專利名稱：掃描隧道顯微鏡多元探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描隧道顯微鏡裝置，特別是用于樣品測(cè)試的探頭。
IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼博士和?！だ琢_爾博士于1982年共同研制成功了世界第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡[Phys.Rev.Lett.49(1)，57(1982)]，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)。該裝置的問(wèn)世立即得到了世界科技界的高度重視，美國(guó)、西歐、加拿大和日本等國(guó)的不少公司和大學(xué)都投入了許多的人力物力和財(cái)力開展這一項(xiàng)研究。在短短幾年時(shí)間里，實(shí)驗(yàn)室儀器已經(jīng)歷了四代變化，有幾家公司現(xiàn)已推出了第二代商品儀器(Digital公司的NanoscopeⅡ，W.A.TECHNOLOGY的ScanningTunnelingMicroscope)。盡管如此，在這個(gè)新興領(lǐng)域里，不論在該裝置本身的技術(shù)方面，還是在其應(yīng)用方面均有大量問(wèn)題有待系統(tǒng)深入研究。
歷來(lái)的掃描隧道顯微鏡探頭[VG公司的STM2000(1987)，MCALLISTERTECHNICALSERVICES的ScanningTunnelingMicroscope(1988)]都是在固定的一對(duì)探針和樣品座上，通過(guò)重新搬運(yùn)安裝探針和樣品來(lái)實(shí)現(xiàn)探針與樣品組合，而進(jìn)行掃描隧道顯微鏡測(cè)試的，這樣通過(guò)一次搬運(yùn)拆裝之后，一般說(shuō)探針在上次測(cè)試中的那種鋒芒已不復(fù)存在，很難保證探針條件的重復(fù)性;而且每次安裝探針和樣品，都要用手工操作，在放大鏡下調(diào)準(zhǔn)等，多有不便;尤其在真空中，需要通過(guò)操縱機(jī)械手做傳遞安裝探針和樣品操作，顯得更加不易。至于用歷來(lái)的探頭在深凍的低溫腔內(nèi)去做樣品與探針間任意組合下的掃描隧道顯微鏡測(cè)試，就很難辦到了。
本發(fā)明為了克服上述缺點(diǎn)，研制出一種新型多元探頭，其特征在于具有能安多個(gè)探針的探針臺(tái)和能安多個(gè)樣品的樣品臺(tái)，而臺(tái)與臺(tái)座之間呈隨轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))隨固緊的連接方式，從而保證了臺(tái)與臺(tái)座之間運(yùn)動(dòng)和固緊動(dòng)作的平穩(wěn)性，為保持在同一氣氛中，方便迅速地實(shí)現(xiàn)探針與樣品間(相同或不同材質(zhì)的探針對(duì)相同或不同材質(zhì)的樣品)任意組合下的掃描隧道顯微鏡測(cè)試，提供了一種工具，加上這種探頭能保持探針的鋒芒，不會(huì)因其探針的調(diào)位而損壞，可以重復(fù)輪翻使用，所以掃描隧道顯微鏡多元探頭很適于系統(tǒng)的研究。真空下使用這種探頭，能直接通過(guò)樣品臺(tái)動(dòng)作可使樣品處于做表面處理位置或處于做他種表面分析測(cè)試位置上，比用歷來(lái)的掃描隧道顯微鏡探頭做同類工作，可省去探針和樣品的轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)、處理臺(tái)，省去傳遞安裝探針和樣品的機(jī)械手。通過(guò)探針臺(tái)動(dòng)作，能使探針處于被處理位置上(例如通過(guò)場(chǎng)離子顯微鏡單元)可以有控制地制造探針鋒芒的尖銳程度，直到尖端只有一個(gè)原子，為直接使用具有這種鋒芒的探針做掃描隧道顯微鏡測(cè)試提供了可能。
掃描隧道顯微鏡多元探頭可以采用一般掃描隧道顯微鏡逼近調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以兩個(gè)相對(duì)逼近元件作臺(tái)座，分別在其上面添加能安多個(gè)探針的探針臺(tái)和能安多個(gè)樣品的樣品臺(tái)，使臺(tái)與臺(tái)座間呈隨轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))隨固緊連接的方法制造;此外也可以采用把探針臺(tái)和樣品臺(tái)的調(diào)位，予調(diào)節(jié)和逼近調(diào)節(jié)三者的固緊機(jī)構(gòu)合而為一，以下面實(shí)施例的方法制造。
