺陷上Af曲线表示在试料表面由上述指定单元指定的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Af之间的关系；
e)差运算单元，其计算上述原子上Af曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分 Af曲线；和
f)变换运算单元，其通过进行将上述差分Δ f曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算，来求出短距离相互作用力。
通过该第1方式的原子间力显微镜，能够求得针对位于试料表面上的任意位置的目的原子的短距离相互作用力。此外，原子缺陷上，仅远距离相互作用力起作用，但一般情况下远距离相互作用力在数十 数百nm(或者以上)的距离受到影响，因此测定Af曲线的目的原子和原子缺陷的位置互相偏离时，有由于试料表面的凹凸或者形状等的影响而在起作用的远距离相互作用力中产生不同的情况。对此，根据上述方式的原子间力显微镜， 用户能够通过自己的判断选择与目的原子最接近或者相对地接近的原子缺陷以供测定。因此，能够以高精度算出短距离相互作用力。
此外，实施上述发明相关的相互作用力测定方法的本发明相关的原子间力显微镜的第2方式，为频率调制检测方式的原子间力显微镜，其在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，包括
a)凹凸观察像取得单元，其一边一维或二维地扫描试料表面的规定区域，一边形成试料表面的凹凸观察像；
b)提取单元，其通过对上述凹凸观察像进行图像解析来提取至少一个目的原子以及一个原子缺陷；
c)原子上测定实行单元，其测定原子上Δ f曲线，该原子上Af曲线表示在试料表面由上述提取单元提取的目的原子上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δf之间的关系；
d)缺陷上测定实行单元，其测定缺陷上Af曲线，该缺陷上Af曲线表示在试料表面由上述提取单元提取的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Af之间的关系；
e)差运算单元，其计算上述原子上Af曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分 Af曲线；和
f)变换运算单元，其通过进行将上述差分Δ f曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算来求出短距离相互作用力。
在该第2方式的原子间力显微镜中，也可为具备分布信息作成单元的结构，该分布信息作成单元通过针对规定范围内所包括的所有或者一部分的原子依次求得上述短距离相互作用力，来作成表示该规定范围内的上述短距离相互作用力的分布的信息。
根据该第2方式的原子间力显微镜，针对各个原子的每一个能够自动地求得短距离相互作用力，因此容易地进行一边研究例如原子正上方的力的不同，一边作成在某范围内包括的所有原子正上方的力的映射图。
另外，如上所述，由于优选原子上的Af曲线测定的位置和原子缺陷上的Af曲线测定的位置接近，因此上述提取单元也可选择相对任意的目的原子最接近的原子缺陷等、 在目的原子与原子缺陷的提取时加入条件。
进而实施上述发明相关的相互作用力测定方法的本发明相关的原子间力显微镜的第3方式，为频率调制检测方式的原子间力显微镜，其在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，包括
a)凹凸观察像取得单元，其一边一维或二维地扫描试料表面的规定区域，一边形成试料表面的凹凸观察像；
b)原子上测定实行单元，其测定原子上Δ f曲线，该原子上Af曲线表示在试料表面决定的位置的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δf之间的关系；
c)提取单元，其通过对上述凹凸观察像进行图像解析来提取由上述原子上测定实行单元进行测定的原子缺陷或者在接近进行测定的位置的原子缺陷；
d)缺陷上测定实行单元，其测定缺陷上Af曲线，缺陷上Af曲线表示在试料表面由上述提取单元提取的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Δι之间的关系；
e)差运算单元，其计算上述原子上Af曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分 Af曲线；
f)变换运算单元，其通过进行将上述差分Δ f曲线中的频率变化量变换为相互作
9用力的运算来求出上述位置中的短距离相互作用力。
在该第3方式的原子间力显微镜中，不求出原子的正上方的短距离相互作用力， 而求出在试料表面上预先决定的位置(例如在与试料上的法线正交的面内在2轴方向上分别每次隔开规定间隔设定的位置等)中的短距离相互作用力。因此，为了严密，不限于测定原子上的Δ f曲线，测定原子缺陷上的Af曲线的可能性也存在，即使在原子上，不是正上方的可能性也高(但是，在此原子缺陷上的概率低，因此为了方便，测定“原子上Af曲线”)。
在该第3方式的原子间力显微镜的情况下，优选具备分布信息作成单元，该分布信息作成单元通过针对规定范围内设定的多个位置的各位置依次求出上述短距离相互作用力，作成表示该规定范围内的上述短距离相互作用力的分布的信息。
第3方式的原子间力显微镜中，容易地进行例如在试料表面上假设地描绘的格子的交点的位置的短距离相互作用力的映射图。由此，能够更详细地调查试料的表面构造。
