We present a design for a tunneling-current-assisted scanning near-field microwave microscope. For stable operation at cryogenic temperatures, making a small and rigid microwave probe is important. Our coaxial resonator probe has a length of approximately 30 mm and can fit inside the 2-in. bore of a superconducting magnet. The probe design includes an insulating joint, which separates DC and microwave signals without degrading the quality factor. By applying the SMM to the imaging of an electrically inhomogeneous superconductor, we obtain the spatial distribution of the microwave response with a spatial resolution of approximately 200 nm. Furthermore, we present an analysis of our SMM probe based on a simple lumped-element circuit model along with the near-field microwave measurements of silicon wafers having different conductivities.

1.
E. A.
Ash
and
G.
Nicholls
,
Nature
237
,
510
(
1972
).
2.
M.
Tabib-Azar
,
D.-P.
Su
,
A.
Pohar
,
S. R.
LeClair
, and
G.
Ponchak
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
1725
(
1999
).
3.
W.
Park
,
J.
Kim
, and
K.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2642
(
2001
).
4.
T.
Wei
,
X. D.
Xiang
,
W. G.
WallaceFreedman
, and
P. G.
Schultz
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
3506
(
1996
).
5.
A.
Imtiaz
and
S. M.
Anlage
,
Ultramicroscopy
94
,
209
(
2003
).
6.
T.
Machida
,
M. B.
Gaifullin
,
S.
Ooi
,
T.
Kato
,
H.
Sakata
, and
K.
Hirata
,
Appl. Phys. Express
2
,
025006
(
2009
).
7.
J.
Lee
,
C. J.
Long
,
H.
Yang
,
X. -D
Xiang
, and
I.
Takeuchi
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
183111
(
2010
).
8.
M. S.
Kim
,
S.
Kim
,
J.
Kim
,
K.
Lee
,
B.
Friedman
,
J.-T.
Kim
, and
J.
Lee
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
3675
(
2003
).
9.
C.
Gao
,
B.
Hu
,
I.
Takeuchi
,
K.-S.
Chang
,
X.-D.
Xiang
, and
G.
Wang
,
Meas. Sci. Technol.
16
,
248
(
2005
).
10.
M.
Tabib-Azar
and
Y.
Wang
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
52
,
971
(
2004
).
11.
L.
Zhang
,
Y.
Ju
,
A.
Hosoi
, and
A.
Fujimoto
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
123708
(
2010
).
12.
K.
Lai
,
M. B.
Ji
,
N.
Leindecker
,
M. A.
Kelly
, and
Z. X.
Shen
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
063702
(
2007
).
13.
A. N.
Reznik
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
083512
(
2014
).
14.
Z.
Wang
,
Mi. A.
Kelly
,
Z.-X.
Shen
,
L.
Shao
,
W.-K.
Chu
, and
H.
Edwards
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
153118
(
2005
).
15.
D. E.
Steinhauer
,
C. P.
Vlahacos
,
S. K.
Dutta
,
B. J.
Feenstra
,
F. C.
Wellstood
, and
S. M.
Anlage
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
861
(
1997
).
16.
I.
Takeuchi
,
T.
Wei
,
F.
Duewer
,
Y. K.
Yoo
,
X.-D.
Xiang
,
V.
Talyansky
,
S. P.
Pai
,
G. J.
Chen
, and
T.
Venkatesan
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
2026
(
1997
).
17.
Y. K.
Yoo
,
F.
Duewer
,
T.
Fukumura
,
H.
Yang
,
D.
Yi
,
S.
Liu
,
H.
Chang
,
T.
Hasegawa
,
M.
Kawasaki
,
H.
Koinuma
, and
X.-D.
Xiang
,
Phys. Rev. B
63
,
224421
(
2001
).
18.
S.
Okazaki
,
N.
Okazaki
,
Y.
Hirose
,
J.
Nishimura
,
K.
Ueno
,
A.
Ohtomo
,
M.
Kawasaki
,
H.
Koinuma
, and
T.
Hasegawa
,
Appl. Phys. Express
1
,
055003
(
2008
).
19.
S.
Hyun
,
J. H.
Cho
,
A.
Kim
,
J.
Kim
,
T.
Kim
, and
K.
Char
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
1574
(
2002
).
20.
K.
Lai
,
M.
Nakamura
,
W.
Kundhikanjana
,
M.
Kawasaki
,
Y.
Tokura
,
M. A.
Kelly
, and
Z.-X.
Shen
,
Science
329
,
190
(
2010
).
21.
H.
Takahashi
,
Y.
