專利名稱：測(cè)量相互作用力的方法和用該相互作用力評(píng)價(jià)磁性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量樣品表面和與樣品表面以很小距離相對(duì)的探頭之間的相互作用力的方法，也涉及一種用該相互作用力評(píng)價(jià)樣品表面磁性的方法。
迄今，在許多已知的采用電子束分析固體樣品的方法中，強(qiáng)度(電子的個(gè)數(shù))和動(dòng)能作為一種分析手段。另一種研究手段是電子自旋。已經(jīng)提出幾種基于電子自旋，評(píng)價(jià)固體物質(zhì)微觀表面磁性的方法。例如，已經(jīng)提出幾種以原子級(jí)分辨率確定各個(gè)原子磁矩方向的方法，如

圖1所示。
根據(jù)電子學(xué)最近的進(jìn)展，磁性記錄介質(zhì)上的記錄密度一年比一年更高。圖2是一個(gè)曲線圖，表明根據(jù)磁性記錄介質(zhì)的進(jìn)步記錄密度的變化，以及各種評(píng)價(jià)表面磁性方法。水平軸代表陽(yáng)歷年時(shí)間，左手垂直軸代表線記錄密度(周/厘米)，而右手垂直軸代表評(píng)價(jià)表面磁性方法的分辨率，單位是μm和nm。磁性記錄從1900年具有波長(zhǎng)為1mm開(kāi)始，已經(jīng)變得越來(lái)越密?，F(xiàn)代硬盤(pán)的密度是0.16-0.19μm。通過(guò)電子全息攝影，可以在鈷-鉻介質(zhì)上觀察到0.085μm磁存儲(chǔ)單元。表面磁性的評(píng)價(jià)方法的分辨率已經(jīng)被提高。畢他技術(shù)的分辨率已經(jīng)從1μm提高到0.7μm，而克耳效應(yīng)方法的分辨率已經(jīng)從1μm提高到0.5μm。自旋偏振掃描電子顯微鏡(SP-SEM)的分辨率已經(jīng)從1984年的100-200μm提高到1994年的20nm。磁力顯微鏡(MFM)1987年具有100nm的分辨率，而1988年具有10nm的分辨率。電子全息攝影在1991年具有10nm的分辨率，而洛倫茲顯微鏡現(xiàn)在具有10nm的分辨率，在不久的將來(lái)將具有0.7nm的分辨率。
如上所述，表面磁性評(píng)價(jià)的分辨率已經(jīng)越來(lái)越高。但是，無(wú)論在材料特性的基礎(chǔ)研究中，還是在工程中，例如磁記錄都需要較高的分辨率。因而，急切地需要發(fā)展一種能以原子級(jí)分辨率評(píng)價(jià)固體表面磁特性的評(píng)價(jià)方法。本申請(qǐng)的發(fā)明者已經(jīng)提出一種自旋偏振掃描隧道顯微鏡(SP-STM)。
圖3是一個(gè)示意圖，表明證明SP-STM應(yīng)用的一種實(shí)驗(yàn)裝置。在實(shí)際的SP-STM中，樣品由磁性材料制成，探頭由砷化鎵(GaAs)。但是，在實(shí)驗(yàn)裝置中，樣品由砷化鎵制成，探頭由鎳(Ni)制成。只要研究SP-STM的原理，這不會(huì)引起任何問(wèn)題。一個(gè)單狀態(tài)激光二極管1被用做波長(zhǎng)約為830nm，最大輸出功率約為30mW的線偏振光源。線偏振激光束通過(guò)一個(gè)透鏡2入射到普克爾盒3上。來(lái)自一個(gè)振蕩器4的高壓經(jīng)高壓放大器5加到普克爾盒3上。然后，所激發(fā)的圓偏振激光束被調(diào)制，以約400Hz的調(diào)制頻率調(diào)制為右手圓偏振和左手圓偏振以這種方式，所激發(fā)的電子的自旋偏振被改變。調(diào)制后的激光束通過(guò)反射鏡6-8，λ/4板9和透鏡10入射到樣品11上作為激發(fā)光。由鎳晶體線制成的探頭12被DC電壓源13偏壓，在壓電元件14的控制下，進(jìn)入與樣品11表面非常接近的區(qū)域，使得隧道電流可以從樣品流到探頭。產(chǎn)生的隧道電流被控制單元15檢測(cè)到，控制單元的輸出信號(hào)與來(lái)自振蕩器4的輸出信號(hào)一起加到監(jiān)視器16上。以這種方式，取決于樣品11表面的自旋偏振的隧道電流被檢測(cè)到。