根据本发明相关的原子间力显微镜以及采用原子间力显微镜的相互作用力测定方法，由于远距离相互作用力的一要素即静电力的影响在计算的过程中消失，因此不需要施加用于忽略静电力的影响的即用于补偿探针-试料表面间的接触电位差的偏置电压。因此，即使例如绝缘性的试料那样施加偏置电压是困难那样的试料，也不受静电力的影响而能求得短距离相互作用力。
此外，以往，需要在目的原子上以及原子缺陷上分别求出数nm到数十nm的距离范围的Δ ·曲线，但根据本发明，经常测定从0.5nm到至多Inm程度的距离范围的Af曲线。 其结果，向用于使探针振动的压电元件施加的电压的变化量小，能够减小压电元件的蠕变， 提高距离控制的精度。与此相伴，能够抑制探针与试料表面相接触而探针破损的意外。此外，由于Δ f曲线的测定的所需时间也能缩短，因此也能抑制测定中的探针-试料表面间的距离的热漂流的影响。
进而以往需要进行两次从Af曲线向F曲线的变换的运算处理，但根据本发明，该运算处理为1回即可。该运算处理所需要的时间比较长，因此运算处理次数为一半，从而能够缩短得到结果之前的时间。合并该时间缩短效果和如上那样Δι曲线的测定自体的所需时间的缩短效果，能够实现处理能力的改善。
此外，由于测定的处理能力的提高和解析变得容易，因此试料表面上的短距离相互作用力的二维的映射测定或根据短距离相互作用力求出的势能的二维的映射测定也容易进行。
图1为表示采用本发明的一实施方式的原子间力显微镜的短距离相互作用力测定方法的步骤的流程图。
图2为用于说明图1中所示的测定方法的概念图。
图3为表示试料表面的原子上以及原子缺陷上的Af曲线的测定结果的一例的图。
图4为Si (111)7X7再构成表面的超高真空中的FM-AFM凹凸观察图像。
图5为表示图4的试料的吸附原子上的Af曲线、角洞(corner hole)上的Af曲线以及两者的差所产生的曲线的图。
图6为用于由本发明的测定方法所求出的短距离相互作用力和由现有方法求出的短距离相互作用力之间的比较的图。
图7为表示用于说明由于静电力的有无所引起的短距离相互作用力的算出结果的不同的Af曲线的图。
图8为表示用于说明由于静电力的有无所引起的短距离相互作用力的算出结果的不同的F曲线的图。
图9为本发明的一实施例的原子间力显微镜的概略结构图。
图10为用于说明利用图9中所示的原子间力显微镜的短距离相互作用力测定动作的图。
图11为本发明的其他实施例的原子间力显微镜的概略结构图。
图12为用于说明利用图11中所示的原子间力显微镜的短距离相互作用力测定动作的图。
图13为用于说明利用其他实施例的原子间力显微镜的短距离相互作用力测定动作的图。
图14为表示采用原子间力显微镜的现有的短距离相互作用力测定方法的步骤的流程图。
图15为表示用于说明采用原子间力显微镜的现有的短距离相互作用力测定方法的Af曲线以及F曲线的图。
符号的说明
[0084]
0040
[0085]1..悬臂[0086]2..探针[0087]3..压电元件[0088]4..加振控制部[0089]5..试料支撑台[0090]6..垂直位置扫描部[0091]7..水平位置扫描部[0092]8..位移检测部[0093]9..FM解调部[0094]10 垂直位置控制部[0095]11 水平位置控制部[0096]12 主控制部[0097]13 操作部[0098]14 显示部[0099]15 图像处理部[0100]16 相互作用力算出处理部[0101]17 原子/缺陷识别处理部具体实施方式
首先，说明本发明相关的短距离相互作用力的測定方法的原理。如上所述，公知原 子间カ显微镜中在探针前端与试料表面之间起作用的综合的相互作用力Ft。tal由短距离相 互作用力Fsk与远距离相互作用力Fui之和来表示。此外，远距离相互作用力Fui通常由范德 华カFvdw和静电カFele支配，能够由这两个カ的和来表示。因此，下式(1)成立。
式(1)
权利要求
1.一种原子间力显微镜，是频率调制检测方式的原子间力显微镜，其在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，包括a)凹凸观察像取得单元，其一边一维或二维地扫描试料表面的规定区域，一边形成试料表面的凹凸观察像来进行显示；b)指定单元，其用于用户在由上述凹凸观察像取得单元所显示的凹凸观察像上指定至少一个目的原子以及一个原子缺陷；c)原子上测定实行单元，其测定原子上Af曲线，该原子上Af曲线表示在试料表面由上述指定单元指定的目的原子上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δι之间的关系；d)缺陷上测定实行单元，其测定缺陷上Af曲线，该缺陷上Af曲线表示在试料表面由上述指定单元指定的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Δf之间的关系；e)差运算单元，其计算上述原子上Af曲线与上述缺陷上Δf曲线之差即差分Af曲线；和f)变换运算单元，其通过进行将上述差分Δf曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算，来求出短距离相互作用力。