Imai
, and
A.
Maeda
,
Physica C
518
,
33
(
2015
).
22.
H.
Takahashi
,
Y.
Imai
, and
A.
Maeda
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
233106
(
2015
).
23.
K. M.
Lang
,
V.
Madhavan
,
J. E.
Hoffman
,
E. W.
Hudson
,
H.
Eisaki
,
S.
Uchida
, and
J. C.
Davis
,
Nature
415
,
412
(
2002
).
24.
Y.
Kohsaka
,
C.
Taylor
,
K.
Fujita
,
A.
Schmidt
,
C.
Lupien
,
T.
Hanaguri
,
M.
Azuma
,
M.
Takano
,
H.
Eisaki
,
H.
Takagi
,
S.
Uchida
, and
J. C.
Davis
,
Science
315
,
1380
(
2007
).
25.
H.
Takahashi
,
T.
Okada
,
Y.
Imai
,
K.
Kitagawa
,
K.
Matsubayashi
,
Y.
Uwatoko
, and
A.
Maeda
,
Phys. Rev. B
86
,
144525
(
2012
).
26.
T.
Okada
,
H.
Takahashi
,
Y.
Imai
,
K.
Kitagawa
,
K.
Matsubayashi
,
Y.
Uwatoko
, and
A.
Maeda
,
Phys. Rev. B
86
,
064516
(
2012
).
27.
A.
Maeda
,
H.
Kitano
, and
R.
Inoue
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
R143
(
2005
).
28.
H.
Takahashi
,
Y.
Imai
,
S.
Komiya
,
I.
Tsukada
, and
A.
Maeda
,
Phys. Rev. B
84
,
132503
(
2011
).
29.
S.
Okazaki
,
N.
Okazaki
,
Y.
Hirose
,
Y.
Furubayashi
,
T.
Hitosugi
,
T.
Shimada
, and
T.
Hasegawa
,
Appl. Surf. Sci.
254
,
757
(
2007
).
30.
D. E.
Steinhauer
,
C. P.
Vlahacos
,
S. K.
Dutta
,
F. C.
Wellstood
, and
S. M.
Anlage
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
1736
(
1997
).
31.
G. M.
Sardi
,
A.
Lucibello
,
M.
Kasper
,
G.
Gramse
,
E.
Proietti
,
F.
Kienberger
, and
R.
Marcelli
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
033107
(
2015
).
32.
A. P.
Gregory
,
J. F.
Blackburn
,
K.
Lees
,
R. N.
Clarke
,
T. E.
Hodgetts
,
S. M.
Hanham
, and
N.
Klein
,
Ultramicroscopy
161
,
137
(
2016
).
33.
A.
Imtiaz
and
S. M.
Anlage
,
J. Appl. Phys.
100
,
044304
(
2006
).
34.
M. H.
Fang
,
H. M.
Pham
,
B.
Qian
,
T. J.
Liu
,
E. K.
Vehstedt
,
Y.
Liu
,
L.
Spinu
, and
Z. Q.
Mao
,
Phys. Rev. B.
78
,
224503
(
2008
).
35.
K.
Proke
,
M.
Schulze
,
S.
Hartwig
,
N.
Schafer
,
S.
Landsgesell
,
C. G. F.
Blum
,
D.
Abou-Ras
,
M. Y.
Hacisalihoglu
,
E.
Ressouche
,
B.
Ouladdiaf
,
B.
Buchner
, and
S.
Wurmehl
,
J. Cryst. Growth
432
,
95
(
2015
).
36.
S. C.
Speller
,
T. B.
Britton
,
G.
Hughes
,
S.
Lozano-Perez
,
A. T.
Boothroyd
,
E.
Pomjakushina
,
K.
Conder
, and
C. R. M.
Grovenor
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
192504
(
2011
).
37.
S. C.
Speller
,
T. B.
Britton
,
G. M.
Hughes
,
A.
Krzton-Maziopa
,
E.
Pomjakushina
,
K.
Conder
,
A. T.
Boothroyd
, and
C. R. M.
Grovenor
,
Supercond. Sci. Technol.
25
,
084023
(
2012
).
38.
B.
Joseph
,
A.
Iadecola
,
A.
Puri
,
L.
Simonelli
,
Y.
Mizuguchi
,
Y.
Takano
, and
N. L.
Saini
,
Phys. Rev. B
82
,
020502(R)
(
2010
).
39.
A.
Imtiaz
,
S. M.
Anlage
,
J. D.
Barry
, and
J.
Melngailis
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
143106
(
2007
).
You do not currently have access to this content.