在SP-STM中，由輻射激發(fā)產(chǎn)生的隧道電流被檢測(cè)，因而不能被用于電絕緣磁性材料。發(fā)明者已經(jīng)提出一種原子力顯微鏡(AMF)，可以檢測(cè)樣品與探頭之間的相互作用力。這種原子力顯微鏡可以用于絕緣物體。在已知的原子力顯微鏡中，探頭尖端與樣品接觸，或者進(jìn)入與樣品非常接近的區(qū)域，檢測(cè)加到探頭的力。發(fā)明者已經(jīng)研究了這種通過(guò)測(cè)量探頭與樣品表面之間相互作用力，評(píng)價(jià)樣品表面磁性的原子力顯微鏡。
在已知的原子力顯微鏡中，在非接觸區(qū)域，即探頭尖端與樣品表面以相對(duì)較大的距離分開(kāi)的區(qū)域內(nèi)，或者在接觸區(qū)域，即探頭尖端與樣品表面接觸的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行測(cè)量。在非接觸的區(qū)域內(nèi)測(cè)量時(shí)，測(cè)量磁性偶極子之間產(chǎn)生的磁力。但是，這些力是遠(yuǎn)程力，因此不能實(shí)現(xiàn)原子級(jí)分辨率。在接觸的區(qū)域內(nèi)測(cè)量時(shí)，盡管可以以原子級(jí)分辨率評(píng)價(jià)表面結(jié)構(gòu)，但不可能以精確方式測(cè)量樣品與探頭之間的相互作用力，因?yàn)樘筋^尖端與樣品表面接觸，受到樣品表面磁特性的影響。因而，不可能以精確方式評(píng)價(jià)樣品表面的固有磁性。
本發(fā)明的目的在于提供一種新穎而有用的，以原子級(jí)分辨率，測(cè)量探頭和電導(dǎo)體或電絕緣樣品之間的相互作用力的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種以原子級(jí)分辨率評(píng)價(jià)樣品表面磁特性，而不影響樣品的磁特性的方法。
根據(jù)本發(fā)明，一種測(cè)量?jī)煞N物質(zhì)之間相互作用力的方法，其中每種物質(zhì)包含定域電子，且至少其中之一包含傳導(dǎo)電子，其中所述的兩種物質(zhì)互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離，同時(shí)測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力。
根據(jù)本發(fā)明，一種測(cè)量?jī)煞N物質(zhì)之間相互作用力的方法，其中每種物質(zhì)包含定域電子，且至少其中之一包含傳導(dǎo)電子，包括以下步驟使所述的兩種物質(zhì)互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力，得到第一力；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力，得到第二力；和得到所述第一和第二力之間的差，作為所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力。
根據(jù)本發(fā)明，一種測(cè)量樣品和探頭之間相互作用力的方法，包括以下步驟將所述的樣品表面和探頭互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述的樣品表面和探頭的磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第一力；在所述的樣品表面和探頭的磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第二力；和得到所述第一和第二力之間的差，作為所述的樣品表面和探頭之間的相互作用力。
根據(jù)本發(fā)明，一種評(píng)價(jià)兩種物質(zhì)磁特性的方法，其中每種物質(zhì)包含定域電子，且至少其中之一包含傳導(dǎo)電子，而且至少其中之一的磁特性已知，包括以下步驟將所述的兩種物質(zhì)互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；
在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的力，得到第一力；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的力，得到第二力；得到所述第一和第二力之間的差，作為所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力；和基于所述兩種物質(zhì)之間的所述相互作用力，評(píng)價(jià)所述兩種物質(zhì)中另一個(gè)的磁特性。
