專利名稱:多探針共成像的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種掃描隧道顯微鏡，具體涉及一種多探針共成像的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡。
背景技術(shù)：
掃描隧道顯微鏡，是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器，是將探針接近樣品表面，然后在樣品表面進行掃描，從而得到材料的表面信息。由于掃描隧道顯微鏡的探針針尖可以作為材料電輸運測量的電極，傳統(tǒng)的四引線或四探針方法可以由四個STM的探針來實現(xiàn)，從而達到直接測量納米材料和結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)的目的。由于納米材料和結(jié)構(gòu)是由有限個原子或分子組成，其表面吸附的雜質(zhì)原子或分子往往不可忽略，所以在大氣環(huán)境中難以測得其本征的物理性質(zhì)。因此，為了測量納米材料和結(jié)構(gòu)的本征物性，在超高真空環(huán)境中的樣品制備、成像與測量常常是非常必要的。目前在超高真空中使用四探針掃描隧道顯微鏡需要通過一個特制的掃描電鏡的觀察來對其針尖進行定位，這個特制的電鏡是非常昂貴的，因為它必須能經(jīng)受系統(tǒng)獲得超高真空所經(jīng)歷的高溫烘烤。另外，在迄今為止的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡中，樣品臺因制冷而固定不動，每個探針各自可以在樣品上獨立掃描成像，但不能對樣品的同一區(qū)域同時掃描、共同成像，因為這要解決四個探針的掃描同步問題，否則四個針尖會因碰撞而相互沖突。由于掃描隧道顯微鏡的針尖掃描成像一般遠高于電鏡的電子束掃描成像，可以達到原子級別的超高分辨，這樣，如果四個探針能夠?qū)ν粎^(qū)域同時掃描、共同成像就可以實現(xiàn)以針尖尺度為極限的針尖間的相互逼近和各個針尖在原子尺度上的精確定位，這將大大拓展四探針掃描隧道顯微鏡在超高精細電輸運測量上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的是提供一種多探針共成像的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡。
本發(fā)明的多探針共成像的超聞?wù)婵账奶结槖呙杷淼里@微鏡包括:超聞?wù)婵涨惑w；在超高真空腔體的頂部由刀口法蘭密封安裝有三維調(diào)節(jié)鏡架以及在三維調(diào)節(jié)鏡架上安裝有光學(xué)顯微鏡；在超高真空腔體的內(nèi)部經(jīng)由四根彈簧懸掛有減振底盤；在減振底盤的中央安裝有能夠在XY平面掃描的樣品臺部件；在減振底盤上且處于樣品臺部件的四周安裝有四個探針位移驅(qū)動器；四個探針Z向掃描器分別安裝在四個探針位移驅(qū)動器上；以及四個掃描探針分別安裝在四個探針Z向掃描器上。
樣品臺部件進一步包括樣品臺、樣品臺掃描器以及支撐管，其中，樣品臺用絕緣膠粘接在樣品臺掃描器的頂端，樣品臺掃描器的底端用絕緣膠粘接在支撐管上，支撐管緊固在減振底盤上。
樣品臺掃描器為壓電陶瓷管，壓電陶瓷管的內(nèi)外壁均鍍有金屬膜，將內(nèi)外壁的金屬膜按相同的方式劃分四等份，使得內(nèi)外壁各形成四個獨立的電極，對壓電陶瓷管的四個獨立電極施加電壓，會引起壓電陶瓷管在相應(yīng)的電極的方向發(fā)生微小的彎曲變形，從而引起樣品臺在水平面上的微小平動，因此實現(xiàn)樣品臺在XY平面掃描。
每一個探針位移驅(qū)動器為壓電陶瓷驅(qū)動器，能夠在XYZ三個方向上進行三維驅(qū)動。
每一個探針Z向掃描器為壓電陶瓷管，可沿Z方向伸縮變形。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于:
