專利名稱:用于測量由樣品引起的力相互作用的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量由樣品引起的力相互作用的方法，尤其是用于掃描隧道顯微鏡，以及掃描隧道顯微鏡。
背景技術(shù)：
掃描隧道顯微鏡(STM)和其功能方式通常是已知并且理解的。掃描隧道顯微鏡由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在直至0. 1 A范圍中的橫向位置分辨率并且由此允許納米結(jié)構(gòu)通過在價(jià)電子范圍中的形貌(Topographie)和/或局部電子狀態(tài)密度的可視化。
掃描力顯微鏡(AFM)利用在尖峰和樣品之間的力相互作用來成像樣品表面。與在 STM情況下不同，在AFM情況下有大量基本不同的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行模式，它們?cè)诹μ綔y方式方面彼此不同。該大數(shù)量重新反映了將AFM的分辨率向原子分辨率范圍中改善的嘗試，但是這不利地變得異常困難。
在掃描力顯微鏡的所有情況中，力或者由其導(dǎo)出的參量被用作調(diào)節(jié)參量，以便運(yùn)行反饋回路。常規(guī)運(yùn)行模式中最重要的是
a)靜態(tài)AFM
被安裝在作為所謂的懸臂的軟的彎梁的端部處的尖峰以接觸方式(接觸模式)或無接觸地(非接觸模式)通過樣品被引導(dǎo)，其中相互作用力作為懸臂的彎曲被測量。靜態(tài)AFM的常見的結(jié)構(gòu)形式是彎梁AFM，多數(shù)具有懸臂彎曲的光學(xué)探測。
b)輕敲(Tapping)模式
該模式可以在不同的結(jié)構(gòu)形式中被使用。尖峰在表面上方振動(dòng)并且在此總是又與所述表面接觸。
C)無接觸模式
在此情況下，測量在尖峰和樣品之間的相互作用，而兩者不接觸。在此，傳感器經(jīng)常被置于振動(dòng)，以便防止“跳躍接觸”。這于是也被稱為動(dòng)態(tài)AFM。四個(gè)不同的力傳感器被用于該動(dòng)態(tài)AFM 懸臂、QPlus傳感器、針式傳感器和音叉，其中視它們是以機(jī)械方式還是電方式被驅(qū)動(dòng)而定可以將其粗略地劃分為兩個(gè)類別。測量力傳感器的頻率偏移或幅度偏移。AFM 的所有上述特征的重要優(yōu)點(diǎn)是如下可能性也能夠在非導(dǎo)電的樣品上無限制地進(jìn)行測量。
在近年中，采取了最不同的努力來改善AFM的橫向分辨率，直至(亞)原子分辨率或亞分子分辨率。以這種方式，迄今最成功的是動(dòng)態(tài)掃描力顯微鏡，其與STM相比不利地引起高的設(shè)備耗費(fèi)。
掃描隧道顯微鏡的缺點(diǎn)另一方面是不足的化學(xué)敏感性，也即STM不允許化學(xué)形態(tài)的識(shí)別，這導(dǎo)致雖然在直至小于1埃的橫向(lateral)大小范圍中成像分子對(duì)象和表面結(jié)構(gòu)，但是不能以化學(xué)方式或其它方式識(shí)別。
總之，傳統(tǒng)的STM提供了比高分辨率的靜態(tài)AFM小的實(shí)驗(yàn)性耗費(fèi)，但是不利地沒有化學(xué)信息。高分辨率的AFM又提供了比STM在更大程度上關(guān)于樣品表面的信息，此外也提供化學(xué)類型，然而不利的是與更高的實(shí)驗(yàn)性和設(shè)備耗費(fèi)相關(guān)聯(lián)。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)是提供用于測量力相互作用的方法，所述力相互作用由樣品引起。另外的任務(wù)在于，提供掃描隧道顯微鏡，借助該掃描隧道顯微鏡可以測量由樣品引起的力相互作用。
該任務(wù)通過按照權(quán)利要求
1的方法以及按照并列權(quán)利要求
的掃描隧道顯微鏡解決。有利的擴(kuò)展方案由引用其的權(quán)利要求
得到。
該方法規(guī)定測量由樣品引起的力相互作用。在此，尖峰被施加相對(duì)樣品的偏置電壓并且以如此小的距離被引向樣品，使得在尖峰和樣品之間流過可測量的電流。在本發(fā)明的方法期間，在力相互作用的范圍中構(gòu)成傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S 根據(jù)力相互作用的強(qiáng)度改變流過尖峰樣品接觸的電流。該方法在樣品或尖峰的鄰近的附近被實(shí)施。
樣品和尖峰優(yōu)選應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)電的或至少是半導(dǎo)電的。
在本發(fā)明的擴(kuò)展方案中，該擴(kuò)展方案以新的方式組合掃描力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡，其方式是，其將傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S減少到納米級(jí)尺寸并且設(shè)置在優(yōu)選掃描隧道顯微鏡的尖峰樣品接觸(Spitze-Probe-Kontakt)處。這組合了不僅AFM而且STM的確定的優(yōu)點(diǎn)。納米級(jí)這里意味著基本上小于1納米。