根據(jù)本發(fā)明，一種通過(guò)測(cè)量所述樣品和磁特性已知的探頭之間的相互作用力，評(píng)價(jià)樣品磁特性的方法，，包括以下步驟將所述的樣品表面和探頭互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述樣品表面和探頭磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第一力；在所述樣品表面和探頭磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第二力；得到所述第一和第二力之間的差，作為所述的樣品表面和所述探頭之間的相互作用力；和基于所述樣品表面和所述探頭之間的所述相互作用力，評(píng)價(jià)所述樣品表面磁特性。
在測(cè)量由具有晶格常數(shù)a的過(guò)渡金屬制成的樣品與由相同過(guò)渡金屬制成的探頭之間的相互作用力的情況下，探頭與樣品表面相對(duì)的距離為d，滿足條件1.0≤d/a≤1.7。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，最好通過(guò)在所述非常接近的區(qū)域內(nèi)，改變樣品與探頭之間的距離，多次進(jìn)行測(cè)量相互作用力，從而得到多個(gè)相互作用力，通過(guò)綜合考慮所述多個(gè)相互作用力，評(píng)價(jià)樣品的磁特性。
圖1是一個(gè)示意圖，表明一種磁性樣品表面的原子結(jié)構(gòu)；圖2是一個(gè)曲線圖，代表磁性介質(zhì)，線記錄密度，評(píng)價(jià)方法和分辨率的進(jìn)步；圖3是一個(gè)示意圖，表明一種已知的自旋偏振掃描隧道顯微鏡的結(jié)構(gòu)；
圖4是一個(gè)示意圖，表明根據(jù)本發(fā)明的方法的原理的計(jì)算中所用到的樣品和探頭；圖5是一個(gè)示意圖，表明樣品和探頭的原子結(jié)構(gòu)的一種模型；圖6是一個(gè)曲線圖，代表樣品與探頭之間的力和距離的關(guān)系；圖7是一個(gè)曲線圖，表示距離與樣品磁矩的關(guān)系；圖8A和8B是示意圖，表明在直接相互作用區(qū)域和RKKY型相互作用區(qū)域內(nèi)電子的狀態(tài)；圖9是一個(gè)示意圖，表明根據(jù)本發(fā)明的方法，用來(lái)測(cè)量相互作用力的裝置的一種實(shí)施例；圖10是一個(gè)表示相互作用力測(cè)量裝置的另一實(shí)施例的示意剖面圖。
首先，我們考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，其中由一個(gè)3d過(guò)渡金屬鐵制成的兩個(gè)薄片進(jìn)入非常接近的區(qū)域。其中一個(gè)薄鐵片可以是樣品，另一個(gè)可以是探頭。在實(shí)際測(cè)量中，樣品可以被看成薄片，但是探頭是一個(gè)尖端，不能被看成薄片。但是，從微觀的角度，探頭也可以被看成是薄片。也假定每個(gè)薄片都具有由三個(gè)原子層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，薄片的(001)表面相互面對(duì)的距離為d，薄片的晶格常數(shù)為a(2.83)。
當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在兩個(gè)薄片的中點(diǎn)時(shí)，第一薄片的第一層原子x1的位置可以由x1(0，0，d/2)表示，第二層原子x2的位置可以由x2(a/2，a/2，d/2+a/2)表示，而第三層原子x3的位置可以由x3(0，0，d/2+a)表示。類似地，在第二薄片中，第一層原子x1′的位置可以由x1′(a/2，a/2，-d/2)表示，第二層原子x2′的位置可以由x2′(0，0，-d/2-a/2)表示，而第三層原子x3′的位置可以由x3′(a/2，a/2，-d/2-a)表示。不考慮表面松弛。所以，假定晶格是剛性的。