(I)利用針尖在各種相對位置時的共成像圖片直接實現(xiàn)對樣品表面出現(xiàn)的靜態(tài)分布或動態(tài)過程的相關(guān)測量；
(2)利用掃描探針成像的高分辨實現(xiàn)探針在樣品表面的精準(zhǔn)定位，提供了多探針測量原子、分子或團簇電輸運的可能性；
(3)用光學(xué)顯微鏡取代電子顯微鏡，極大地降低了應(yīng)用成本，并且，可以通過光學(xué)顯微鏡引入激光并作用于樣品，再通過光學(xué)顯微鏡搜集樣品發(fā)出的光譜信號，進行光譜分析；
(4)不同于以往幾個探針各自獨立控制的技術(shù)模式，樣品臺掃描的多探針共成像方法，近似于單探針的掃描成像控制，電子學(xué)控制單元和軟件因不必考慮各探針的掃描同步問題而變得相對簡單。


圖1是本發(fā)明的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡。
本發(fā)明的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡如圖1所示，包括:超高真空腔體I ;在超高真空腔體I的頂部由刀口法蘭密封安裝有三維調(diào)節(jié)鏡架2以及在三維調(diào)節(jié)鏡架2上安裝有光學(xué)顯微鏡3 ;在超高真空腔體I的內(nèi)部經(jīng)由四根彈簧懸掛有減振底盤4 ;在減振底盤4的中央安裝有能夠在XY平面掃描的樣品臺部件5 ;在減振底盤4上且處于樣品臺部件5的四周安裝有四個探針位移驅(qū)動器6 ;四個探針Z向掃描器7分別安裝在四個探針位移驅(qū)動器6上；以及四個掃描探針8分別安裝在四個探針Z向掃描器7上。
樣品臺部件5進一步包括樣品臺、樣品臺掃描器以及支撐管，其中，樣品臺用絕緣膠粘接在樣品臺掃描器的頂端，樣品臺掃描器的底端用絕緣膠粘接在支撐管上，支撐管緊固在減振底盤4上，樣品臺掃描器的中間是連接樣品臺與低溫冷阱的紫銅絲束，以此實現(xiàn)對樣品的制冷。
樣品臺掃描器為壓電陶瓷管，壓電陶瓷管的內(nèi)外壁均鍍有金屬膜，將內(nèi)外壁的金屬膜按相同的方式劃分四等份，使得內(nèi)外壁各形成四個獨立的電極，連線引出兩對端子±X和土Y，在每隊端子上加電壓都會引起壓電陶瓷管在相對的電極方向上發(fā)生微小的彎曲變形，這樣的變形就會引起樣品臺在水平面上的微小平動，從而達到樣品臺在XY平面掃描的目的。
每一個探針位移驅(qū)動器6為壓電陶瓷驅(qū)動器，能夠在XYZ三個方向上進行三維驅(qū)動；以及每一個探針Z向掃描器7為壓電陶瓷管，可沿Z方向伸縮變形。通過這四個探針位移驅(qū)動器6可將四個探針8分別移動到樣品表面的指定位置，并且使得探針逼近樣品表面直至進入隧道狀態(tài)。當(dāng)樣品臺在XY平面掃描時，每個探針Z向掃描器7在Z方向受反饋控制探測樣品表面的高低起伏。在這種情況下就實現(xiàn)了四個探針的同時掃描成像；當(dāng)針尖的相對距離小于樣品臺的掃描范圍時，各個探針就會對樣品上的同一塊區(qū)域共同成像。
常規(guī)的光學(xué)顯微鏡可具有1-2微米的分辨本領(lǐng)，因此在一個常規(guī)光學(xué)顯微鏡的觀察下就可驅(qū)動探針達到幾個微米的相對距離，這樣，只要樣品臺的掃描在較大的范圍，就可以實現(xiàn)上述的“四探針共成像”。本技術(shù)采用直徑20毫米、壁厚I毫米、長度25毫米的壓電陶瓷管實施樣品臺掃描，達到5微米的掃描范圍；將長度加長到100毫米時，掃描范圍達到70微米，完全滿足四探針共成像的條件。
四探針共成像時，樣品表面上的一個特征會分別出現(xiàn)在四個探針各自所成的像里形成特征像點，將四個像疊在一起，四個特征像點的相對位置就是四個探針的相對位置，從而實現(xiàn)了四探針的精確定位。據(jù)此，可以進一步驅(qū)動四個探針不斷相互靠近直至針尖尺度的極限。在此過程中將獲得一組組共成像圖片。
本專利技術(shù)實施的聞端環(huán)境是超聞?wù)婵障到y(tǒng)，也同樣適用于聞?wù)婵?、低真空和大氣的環(huán)境。