已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，納米級(jí)的、可通過要測量的力相互作用影響的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S 由其而言相對(duì)于由樣品出發(fā)的長作用范圍的力是不靈敏的，所述力利用如在AFM中使用的宏觀傳感器不利地非常難地表現(xiàn)原子分辨率。
已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在掃描隧道顯微鏡中的電流探測能夠?qū)崿F(xiàn)出色的橫向分辨率并且因此在力顯微鏡中力相互作用信號(hào)至電流信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換已經(jīng)在尖峰樣品接觸的區(qū)域中也是有利的。根據(jù)本發(fā)明，尖峰理解為每個(gè)如下元件，該元件就與樣品的力相互作用而言是定義的相互作用中心并且在施加電壓的情況下在尖峰和樣品之間流過的電流集中在該元件中。
該任務(wù)通過以下方式被解決傳感器S同時(shí)被構(gòu)造為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，其將力相互作用信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。然后該電流信號(hào)例如借助通常的STM電子設(shè)備被測量。傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在此跟隨(folgen)力相互作用的改變，該力相互作用的改變由樣品出發(fā)直至在結(jié)合力(Bindimgski^fte)的(亞)原子和分子間范圍中。該傳感器作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器有利地將基于樣品的原子幾何的(atomar-geometrisch)化學(xué)結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的改變轉(zhuǎn)化為可測量的電流信號(hào)。
只要在樣品的橫向不同位置重復(fù)該方法，就能夠?qū)崿F(xiàn)力相互作用圖的創(chuàng)建。由此， 有利地，樣品的原子幾何的化學(xué)結(jié)構(gòu)和/或分子間的結(jié)合被指示(nachweisen)。
因?yàn)閭鞲衅骱托盘?hào)轉(zhuǎn)換器S可以通過力作用而被改變或者被影響，因此該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S可以作為該改變或影響的結(jié)果而改變通過尖峰樣品接觸的電流。在尖峰和樣品之間流過的電流的改變可以以非常好的位置分辨率按照比例地輕易地直至原子尺寸地被測量。與此相對(duì)，按照現(xiàn)有技術(shù)的力相互作用的機(jī)械測量的耗費(fèi)例如在掃描力顯微鏡中明顯更大。通過按照本發(fā)明將力相互作用化成通過尖峰樣品接觸的電流的改變，也將其測量化為對(duì)電流的測量，并且因此轉(zhuǎn)移到如下域(Don^ne)中在該域中存在具有高位置分辨率的用于測量的相對(duì)簡單的儀器設(shè)備，例如掃描隧道顯微鏡。傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S由此在本發(fā)明的方法中不僅是記錄力相互作用的純粹的傳感器，而且是將該改變變換成電流的改變的真正的信號(hào)轉(zhuǎn)換器(變換器(Transducer ))。
傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S可以就地被構(gòu)成在STM的尖峰樣品接觸中。該STM具有用于測量通過傳感器S改變的電流的裝置。它在樣品的點(diǎn)X、Y處記錄電流。然后，在直到基于位置分辨的電流創(chuàng)建樣品的整個(gè)力相互作用圖期間，該方法可以通過掃描(durch rastern)被重復(fù)。這是用于對(duì)樣品的原子幾何的化學(xué)對(duì)比度和/或分子間相互作用進(jìn)行成像的基礎(chǔ)。
可以使用信號(hào)轉(zhuǎn)換的不同的途徑。該信號(hào)轉(zhuǎn)換例如可以由此來發(fā)生傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在力的作用下例如由彈性變形、或者由張緊、或者由位勢(shì)形勢(shì)的改變、或者由其他機(jī)制所影響，并且這導(dǎo)致尤其是尖峰樣品接觸的微分電導(dǎo)的改變。這是有利的，因?yàn)榧{米接觸的微分電導(dǎo)非常靈敏地取決于該接觸的特性。