2.一种原子间力显微镜，是频率调制检测方式的原子间力显微镜，其在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，包括a)凹凸观察像取得单元，其一边一维或二维地扫描试料表面的规定区域，一边形成试料表面的凹凸观察像；b)提取单元，其通过对上述凹凸观察像进行图像解析来提取至少一个目的原子以及一个原子缺陷；c)原子上测定实行单元，其测定原子上Af曲线，该原子上Af曲线表示在试料表面由上述提取单元提取的目的原子上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δι之间的关系；d)缺陷上测定实行单元，其测定缺陷上Af曲线，该缺陷上Af曲线表示在试料表面由上述提取单元提取的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Δf之间的关系；e)差运算单元，其计算上述原子上Δf曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分Af曲线；和f)变换运算单元，其通过进行将上述差分Δf曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算来求出短距离相互作用力。
3.根据权利要求
2所述的原子间力显微镜，其特征在于，还具备分布信息作成单元，其通过针对在规定范围内包括的全部或者一部分的原子依次求出上述短距离相互作用力，来作成表示该规定范围内的上述短距离相互作用力的分布的信息。
4.一种原子间力显微镜，是频率调制检测方式的原子间力显微镜，其在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，包括a)凹凸观察像取得单元，其一边一维或二维地扫描试料表面的规定区域，一边形成试料表面的凹凸观察像；b)原子上测定实行单元，其测定原子上Af曲线，该原子上Af曲线表示在试料表面上预先决定的位置的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δf之间的关系；c)提取单元，其通过对上述凹凸观察像进行图像解析来提取由上述原子上测定实行单元进行测定的原子缺陷或者在接近进行测定的位置的原子缺陷；d)缺陷上测定实行单元，其测定缺陷上Δf曲线，缺陷上Af曲线表示在试料表面由上述提取单元提取的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Af之间的关系；e)差运算单元，其计算上述原子上Δf曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分Af曲线；f)变换运算单元，其通过进行将上述差分Δf曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算来求出上述位置中的短距离相互作用力。
5.根据权利要求
4所述的原子间力显微镜，其特征在于，还具备分布信息作成单元，其通过针对在规定范围内设定的多个上述试料表面上预先决定的位置的各位置依次求出上述短距离相互作用力，来作成表示该规定范围内的上述短距离相互作用力的分布的信息。
6.一种采用原子间力显微镜的相互作用力测定方法，通过采用频率调制检测方式的原子间力显微镜，来测定在试料表面的原子与探针前端之间起作用的短距离相互作用力，该频率调制检测方式的原子间力显微镜在使保持接近试料表面的探针的悬臂以共振频率进行振动时，检测对通过在试料表面的原子和探针前端之间起作用的相互作用而产生变化的上述探针进行保持的悬臂的振动频率，该相互作用力测定方法具有下述步骤a)原子上测定步骤，其测定原子上Af曲线，该原子上Δι曲线表示试料表面的目的原子上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量即频率偏移Δf之间的关系；b)缺陷上测定步骤，其测定缺陷上Δι曲线，该缺陷上Δι曲线表示试料表面的原子缺陷上的、探针前端与试料表面之间的距离Z同上述振动频率距共振频率的变化量Af之间的关系；c)差运算步骤，其计算上述原子上Δf曲线与上述缺陷上Af曲线之差即差分Af曲线；和d)变换运算步骤，其通过进行将上述差分Δf曲线中的频率变化量变换为相互作用力的运算来求出短距离相互作用力。
7.根据权利要求
6所述的采用原子间力显微镜的相互作用力测定方法，其特征在于， 上述原子上测定步骤以及上述缺陷上测定步骤中，求出最大为Inm的距离Z的范围的Af曲线。
专利摘要
本发明提供一种原子间力显微镜以及采用该原子间力显微镜的相互作用力测定方法。由FM-AFM得到的频率偏移Δf，能够由由来于远距离相互作用力的ΔfLR和由来于短距离相互作用力的ΔfSR的简单的线形结合来表示。在此，仅对比较短的距离范围来分别测定试料表面的原子缺陷上的Δf曲线和目的原子上的Δf曲线(S1、S2)，求出两者的差分Δf曲线(S3)。差分Δf曲线只由来于短距离相互作用力，因此在此适用公知的变换处理来求出表示力和距离Z之间的关系的F曲线，据此得到目的原子上的短距离相互作用力(S4)。由于能够缩小Δf曲线测定时的距离范围，因此能够缩短测定时间，Δf曲线→F曲线的变换一次就结束，因此运算时间也能缩短。由此，在求出在试料表面的原子和探针之间起作用的短距离相互作用力时，缩短Δf曲线的测定所需要的时间以及运算时间，实现精度提高，并且能够提高处理能力。
文档编号G01Q30/04GKCN101606051 B发布类型授权 专利申请号CN 200880002061
公开日2011年12月28日 申请日期2008年1月7日
发明者卡斯坦斯·奥斯卡, 大田昌弘, 大薮范昭, 杉本宜昭, 森田清三, 阿部真之 申请人:国立大学法人大阪大学, 株式会社岛津制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (2), 非专利引用 (4),