最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求
的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求
書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種超高真空四探針掃描隧道顯微鏡，所述超高真空四探針掃描隧道顯微鏡包括:超高真空腔體，其特征在于:在所述超高真空腔體的頂部由刀口法蘭密封安裝有三維調(diào)節(jié)鏡架以及在所述三維調(diào)節(jié)鏡架上安裝有光學(xué)顯微鏡；在所述超高真空腔體的內(nèi)部經(jīng)由四根彈黃懸掛有減振底盤；在所述減振底盤的中央安裝有能夠在XY平面掃描的樣品臺部件；在所述減振底盤上且處于所述樣品臺部件的四周安裝有四個探針位移驅(qū)動器；四個探針Z向掃描器分別安裝在所述四個探針位移驅(qū)動器上；以及四個掃描探針分別安裝在所述四個探針Z向掃描器上；樣品臺在XY平面掃描，每個探針在Z方向受反饋控制探測樣品表面的高低起伏，四個探針對同一塊區(qū)域共同成像。
2.如權(quán)利要求
1所述的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述樣品臺部件進一步包括樣品臺、樣品臺掃描器以及支撐管，其中，所述樣品臺用絕緣膠粘接在樣品臺掃描器的頂端，所述樣品臺掃描器的底端用絕緣膠粘接在所述支撐管上，所述支撐管緊固在所述減振底盤上。
3.如權(quán)利要求
2所述的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述樣品臺掃描器為壓電陶瓷管，所述壓電陶瓷管的內(nèi)外壁均鍍有金屬膜，將內(nèi)外壁的金屬膜按相同的方式劃分四等份，使得內(nèi)外壁各形成四個獨立的電極，對所述壓電陶瓷管的四個獨立電極施加電壓，會引起所述壓電陶瓷管在相應(yīng)的電極的方向發(fā)生微小的彎曲變形，從而引起所述樣品臺在水平面上的微小平動，因此實現(xiàn)所述樣品臺在XY平面掃描。
4.如權(quán)利要求
1所述的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡，其特征在于，每一個所述探針位移驅(qū)動器為壓電陶瓷驅(qū)動器，能夠在XYZ三個方向上進行三維驅(qū)動。
5.如權(quán)利要求
1所述的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡，其特征在于，每一個探針Z向掃描器為壓電陶瓷管，可沿Z方向伸縮變形。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種多探針共成像的超高真空四探針掃描隧道顯微鏡。該掃描隧道顯微鏡包括超高真空腔體、三維調(diào)節(jié)鏡架、光學(xué)顯微鏡、減振底盤、樣品臺部件、四個探針位移驅(qū)動器、四個探針Z向掃描器以及四個掃描探針。本發(fā)明在樣品臺部件中采用壓電陶瓷管，從而樣品臺能夠在XY平面掃描，而樣品表面高低起伏的跟蹤分別由四個探針Z向掃描器來完成。本發(fā)明以光學(xué)顯微鏡取代電子顯微鏡，極大地降低了應(yīng)用成本，并且能夠進行光譜分析；而且樣品臺掃描的多探針共成像方法，近似于單探針的掃描成像控制，電子學(xué)控制單元和軟件因不必考慮各探針的掃描同步問題而變得相對簡單，同時利用掃描探針成像的高分辨實現(xiàn)探針在樣品表面的精準(zhǔn)定位。
文檔編號G01Q60/16GKCN102445568SQ201110304626
公開日2013年9月18日 申請日期2011年10月10日
發(fā)明者張朝暉, 王志剛 申請人:北京大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (4),