尖峰樣品接觸在此不局限于在電流和距離之間的指數(shù)關(guān)聯(lián)。電導(dǎo)的改變同樣可以作為力相互作用的函數(shù)視傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S的特征而定地顯示任意的、也即不同于指數(shù)的函數(shù)的相關(guān)性。尖峰樣品接觸也不局限于隧道領(lǐng)域(Turmelregime)。其他例如具有在雙側(cè)、也即與尖峰和樣品接觸的傳感器的輸送領(lǐng)域也是可能的，在其中必要時(shí)電流的一部分流過該傳感器。
此外，本發(fā)明不局限于掃描隧道顯微鏡。這樣在本發(fā)明意義上例如在斷裂接觸 (Bruchkontakt)中也形成由尖峰和樣品構(gòu)成的系統(tǒng)，其中可以使用本發(fā)明。在此，斷裂接觸如下地被理解導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)被設(shè)置在可彎曲的襯底上并且緊接著使該襯底從其平面彎曲。在此形成出縫合處，其隨著彎曲增加而越來越薄并且在該縫合處該結(jié)構(gòu)最終斷裂為兩個(gè)相互電分離的部分。如果現(xiàn)在彎曲被減少，則一個(gè)部分的定義的相互作用中心一再靠近另一部分，直至最后在兩個(gè)部分之間又可以流過電流。通常，兩個(gè)部分具有定義的相互作用中心，并且當(dāng)彎曲被減小時(shí)這兩個(gè)相互作用中心彼此靠近。具有相互作用中心的一個(gè)部分是本發(fā)明意義上的尖峰，另一部分是樣品。
在本發(fā)明的另一擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在尖峰樣品接觸中被吸附、 冷凝和/或再升華。
在本發(fā)明的一個(gè)有利的擴(kuò)展方案中，尖峰在掃描隧道顯微鏡(STM)中被弓丨向樣品。 于是不僅在尖峰和樣品之間的距離直至亞原子尺寸是可控制的，而且尖峰可以以可比的精度也橫向掃描經(jīng)過樣品。由此可能的是，不僅測量位置處的力相互作用，而且檢測該力相互作用的空間分布。該分布可以表示為圖像，該圖像包含與利用掃描力顯微鏡(AFM)記錄的圖像相同類型的信息，然而根據(jù)本發(fā)明具有明顯更小的設(shè)備耗費(fèi)。如果例如傳感器S被引向樣品如此近，使得其對(duì)泡利(Pauli)排斥作出反應(yīng)，則以無敵的分辨率得到再現(xiàn)樣品的或待研究樣品的甚至分子間結(jié)合的原子幾何的化學(xué)結(jié)構(gòu)的圖像。
因此本發(fā)明此外落入利用掃描探針方法的最高分辨的顯微鏡領(lǐng)域。本發(fā)明描述了該方法和掃描隧道顯微鏡。該納米級(jí)的、同時(shí)作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器S起作用的力相互作用傳感器以在STM中迄今無敵的分辨率提供分子對(duì)象或其他液化對(duì)象的原子表面結(jié)構(gòu)的力顯微圖像。在此明顯突出了原子幾何的化學(xué)對(duì)比度。該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在此作為真正的造影劑保持不變。[0027]本發(fā)明允許借助其化學(xué)的原子幾何的結(jié)構(gòu)來識(shí)別納米級(jí)對(duì)象。由此，本發(fā)明是力顯微鏡的新變型方案，其原則上可以提供可量化的力。
在本發(fā)明的另一有利的擴(kuò)展方案中，尖峰和樣品共面地設(shè)置在襯底上。于是尖峰可以例如被引向樣品，其方式是改變襯底從其平面出來的彎曲。尖峰和樣品的共面設(shè)置例如可以如上所述地在斷裂接觸中實(shí)現(xiàn)。借助該擴(kuò)展方案，如果僅材料的行為應(yīng)該在盡可能小的相互作用中心中被研究并且該行為的空間分布是無關(guān)緊要的，則該結(jié)構(gòu)的材料的特性可以特別簡單并且快速地被研究。
在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S載有在尖峰和樣品之間流過的電流的至少一部分并且其電導(dǎo)是可通過力相互作用而改變的。該電導(dǎo)例如可以通過傳感器至樣品的有效距離的改變而是可改變的。這例如可以通過選擇可由力相互作用變形的傳感器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在尖峰和樣品之間流過的電流包含是量子力學(xué)隧道電流的分量時(shí)，至樣品的有效距離具有對(duì)由傳感器載有的電流的特別強(qiáng)的影響。
在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器對(duì)在尖峰樣品接觸中的隧道電流的影響可通過力相互作用改變。這例如可以通過在尖峰和樣品之間的中間空間中改變傳感器的位置和/或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變例如可以如此地改變尖峰和/樣品的電子特性， 使得針對(duì)在尖峰和樣品之間的電子的隧穿概率被改變。