實(shí)施例本發(fā)明掃描隧道顯微鏡多元探頭的實(shí)施例見

圖1(裝置示意圖)、圖2(樣品部分示意圖)和圖3(探針部分示意圖)。該裝置包括用作探針(7)與樣品(6)相對(duì)逼近調(diào)節(jié)的差動(dòng)滑行部件、用作樣品(6)的安置和調(diào)位的樣品臺(tái)部件、用作探針(7)的安置，調(diào)位并兼作予置位調(diào)節(jié)的探針臺(tái)部件以及用作隨轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))隨固緊連接的施力元件四個(gè)部分。
差動(dòng)滑行部件由差動(dòng)螺桿(14)、帶有不同螺紋的滑塊(2)和滑塊(10)以及滑軌(1)組成;差動(dòng)螺桿(14)采用單桿雙螺紋式，與滑塊(2)和滑塊(10)螺紋連接，其差動(dòng)螺紋螺距的差為0.001-0.05毫米，本例為0.007毫米?；?1)為直線移動(dòng)型導(dǎo)軌，本例為90°單V槽接觸式。滑塊與滑軌間的摩擦系數(shù)不大于0.25。
樣品臺(tái)部件由樣品臺(tái)(5)、樣品臺(tái)座(4)、樣品(6)、樣品托(16)，螺母(17)和壓電陶瓷管(15)組成。壓電陶瓷管(15)為三維掃描控制器件，其外徑6.5毫米，內(nèi)徑5毫米，長(zhǎng)15毫米，它的一端固定在樣品臺(tái)(5)上，另一端固定有螺母(17)[樣品臺(tái)(5)，螺母(17)與壓電陶瓷管(15)上諸電極均電絕緣]。
樣品(6)和樣品托(16)可以膠接或彈性片夾持，本例采用導(dǎo)電膠粘接。安裝樣品時(shí)先將樣品(6)固定在樣品托(16)上，再把樣品托(16)以其上M2.5螺紋旋緊在螺母(17)上去。
本例樣品臺(tái)(5)為園柱形，在其上部園柱面上水平地均布著多個(gè)樣品，本例為三個(gè)樣品(6)，園柱面下部有對(duì)應(yīng)三個(gè)壓電陶瓷管(15)的諸電極和螺母(17)、并與之電連接的三組觸點(diǎn);這三組電觸點(diǎn)與樣品臺(tái)座(4)中固定的一組電觸點(diǎn)，隨樣品臺(tái)(5)所處的方位不同而或離或合。樣品臺(tái)(5)頂端，有供撥動(dòng)樣品臺(tái)(5)旋動(dòng)的開口槽。
探針臺(tái)部件是由探針臺(tái)(11)、探針臺(tái)座(8)、探針(7)、探針座(18)、絕緣套(19)、螺母(20)、予調(diào)節(jié)螺桿(13)和小支架(12)組成。小支架固定在滑塊(10)的外端面上，予調(diào)節(jié)螺桿(13)與小支架螺紋連接而與探針臺(tái)座(8)鉸接。絕緣套(19)固定在探針臺(tái)(11)上，套(11)內(nèi)固定螺母(20)。本例采用的探針(7)是由直徑0.5毫米的鎢絲制做的。安裝探針時(shí)，將探針(7)緊插在探針座(18)中心孔中，再將探針座(18)以其上M2.5螺紋旋緊在螺母(20)上去。
本例探針臺(tái)(11)亦為園柱形，在上部園柱面上水平地均布有多個(gè)探針，本例為6個(gè)探針(7)，在園柱面下部有對(duì)應(yīng)于6個(gè)探針(7)、并通過(guò)螺母(20)與之電連接的6個(gè)觸點(diǎn)，這6個(gè)電觸點(diǎn)與探針臺(tái)座(8)中的一個(gè)固定的觸點(diǎn)，隨探針臺(tái)(11)所處的方位不同，或離或合。探針臺(tái)(11)頂端有供撥動(dòng)探針臺(tái)(11)旋動(dòng)的開口槽。
施力元件(3)和施力元件(9)可以是磁性元件或彈性金屬片，本例為永磁元件，施力元件(3)和施力元件(9)可以分別固定在滑塊(2)和滑塊(10)的上面，本例則采用將施力元件(3)固定在樣品臺(tái)座(4)的底部，它一方面把樣品臺(tái)(5)和樣品臺(tái)座(4)拉緊在一起，同時(shí)把置于樣品臺(tái)座(4)下面的滑塊(2)夾緊在滑軌(1)上，其夾緊力約為滑塊重力的20倍;將施力元件(9)固定在探針臺(tái)座(8)的底部，一方面把探針臺(tái)(11)和探針臺(tái)座(8)拉緊在一起，同時(shí)把置于探針臺(tái)座(8)下面的滑塊(10)夾緊在滑軌(1)上，其夾緊力約20倍于滑塊重力。