由于兩薄片之間的相互作用力可以從這些薄片磁矩的方向互相平行的條件下得到的第一力，與這些薄片磁矩的方向互相反平行的條件下得到的第二力的差得到。因此，第一和第二力與兩薄片之間距離的關(guān)系被研究。這一關(guān)系已經(jīng)通過(guò)將局部自旋近似用于密度函數(shù)理論的第一原理計(jì)算而得到。根據(jù)計(jì)算，全電勢(shì)線性自變量平面波(LAPW)方法(full potentiallinearargumentecl plane wave(LAPW)method)被簡(jiǎn)化。例如在日本的“應(yīng)用物理”期刊，第33卷(1994)，2692-2695頁(yè)，“材料科學(xué)與工程”，B31(1995)，69-76頁(yè)，“物理周報(bào)”，B56(1995)，3218-3321頁(yè)，發(fā)明者已經(jīng)給出在磁矩方向互相平行條件下，加在各個(gè)原子上的力的計(jì)算結(jié)果。為了測(cè)量實(shí)際相互作用力，需要得到在磁矩方向互相平行時(shí)測(cè)得的力與在磁矩方向互相反平行時(shí)測(cè)得的力的差。
根據(jù)本發(fā)明，不僅在磁矩平行條件下加在各個(gè)薄片上的力，而且在磁矩反平行條件下加在各個(gè)薄片上的力，都可以以極精確的方式計(jì)算，可以得到如圖6所示的計(jì)算結(jié)果。在圖6中，水平軸代表被晶格常數(shù)a歸一化(d/a)的距離d，垂直軸代表力(10-9N)。曲線FP代表平行條件下的力，而曲線FAP代表反平行條件下的力。
薄片之間的力包含不僅是相互作用力，因而為了僅得到相互作用力，必須通過(guò)得到他們之間的差，來(lái)去掉相互作用力以外的力。在圖6中，計(jì)算所得的相互作用力，如曲線Fex＝FAP-FP所示。從曲線Fex中可以看出，相互作用力與兩薄片之間的距離關(guān)系很大。在d/a≤1.7的區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)相互作用力。特別是，在d/a＜1.0的區(qū)域內(nèi)，可以看到較大的相互作用力。在1.0≤d/a≤1.7的區(qū)域內(nèi)，可以看到存在相互作用力。但是，在d/a＞2.0區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)相互作用力。
然后，平行與反平行條件下的薄片磁矩的關(guān)系被研究，得到如圖7所示的結(jié)果。在圖7中，水平軸代表被晶格常數(shù)a歸一化(d/a)的薄片之間的距離d，垂直軸代表磁矩m(μB)。曲線x1(p)和x1(Ap)，x2和x3分別表明層x1，x2和x3的原子的磁矩。曲線x1(p)表明平行條件下磁矩的變化，曲線x1(Ap)代表反平行條件下磁矩的變化。第二層x2原子磁矩大體與整體的磁矩相同。當(dāng)兩薄片之間的歸一化距離(d/a)小于1.0，第一層x1的磁矩明顯減小。這意味著第一層x1的原子受到直接相互作用。在歸一化距離(d/a)小于1.0的區(qū)域內(nèi)第一薄片的自旋受到直接相互作用。因此，在本發(fā)明中，這一區(qū)域稱為直接相互作用區(qū)域。如上參考圖6的解釋，在歸一化距離(d/a)小于1.0的直接相互作用區(qū)域內(nèi)，可以得到較大的相互作用力。但是，在直接相互作用區(qū)域內(nèi)，磁矩變化很大，因而樣品表面的磁結(jié)構(gòu)可能被探頭影響，樣品表面的磁特性可能評(píng)價(jià)不精確。
根據(jù)本發(fā)明，最好在1.0≤d/a≤1.7的區(qū)域內(nèi)測(cè)量相互作用力。在d/a＜1.0直接相互作用區(qū)域內(nèi)，例如如圖8A所示，3d軌道定域電子云(波函數(shù))互相重疊，在1.0≤d/a≤1.7的區(qū)域內(nèi)，如圖8A所示，盡管定域電子云相互分開(kāi)，4s和3p軌道的傳導(dǎo)電子云(波函數(shù))互相重疊。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)將樣品表面與探頭分開(kāi)一段距離，即從4s和3p軌道的傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到3d軌道定域電子云不明顯互相重疊的距離，在這一區(qū)域內(nèi)測(cè)量相互作用力。在本說(shuō)明書(shū)中，這種區(qū)域稱為RKKY型相互作用區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明相互作用力的測(cè)量，不僅用于上述3d過(guò)渡金屬，而且用于分子顯磁(molecules revealing magnetism)，4f稀土金屬和化合物及磁性半導(dǎo)體。應(yīng)該指出，本發(fā)明同樣用于兩種物質(zhì)，其中每種都包括定域自旋，至少其中之一包含傳導(dǎo)電子。