因此，在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的擴(kuò)展方案中建立在尖峰和樣品之間的隧道接觸。于是可以有利地分析電導(dǎo)與在尖峰和樣品之間的距離的相關(guān)性與指數(shù)形狀以何種程度偏離。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，該偏離基本上源出于傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S對(duì)通過尖峰樣品接觸的電流的影響，其中該電流基于力相互作用是可變的。該電流尤其是可以包含與力相互作用成比例或者遵循其他函數(shù)相關(guān)性的分量。
在本發(fā)明的特別有利的擴(kuò)展方案中，測量電流與偏置電壓的相關(guān)性。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到， 力相互作用的改變與傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S對(duì)通過電流(Stromfluss)的影響的倒放大系數(shù)(Durchgriff)可以通過偏置電壓來調(diào)整。因此，在本發(fā)明的另一有利的擴(kuò)展方案中，力相互作用的改變與傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S對(duì)通過電流的影響的倒放大系數(shù)通過偏置電壓被調(diào)整。通過偏置電壓的變化，因此傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S的靈敏度可以以電的途徑被調(diào)整。由此，這是可比的在掃描力顯微鏡(AFM)中尖峰處于在其端部的彎梁(懸臂)的彈性特性可以以電的途徑被無級(jí)地改變。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的掃描力顯微鏡不提供這種舒適性。代替地，為此必須完整地更換包括處于其上的尖峰在內(nèi)的彎梁，這經(jīng)常要求手動(dòng)的干預(yù)，尤其是當(dāng)顯微鏡處于超高真空中時(shí)。通過偏置電壓的變化，尤其可以確定如下偏置電壓在該偏置電壓情況下樣品的在當(dāng)前研究情況下要研究的那些特性特別強(qiáng)地表現(xiàn)出來。
該認(rèn)識(shí)也在本發(fā)明的該有利的擴(kuò)展方案中起了作用其中力相互作用的改變與傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S對(duì)通過電流的影響的倒放大系數(shù)通過偏置電壓被調(diào)整。例如可以以在使用前述的擴(kuò)展方案的情況下被證實(shí)為對(duì)于當(dāng)前研究最有利的那個(gè)偏置電壓來檢測力相互作用的空間分布并且作為圖像被記下。
當(dāng)在包括尖峰和樣品的回路中以偏置電壓零對(duì)稱地針對(duì)由正和負(fù)值構(gòu)成的至少一個(gè)偏置電壓對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)了負(fù)微分電導(dǎo)的最大值或最小值之后，有利地測量力相互作用。這被證實(shí)為可靠的起始配置，其中可定期地根據(jù)經(jīng)驗(yàn)地觀察在尖峰和樣品之間流過的電流通過力相互作用的改變。因此有利地在測量力相互作用之前選擇具有大約IOOmV或者更小的數(shù)值的偏置電壓。在測量力相互作用期間于是優(yōu)選選擇具有40mv或者更小數(shù)值、優(yōu)選具有IOmV或更小、5mV或更小或尤其是小于ImV的數(shù)值的偏置電壓。
在本發(fā)明的另一有利的擴(kuò)展方案中，測量與在尖峰和樣品之間的距離相關(guān)的電流、電導(dǎo)和/或微分電導(dǎo)。樣品的特性或者還有以物理方式實(shí)現(xiàn)在傳感器和樣品之間的力相互作用的方式和方法通常對(duì)電流、電導(dǎo)和/或微分電導(dǎo)與在尖峰和樣品之間的距離如何有關(guān)具有影響。為了重建力相互作用的這些特性或者還有方式，尤其可以同時(shí)地測量所述距離相關(guān)性中的多個(gè)。
在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，其包括優(yōu)選相同元素的由兩個(gè)原子組成的分子。為此尤其是可以選擇氫(H或H2)或者氘⑶或D2) 或氦、或者CO作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S的材料。