操作過(guò)程撥動(dòng)裝好了探針(7)的探針臺(tái)(11)和裝好了樣品(6)的樣品臺(tái)(5)轉(zhuǎn)動(dòng)，把希望組合在一起做掃描隧道顯微鏡測(cè)試的探針(7)和樣品(6)調(diào)位到差動(dòng)螺桿(14)正上方的相向位置上，也只有處在這個(gè)位置上的探針(7)和樣品(6)才能通過(guò)電觸點(diǎn)，接通隧道電流和控制掃描電路。驅(qū)動(dòng)予調(diào)節(jié)螺桿(13)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)探針臺(tái)座(8)在滑塊(10)上做滑動(dòng)，粗調(diào)節(jié)探針(7)接近樣品6到0.02-0.1毫米，且隨即被固緊在滑塊(10)上。驅(qū)動(dòng)差動(dòng)螺桿(14)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑塊在滑軌(1)上相對(duì)移動(dòng)[可以是雙滑塊移動(dòng)，也可以是固定一個(gè)滑塊讓另一個(gè)滑塊移動(dòng)。本例為固定住滑塊(2)使滑塊(10)移動(dòng)]，以帶動(dòng)探針臺(tái)(11)與樣品臺(tái)(5)做相對(duì)逼近調(diào)節(jié)。從而在探針(7)與樣品(6)之間獲得所需大小的隧道電流以進(jìn)行掃描隧道顯微鏡測(cè)試。待這一個(gè)組合的掃描隧道顯微鏡測(cè)試完畢之后，驅(qū)動(dòng)差動(dòng)螺桿(14)旋轉(zhuǎn)，使探針(7)離開樣品(6)0.02-0.1毫米;驅(qū)動(dòng)予調(diào)節(jié)螺桿(13)旋轉(zhuǎn)退開探針臺(tái)(11)，使探針離開樣品(6)到2-8毫米。至此可以進(jìn)行下一個(gè)組合的掃描隧道顯微鏡測(cè)試調(diào)節(jié)過(guò)程。
此種掃描隧道顯微鏡多元探頭，經(jīng)實(shí)空下對(duì)石墨樣品測(cè)試證明，操作靈活方便，可穩(wěn)定地進(jìn)行探針與樣品間任意組合的掃描隧道顯微鏡測(cè)試，得到具有原子級(jí)分辨率的清晰圖象。
權(quán)利要求
1.一種掃描隧道顯微鏡多元探頭，其特征在于具有能安多個(gè)探針(7)的探針臺(tái)(11)和能安多個(gè)樣品(6)的樣品臺(tái)(5)，樣品臺(tái)(5)與樣品臺(tái)座(4)、探針臺(tái)(11)與探針臺(tái)座(8)呈隨轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))隨固緊的方式連接，該探頭包括作探針(7)與樣品(6)相對(duì)逼近調(diào)節(jié)用的差動(dòng)滑行部件、作樣品(6)的安置和調(diào)位用的樣品臺(tái)部件、作探針(7)的安置和調(diào)位并兼作予置位調(diào)節(jié)用的探針臺(tái)部件以及作隨轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))隨固緊用的施力元件四個(gè)部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描隧道顯微鏡多元探頭，其特征在于所說(shuō)的差動(dòng)滑行部件是由差動(dòng)螺桿(14)、具有不同螺紋的滑塊(2)和滑塊(10)以及滑軌(1)組成，差動(dòng)螺桿(14)采用單桿雙螺紋式，與滑塊(2)和滑塊(10)螺紋連接，其差動(dòng)螺紋的螺距差為0.001-0.05毫米，所說(shuō)的滑軌(1)是直線移動(dòng)型導(dǎo)軌，滑塊與滑軌間的摩擦系數(shù)不大于0.25。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描隧道顯微鏡多元探頭，其特征在于所說(shuō)的樣品臺(tái)部件是由樣品臺(tái)(5)、樣品臺(tái)座(4)、樣品(6)、樣品托(16)、螺母(17)和壓電陶瓷管(15)所組成，壓電陶瓷管(15)作為三維掃描控制器件，它的一端固定在樣品臺(tái)(5)上，另一端固定螺母(17)，安裝樣品時(shí)，先將樣品6固定在樣品托(16)上，再把樣品托(16)旋緊在螺母(17)上去。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描隧道顯微鏡多元探頭，其特征在于所說(shuō)的探針臺(tái)部件是由探針臺(tái)(11)、探針臺(tái)座(8)、探針(7)、探針座(18)、絕緣套(19)、螺母(20)、予調(diào)節(jié)螺桿(13)和小支架(12)組成，小支架(12)固定在滑塊(10)上，予調(diào)節(jié)螺桿(13)與小支架(12)螺紋連接而與探針臺(tái)座(8)鉸接，絕緣套(19)固定在探針臺(tái)(11)上，套內(nèi)固定螺母(20)，安裝探針時(shí)，將探針(7)緊插在探針座(18)中，再將探針座(18)旋緊在螺母(20)上去。