如上參考圖6的解釋，在RKKY型相互作用區(qū)域，即1.0≤d/a≤1.7，測(cè)得的相互作用力FEX的值小于在直接作用區(qū)域內(nèi)測(cè)得的值，但仍然具有10-10N的量級(jí)。具有此值的相互作用力可以被測(cè)量，因?yàn)槌Ｒ?guī)原子力顯微鏡具有10-12到10-13N的分辨率。而且，這種RKKY型相互作用力以正弦方式變化，因而用這種特性可以精確測(cè)量相互作用力。
現(xiàn)在，解釋一下進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置。
圖9是一個(gè)示意圖，表明測(cè)量上述RKKY型相互作用力和根據(jù)測(cè)得的相互作用力評(píng)價(jià)樣品磁特性的裝置的一種實(shí)施例。將要評(píng)價(jià)其磁特性的樣品21置于可以以三維方式移動(dòng)的載物臺(tái)22上。在樣品載物臺(tái)22上安裝一個(gè)彈性杠桿23，其兩端都通過(guò)壓電材料制成的振動(dòng)器25a和25b固定在靜止元件上。彈性杠桿23是由硅，氮化硅，不銹鋼，磷銅等制成的彈性板條形成。探頭24固定在彈性杠桿23底面中心。最好探頭24有一個(gè)尖端。根據(jù)本發(fā)明，樣品21和探頭24材料的組合沒(méi)有限制，除去由于磁性樣品特性而要求的條件，從可加工性的角度看，探頭可以是任何合適的材料。
壓電材料制成的振動(dòng)器25a和25b都連接到振蕩器26上，它能產(chǎn)生具有幾百KHz頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使杠桿23以此頻率振動(dòng)。在杠桿23的上表面提供有一個(gè)反射元件27，激光光源28發(fā)射的激光束從傾斜方向入射到反射元件上。反射元件27反射的激光束被位置傳感器29接收。位置傳感器29包括一個(gè)多個(gè)光接收元件的陣列，因而激光束入射位置可以被檢測(cè)。以這種方式，在與樣品21表面垂直方向Z上的探頭24的位置可以被非常精確的檢測(cè)。
樣品載物臺(tái)22，杠桿23，激光光源28和位置傳感器29都安裝在連有真空泵(未示出)的真空室30中。以這種方式，室30的空間可以保持在超高真空狀態(tài)，因而可以得到相互作用力的精確測(cè)量，而不受積在樣品21上的灰塵的影響。
在真空室30外，除上述振蕩器26以外，還裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)樣品載物臺(tái)22的驅(qū)動(dòng)電路31，一個(gè)連在所述位置傳感器29上的力測(cè)量電路32，一個(gè)計(jì)算來(lái)自力測(cè)量電路32的輸出信號(hào)的計(jì)算電路33，從而得到加在探頭24上的相互作用力，和一個(gè)處理來(lái)自計(jì)算電路33的輸出信號(hào)的處理電路34，從而基于測(cè)得的加在探頭24上的相互作用力，評(píng)價(jià)樣品21的磁特性。
在將樣品21置于載物臺(tái)22上，將真空室30抽空之后，樣品載物臺(tái)22被驅(qū)動(dòng)電路31驅(qū)動(dòng)，這樣探頭24的尖端與樣品給定部分相對(duì)。這種情況下，樣品21和探頭24尖端之間的距離設(shè)定為上述RKKY型相互作用區(qū)域內(nèi)一個(gè)值，然后，壓電振動(dòng)器25a和25b被振蕩器26驅(qū)動(dòng)，使得彈性杠桿23和探頭24在Z方向上，以給定的頻率振動(dòng)。由于振動(dòng)，激光束入射到位置傳感器29的位置發(fā)生周期變化。