在本發(fā)明的另一特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S包括具有封閉殼 (Schale)的原子或分子，因?yàn)樵搨鞲衅骱托盘?hào)轉(zhuǎn)換器可以極化在尖峰和/或樣品中的電子。
在本發(fā)明的特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S至少部分地由氣體構(gòu)成，該氣體被導(dǎo)向尖峰和/或樣品，而所述尖峰和/或樣品比氣體的冷凝溫度、吸附溫度和/ 或再升華溫度冷。如果在實(shí)施該方法時(shí)尖峰是掃描隧道顯微鏡的組成部分，則尤其可以應(yīng)用該方法。該顯微鏡通常處于超高真空中。在顯微鏡投入使用之前通常需要的是不僅樣品而且尖峰都用侵入式的磨損材料的方法來制備，這些方法可以去除事先施加的傳感器。 現(xiàn)在通過將氣體放到冷的尖峰和/或樣品處，在那里以流體或固體的形式積聚或者在那里以單個(gè)分子的形式吸附各自的原子。所述積聚被用作用于研究樣品的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。所構(gòu)成的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S因此是如下傳感器該傳感器首先就地在清潔樣品和尖峰之后被制造并且因此不同于常規(guī)的傳感器不通過該清除被去除掉。尤其在此可能的是氣體在尖峰和/或樣品上的多個(gè)位置處積聚并且在尖峰樣品接觸中構(gòu)成該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。
在本發(fā)明的另一特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，而該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在尖峰和/或樣品上物理吸附(physisorbieren)。在那里構(gòu)成傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S,因?yàn)樵搨鞲衅骱托盘?hào)轉(zhuǎn)換器S通過其在尖峰樣品接觸中的位置和/或其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變可以靈敏地對(duì)力相互作用的改變作出反應(yīng)，并且即使在尖峰相對(duì)于樣品橫向推移時(shí)也可以良好地對(duì)尖峰進(jìn)行跟隨。
在本發(fā)明的另一有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S以固體/或流體的形式擁有高的可壓縮性，例如通過該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)施強(qiáng)的零點(diǎn)振動(dòng)，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)于是對(duì)于在樣品前的力相互作用位勢(shì)的改變靈敏地進(jìn)行反應(yīng)。
在本發(fā)明的另一特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S尤其通過氣體來構(gòu)成，該氣體在尖峰和樣品的冷表面上的吸附是自調(diào)節(jié)的。由此避免出現(xiàn)用冷凝或再升華的氣體過大地覆蓋尖峰和/或樣品并且不利地對(duì)有效的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S的構(gòu)成起作用。[0042]在本發(fā)明的完全特別有利的擴(kuò)展方案中，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在尖峰樣品接觸中具有明確定義的吸附位置，因?yàn)橛纱丝梢詷?gòu)成穩(wěn)定的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。
借助傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S可以進(jìn)行定量的力測量，其方式是，借助理論模擬校準(zhǔn)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。代替地，可以通過一次地使用動(dòng)態(tài)AFM來校準(zhǔn)傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。為此目的，傳感器被放置在動(dòng)態(tài)AFM的尖峰處，利用該動(dòng)態(tài)AFM同時(shí)測量隧道電流。
通過本發(fā)明，有利地第一次實(shí)現(xiàn)將用于指示力的掃描隧道顯微鏡與自身高位置分辨率的掃描隧道顯微鏡相結(jié)合。