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描隧道顯微鏡多元探頭，其特征在于所說(shuō)的施力元件(3)和施力元件(9)為磁性元件(或金屬?gòu)椥栽?，分別固定在滑塊(2)和滑塊(10)的上面[或分別固定在位于滑塊(2)上面的樣品臺(tái)座(4)的底部和位于滑塊(10)上面的探針臺(tái)座(8)的底部]，通過(guò)施力元件的作用，一方面把滑塊(2)和滑塊(10)夾持在滑軌(1)上，致使滑塊和滑軌呈隨移動(dòng)隨固緊的連接方式，另一方面又把樣品臺(tái)(5)和探針臺(tái)(11)拉緊在對(duì)應(yīng)的樣品臺(tái)座(4)和探針臺(tái)座(8)上，致使臺(tái)與相應(yīng)的臺(tái)座之間呈隨轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))隨固緊的連接方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描隧道顯微鏡多元探頭，其特征在于探頭的測(cè)試調(diào)節(jié)步驟是轉(zhuǎn)動(dòng)(或移動(dòng))裝好了探針的探針臺(tái)(11)和裝好了樣品的樣品臺(tái)(5)，把希望組合在一起的探針(7)和樣品(6)調(diào)到差動(dòng)螺桿(14)正上方的相向位置上，驅(qū)動(dòng)予調(diào)節(jié)螺桿(13)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)探針臺(tái)座(8)在滑塊(10)上滑動(dòng)，粗調(diào)節(jié)探針(7)接近樣品(6)到0.02-0.1毫米，驅(qū)動(dòng)差動(dòng)螺桿(14)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑塊在滑軌(1)上的移動(dòng)，帶動(dòng)探針臺(tái)(11)與樣品臺(tái)(5)做相對(duì)逼近調(diào)節(jié)，從而在探針(7)和樣品(6)之間獲得所需大小的隧道電流以進(jìn)行掃描隧道顯微鏡測(cè)試，待這一個(gè)組合的測(cè)試完畢之后，驅(qū)動(dòng)差動(dòng)螺桿(14)旋轉(zhuǎn)，使探針(7)離開樣品(6)0.02-0.1毫米，驅(qū)動(dòng)予調(diào)節(jié)螺桿(13)旋轉(zhuǎn)，退回探針臺(tái)(11)使探針(7)離開樣品(6)到2-8毫米，至此可以進(jìn)行下一個(gè)組合的掃描隧道顯微鏡測(cè)試調(diào)節(jié)過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明的掃描隧道顯微鏡多元探頭由能安多個(gè)探針(7)的探針臺(tái)(11)、探針臺(tái)座(8)、能安多個(gè)樣品(6)的樣品臺(tái)(5)、樣品臺(tái)座(4)、施力元件(3)、(9)以及臺(tái)座(4)和臺(tái)座(8)的逼近調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[(1)、(2)、(10)、(14)]組成。該裝置可在同一氣氛中方便而迅速地實(shí)現(xiàn)探針與樣品間任意組合下的掃描隧道顯微鏡測(cè)試，并且探針的鋒芒不會(huì)因調(diào)換位置而損壞，可反復(fù)使用，尤其對(duì)樣品以及樣品與探針關(guān)系的系統(tǒng)研究頗為適宜。經(jīng)實(shí)空下對(duì)石墨樣品測(cè)試表明，可穩(wěn)定地得到具有原子級(jí)分辨率的清晰圖象。
文檔編號(hào)G02B21/00GK1040442SQ8910445
公開日1990年3月14日 申請(qǐng)日期1989年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月8日
發(fā)明者陳增波, 白春禮, 戴長(zhǎng)春, 黃桂珍, 宋傳風(fēng), 羅常紅, 阮理科 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所