當(dāng)在樣品21與探頭24之間未引發(fā)任何力時(shí)，彈性杠桿23的振動(dòng)根本不受影響，杠桿23以給定頻率和振幅振動(dòng)。但是，當(dāng)在樣品21與探頭24之間引入一個(gè)力時(shí)，彈性杠桿23的振動(dòng)受到該力的影響，振動(dòng)的頻率和振幅改變。因而，通過(guò)用傳感器29和力測(cè)量電路32檢測(cè)杠桿23的振動(dòng)，可以測(cè)量樣品21與探頭24之間引入的力。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，樣品21與探頭24之間的力在磁矩方向互相平行的條件下和在磁矩方向互相反平行的條件下測(cè)得，而測(cè)得的相互作用力是這兩個(gè)力之間的差。這可以通過(guò)提供一個(gè)繞在探頭上的電磁線圈來(lái)進(jìn)行，電流流向第一方向，使探頭在第一方向磁化。在測(cè)得第一和第二力中的一個(gè)之后，電流通過(guò)線圈在與第一方向相反的第二方向上流動(dòng)，使探頭在與第一方向相反的第二方向磁化，同時(shí)測(cè)量所述第一和第二力中的另一個(gè)。在測(cè)量力期間，沒(méi)有電流通過(guò)線圈，因此力的測(cè)量不受影響。
然后，通過(guò)力的計(jì)算電路32計(jì)算的第一和第二力被提供給計(jì)算電路33，通過(guò)計(jì)算電路33計(jì)算兩個(gè)力之間的差。最后，算得的相互作用力提供給處理電路34，基于該相互作用力，評(píng)價(jià)樣品21的磁特性。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，最好在多個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量相互作用力，得到多個(gè)相互作用力，同時(shí)樣品和探頭之間的距離在所述RKKY型區(qū)域內(nèi)變化，通過(guò)綜合考慮所述多個(gè)相互作用力，評(píng)價(jià)樣品的磁特性。
圖10是一個(gè)示意圖，表明測(cè)量相互作用力的裝置的另一實(shí)施例。在圖9所示的裝置中，以探頭相對(duì)樣品的位移來(lái)測(cè)量相互作用力。在本實(shí)施例中，樣品和探頭都是圓柱體，以圓柱體的相對(duì)位移來(lái)測(cè)量相互作用力。
在由透明材料制成的外殼41的底面上，形成一個(gè)透明窗口42，而光通過(guò)透明窗口被引入外殼內(nèi)。在外殼41內(nèi)安裝有一個(gè)由透明材料制成的內(nèi)殼43，而內(nèi)殼中容納諸如純凈水的透明液體。一個(gè)第一支撐桿45浸在內(nèi)殼43容納的透明液體44中。在支撐桿45的末端固定有由彈性材料制成的臂46的一端，而樣品夾具47提供在臂46的另一端。第一支撐桿45通過(guò)彈簧塊48固定在蓋狀元件49的后表面。通過(guò)調(diào)整微調(diào)元件50，第一支撐桿45可以上下移動(dòng)。
在透明液體44中，浸有第二支撐桿51，探頭夾具52以探頭夾具52與樣品夾具47相對(duì)的方式，固定在第二支撐桿51的末端。第二支撐桿51通過(guò)平行葉片彈簧53固定在蓋狀元件49的后表面。蓋狀元件49由一種透明材料制成，在蓋狀元件的中心部分形成一個(gè)透明窗口54。通過(guò)透明窗口透射的光被顯微鏡M檢測(cè)。在圖10中，只表現(xiàn)了顯微鏡M的一部分。
樣品55固定在由第一支撐桿45支撐的樣品夾具47的上端，探頭56固定在由第二支撐桿51支撐的探頭夾具52的底端。樣品55和探頭56都形成圓柱體的一部分，如局部放大圖所示。這些圓柱體這樣安裝，他們的軸互相垂直。因此，樣品55和探頭56在單個(gè)點(diǎn)上非常接近。
第二支撐桿51的上端固定在一個(gè)固定在螺栓58上的桿57上。螺栓58與通過(guò)壓電元件60，固定在蓋狀元件49上端的螺帽59嚙合。壓電元件60與驅(qū)動(dòng)電路61相連。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓58，第二支撐桿51的高度可以上下調(diào)整，通過(guò)用來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路61的AC驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電元件60，第二支撐桿51和探頭52可以以給定頻率和振幅上下移動(dòng)。