按照本發(fā)明的掃描隧道顯微鏡包括尖峰，該尖峰被施加相對(duì)待研究的樣品的偏置電壓并且能夠以如此小的距離被引向樣品，使得在尖峰和樣品之間能夠流過電流。有利地， 掃描隧道顯微鏡具有用于由樣品引起的力相互作用的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S根據(jù)力相互作用改變流過尖峰樣品接觸的電流的至少一部分。
按照本發(fā)明的掃描隧道顯微鏡本身具有用于測量根據(jù)從樣品出發(fā)的力相互作用的電流的裝置。但是借助傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S能夠?qū)崿F(xiàn)用于原子幾何的化學(xué)結(jié)構(gòu)的最初的詳細(xì)的成像。
顯微鏡特別有利地具有0. Olnm或更好的橫向分辨率。它也具有用于將根據(jù)力相互作用的電流的Χ、γ數(shù)據(jù)記錄變換成用于樣品的原子幾何的化學(xué)對(duì)比度的成像的裝置。因此，該顯微鏡具有化學(xué)敏感性，借助該化學(xué)敏感性能夠例如根據(jù)其原子幾何的化學(xué)結(jié)構(gòu)彼此區(qū)分有機(jī)分子。此外，能夠使得分子間相互作用可見并且可以被研究。
為此，掃描隧道顯微鏡具有傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S在尖峰和/或樣品上吸附、冷凝和/或再升華或物理吸附。


下面借助6個(gè)圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的主題，而本發(fā)明的主題不由此被限制。
其中
圖1示出以模型分子為例根據(jù)常規(guī)的STM (a)記錄的圖像和按照本發(fā)明的化學(xué)敏感的分辨方法(b，c)之間的比較。
圖2示出在本發(fā)明方法期間在成像模型分子時(shí)的IU特性曲線和微分電導(dǎo)dl/dU。
圖3示出有機(jī)吸附物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，該有機(jī)吸附物利用本發(fā)明方法和原子幾何的化學(xué)(STHM)對(duì)比度被記錄。以下的STHM圖像
a)吸附在Au(Ill)上的 3，4，9，10-茈四甲酸二酐(PTCDA) (3,4,9, IO-Perylenetetr acarbonsauredianhydrid),
b)并五苯/Ag(111)，
c)Sn-酞菁(Phtaloocyanine)/Ag (111)。
圖像a-c連同各自的結(jié)構(gòu)式一起被成像。
d)在Au(Ill)上的PTCDA分子的位置。該分子晶格(Gerilst)(黑色)包括氧原子 (灰色圓圈)在該圖中被示出。箭頭1-6標(biāo)記出其中出現(xiàn)提高的對(duì)比度的區(qū)域。該對(duì)比度可以與至最近鄰居的氫交聯(lián)相關(guān)聯(lián)。
成像參數(shù)
a) 1.3X0. 7nm2，恒定距離，Vb = _5mV，利用D2作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S來測量，b)1.5X0. 6nm2，恒定距離，Vb = -3mV, D2作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S，
c)1.5X1. 5nm2，恒定距離，Vb = _5mV，利用H2作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S來測量，
d)3.2X3. 2nm2，恒定距離，Vb = -IOmVjD2作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。所有圖像如利用WSXM作為程序被測量和產(chǎn)生的那樣被示出。
圖4示出原子幾何的化學(xué)(STHM)對(duì)比度的覆蓋和偏置電壓相關(guān)性。
a)在&作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S的低覆蓋的情況下在LDOS的傳統(tǒng)成像和原子幾何的化學(xué)(STHM)對(duì)比度之間的切換。
b)-e)64X64個(gè)像素，在恒定距離情況下1. 3X1. 3nm2dI/dV-STHM圖像，由分光的數(shù)據(jù)獲得，在PTCDA/Au(lll)上利用D2作為傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被測量。在圖像的每個(gè)像素處記錄了 dl/dV譜，在這種情況下使用鎖定技術(shù)(lock-in-Technik)(調(diào)制幅度4mV，頻率4. 8kHz，對(duì)于譜的記錄時(shí)間Is)。微分電導(dǎo)率的最小值(黑色圓圈)和最大值(白色圓圈) 以電導(dǎo)率數(shù)量單位在每個(gè)圖中被說明。負(fù)的電導(dǎo)率值通過尖銳的電導(dǎo)率峰值引起。
f)dI/dV譜在b)中所示的點(diǎn)處被測量。在右側(cè)示出了被測量的譜。在左側(cè)示出了在b)中的亮灰色圓圈或者暗灰色圓圈(直徑3像素 A)上的平均。帶有在那邊為20mV 噪聲的尖銳區(qū)域是電導(dǎo)率峰值，其與來自接觸的D2分子的激發(fā)相關(guān)聯(lián)。
圖5示出接觸的電導(dǎo)率和原子幾何的化學(xué)(STHM)對(duì)比度的距離相關(guān)性。
a)在Au(Ill)上的PTCDA的中心測量的dl/dV譜利用込被測量，在尖峰和樣品之間不同距離(步距0. 1A)的情況下以鎖定探測來記錄(IOmV調(diào)制，頻率2. 3kHz)。具有灰色矩形的區(qū)域強(qiáng)調(diào)電導(dǎo)率峰值。
b)在Au(Ill)上的PTCDA的中心利用D2測量的微分電導(dǎo)率，具有在_5mV (灰色線)和120-130mV (黑色線)的固定偏置電壓情況下靠近的尖峰。針對(duì)黑色線，4個(gè)測量的譜
被求平均
權(quán)利要求
1.用于測量由樣品引起的力相互作用的方法，其中尖峰被施加相對(duì)樣品的偏置電壓并且以如此小的距離被引向樣品，使得在尖峰和樣品之間流過可測量的電流并且傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成并且在力相互作用的范圍中被使用，所述傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S根據(jù)力相互作用的強(qiáng)度改變流過尖峰樣品接觸的電流。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求
所述的方法，其特征在于，尖峰在掃描隧道顯微鏡中被引向樣品并且通過尖峰樣品接觸的電流被測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求
所述1的方法，其特征在于，尖峰和樣品共面地設(shè)置在襯底上。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于，尖峰被引向樣品，其方式是改變襯底從其平面出來的彎曲。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求
3或4之一所述的方法，其特征在于，尖峰在斷裂接觸中被引向樣PΡΠ O
6.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S載有在尖峰和樣品之間的電流的至少一部分并且其電導(dǎo)是可通過力相互作用改變的。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，該電導(dǎo)通過改變傳感器至樣品的有效距離而被改變。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器根據(jù)力相互作用來改變尖峰樣品接觸的電導(dǎo)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，建立在尖峰和樣品之間的隧道接觸。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，測量與在尖峰和樣品之間的距離相關(guān)的電流、電導(dǎo)和/或微分電導(dǎo)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，為了測量力相互作用分析電流、 電導(dǎo)和/或微分電導(dǎo)與在尖峰和樣品之間的距離的相關(guān)性與指數(shù)形狀在何種程度上偏離。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，測量電流、電導(dǎo)和/或微分電導(dǎo)與偏置電壓的相關(guān)性。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，通過偏置電壓調(diào)整力相互作用的改變與傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S對(duì)通過電流的影響的倒放大系數(shù)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，在不同偏置電壓情況下作為這些測量參量的差而測量電流、電導(dǎo)和/或微分電導(dǎo)的由力相互作用得出的改變。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，在包括尖峰和樣品的回路中以偏置電壓零對(duì)稱地針對(duì)由正和負(fù)值構(gòu)成的至少一個(gè)偏置電壓對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)了微分電導(dǎo)的最大值或最小值之后，測量力相互作用。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，在測量力相互作用之前選擇具有 IOOmV或者更小的數(shù)值的偏置電壓。