首先，操縱微調(diào)元件50，使第一支撐桿45上下移動(dòng)，樣品定位在一給定平面。下一步，轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓58，使第二支撐桿51上下移動(dòng)，使得樣品55和探頭56之間的距離設(shè)定為上述RKKY型相互作用區(qū)域內(nèi)的一個(gè)值。然后，驅(qū)動(dòng)電路61被啟動(dòng)，使壓電元件60振動(dòng)，探頭56也輕微振動(dòng)。在這種條件下，白光射入透明窗口42，穿過(guò)樣品55和探頭56，被顯微鏡M觀察到。如上所述，由于圓柱形樣品55和探頭56正交，所以穿過(guò)其間的光發(fā)生干涉，而產(chǎn)生與牛頓環(huán)類似的干涉條紋。如此產(chǎn)生的干涉條紋被顯微鏡M觀察到。干涉條紋隨探頭56的周期振動(dòng)而周期性變化。當(dāng)在樣品55與探頭56之間引入一個(gè)力時(shí)，干涉條紋圖樣的周期性被擾動(dòng)。因此通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的擾動(dòng)，可以測(cè)量引入樣品55和探頭56之間的力。與上述實(shí)施例類似，通過(guò)得到測(cè)得在平行與反平行情況下引入樣品55與探頭56之間力的差，就可以測(cè)量引入樣品和探頭之間的相互作用力。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以用圖9和10中表明的裝置以外的裝置進(jìn)行。而且，在圖9所示的實(shí)施例中，激光光源和光檢測(cè)傳感器可以安裝在真空室外。在圖10描述的實(shí)施例中，樣品和探頭可以互換。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量相互作用力的方法中，無(wú)論樣品和探頭的成分如何，樣品和探頭之間的相互作用力可以以原子級(jí)分辨率精確測(cè)得，同時(shí)樣品的磁特性不受探頭的影響。因此，在根據(jù)本發(fā)明的評(píng)價(jià)樣品磁特性的方法中，可以基于測(cè)得的相互作用力，精確評(píng)價(jià)樣品的磁特性。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量?jī)煞N物質(zhì)之間相互作用力的方法，其中每種物質(zhì)包含定域電子，且至少其中之一包含傳導(dǎo)電子，其中所述的兩種物質(zhì)互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離，同時(shí)測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力。
2.一種測(cè)量?jī)煞N物質(zhì)之間相互作用力的方法，其中每種物質(zhì)包含定域電子，且至少其中之一包含傳導(dǎo)電子，包括以下步驟將所述的兩種物質(zhì)互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力，得到第一力；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力，得到第二力；和得到所述第一和第二力之間的差，作為所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力。
3.一種測(cè)量樣品和探頭之間相互作用力的方法，包括以下步驟將所述的樣品表面和探頭互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述的樣品表面和探頭磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第一力；在所述的樣品表面和探頭磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第二力；和得到所述第一和第二力之間的差，作為所述的樣品表面和探頭之間的相互作用力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述樣品和探頭由具有晶格常數(shù)a的過(guò)渡金屬制成，探頭與樣品表面相對(duì)的距離為d，滿足條件1.0≤d/a≤1.7。
5.一種評(píng)價(jià)兩種物質(zhì)磁特性的方法，其中每種物質(zhì)包含定域電子，且至少其中之一包含傳導(dǎo)電子，而且至少其中之一的磁特性已知，包括以下步驟將所述的兩種物質(zhì)互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的力，得到第一力；在所述兩種物質(zhì)磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量所述兩種物質(zhì)之間的力，得到第二力；得到所述第一和第二力之間的差，作為所述兩種物質(zhì)之間的相互作用力；和基于所述兩種物質(zhì)之間的所述相互作用力，評(píng)價(jià)所述兩種物質(zhì)中另一個(gè)的磁特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中相互作用力的測(cè)量在多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行，得到多個(gè)相互作用力，同時(shí)樣品和探頭之間的距離在所述非常接近的區(qū)域內(nèi)改變，通過(guò)綜合考慮所述的多個(gè)相互作用力，評(píng)價(jià)樣品的磁特性。
7.一種通過(guò)測(cè)量所述樣品和已知磁特性的探頭之間的相互作用力，評(píng)價(jià)樣品磁特性的方法，，包括以下步驟將所述的樣品表面和探頭互相在非常接近的區(qū)域內(nèi)相對(duì)，即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離，到定域電子云不互相明顯重疊的距離；在所述樣品表面和探頭磁矩方向互相平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第一力；在所述樣品表面和探頭磁矩方向互相反平行的條件下，測(cè)量加在所述探頭上的力，得到第二力；得到所述第一和第二力之間的差，作為所述的樣品表面和所述探頭之間的相互作用力；和基于所述樣品表面和所述探頭之間的所述相互作用力，評(píng)價(jià)所述樣品表面磁特性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述的樣品與探頭由具有晶格常數(shù)a的過(guò)渡金屬制成，探頭與樣品表面相對(duì)的距離為d，滿足條件1.0≤d/a≤1.7。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中相互作用力的測(cè)量在多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行，得到多個(gè)相互作用力，同時(shí)樣品和探頭之間的距離在所述非常接近的區(qū)域內(nèi)改變，通過(guò)綜合考慮所述的多個(gè)相互作用力，評(píng)價(jià)樣品的磁特性。
全文摘要
一種測(cè)量樣品和探頭之間相互作用力的方法,樣品和探頭在非常接近的區(qū)域或RKKY型相互作用區(qū)域內(nèi)相對(duì),即從傳導(dǎo)電子云開(kāi)始互相重疊的距離,到定域電子云不互相明顯重疊的距離,樣品和探頭之間的相對(duì)位移被檢測(cè)到,在樣品表面和探頭磁矩方向互相平行的條件下,測(cè)得第一力,在樣品表面和探頭磁矩方向互相反平行的條件下,測(cè)得第二力。以所述第一和第二力之差作為相互作用力?；跍y(cè)得的相互作用力,評(píng)價(jià)樣品表面磁特性。
文檔編號(hào)G01N37/00GK1196481SQ9810631
公開(kāi)日1998年10月21日 申請(qǐng)日期1998年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月3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(zhǎng)谷川秀夫, 小口多美夫 申請(qǐng)人:北海道大學(xué)