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，在測量力相互作用期間選擇具有 40mv或者更小的數(shù)值、優(yōu)選具有10mV、或5mV、或ImV或更小的數(shù)值的偏置電壓。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，在尖峰處和/或在樣品處通過吸附、冷凝和/或再升華構(gòu)成傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，構(gòu)成傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S，其包括至少一個(gè)由兩個(gè)原子組成的分子。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，構(gòu)成傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S，該傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S包括至少一個(gè)具有封閉殼的原子或分子。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，由氫(H2)或者氘(D2)或者CO或者另外的輕的氣體，例如氦，構(gòu)成傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S由氣體構(gòu)成，該氣體被導(dǎo)向尖峰和/或樣品，而所述尖峰和/或樣品比所述氣體的冷凝溫度、吸附溫度和/或再升華溫度冷。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S通過物理吸附被構(gòu)成。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，構(gòu)成具有可壓縮性的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S實(shí)施高零點(diǎn)振動(dòng)。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S自調(diào)節(jié)地被構(gòu)成。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，在樣品的橫向不同位置處重復(fù)前述步驟中的一個(gè)或多個(gè)，以便創(chuàng)建力相互作用圖。
28.根據(jù)前述權(quán)利要求
之一所述的方法，其特征在于，樣品的原子幾何的化學(xué)結(jié)構(gòu)和/ 或分子間的結(jié)合被指示。
29.包括尖峰的掃描隧道顯微鏡，所述尖峰被施加相對(duì)待研究的樣品的偏置電壓并且能夠以如此小的距離被引向樣品，使得在尖峰和樣品之間可流過電流，其特征在于，該掃描隧道顯微鏡包括用于由樣品引起的力相互作用的傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S。
30.根據(jù)前述權(quán)利要求
所述的掃描隧道顯微鏡，其特征在于，傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S根據(jù)力相互作用改變流過尖峰樣品接觸的電流的一部分。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求
四或30所述的掃描隧道顯微鏡，具有傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S， 其在尖峰處和/或在樣品處被吸附、冷凝和/或再升華。
32.根據(jù)權(quán)利要求
四至31所述的掃描隧道顯微鏡，在尖峰樣品接觸中、尤其是在直接的尖峰樣品接觸中具有尤其是以毛細(xì)管形式的輸入管道。
專利摘要
用于測量由樣品引起的力相互作用的方法，其中尖峰被施加相對(duì)樣品的偏置電壓并且以如此小的距離被引導(dǎo)向樣品，使得可測量的電流在尖峰和樣品之間流過并且傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S被構(gòu)成并且在力相互作用的范圍中被使用，所述傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器S根據(jù)力相互作用的強(qiáng)度改變流過尖峰樣品接觸的電流。公開了對(duì)此的掃描隧道顯微鏡。
文檔編號(hào)G01Q30/12GKCN102483428SQ201080039165
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年8月27日
發(fā)明者魏斯 C., S. 陶茨 F., 特米羅夫 R. 申請(qǐng)人:于利奇研究中心有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan