本實(shí)用新型屬于新原理的掃描探針顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固態(tài)勢(shì)壘針尖接觸模式的掃描隧道顯微鏡。

背景技術(shù)：

掃描隧道顯微鏡(STM)以其當(dāng)今最高的空間分辨率，是能夠表征樣品表面的電子態(tài)密度分布的唯一儀器，在表面科技和納米科技領(lǐng)域發(fā)揮出了不可替代的且至關(guān)重要的作用，但是也存在著多個(gè)巨大的難題：

1、由于電子態(tài)密度疊加的原理，STM會(huì)出現(xiàn)假原子。量子圍欄中的波紋就是假象之一，但應(yīng)該怎樣驗(yàn)證是個(gè)假象呢？量子圍欄建立前后、圍欄內(nèi)除了電子態(tài)密度的再分布外，形貌有沒(méi)有發(fā)生再分布呢？不同時(shí)刻測(cè)到的數(shù)據(jù)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)呢？這些事一個(gè)技術(shù)上的難題。目前還沒(méi)有哪種STM儀器能夠利用同一個(gè)針尖、同步地來(lái)測(cè)量樣品表面的電子態(tài)密度分布和形貌。有人提出的兩個(gè)探針同時(shí)測(cè)量的方法，這同樣不能同時(shí)表征樣品表面同一處的信息，難免產(chǎn)生誤差。目前僅有能夠同時(shí)測(cè)量力和電流的掃描探針顯微鏡是導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)，但它只能夠?qū)?dǎo)電探針與樣品襯底電極間樣品的體電阻分布或電阻率分布進(jìn)行測(cè)試，所得到的數(shù)據(jù)反映的是樣品體內(nèi)的特性、而非樣品的表面特性，即電子態(tài)密度分布。

2、比STM更晚問(wèn)世的AFM，已經(jīng)具有了很豐富的工作模式，如接觸、非接觸、間歇性接觸、調(diào)頻式和調(diào)幅式等。而STM僅有非接觸模式下的等高和恒流兩種模式，模式單一、不利于STM的普及、應(yīng)用和發(fā)展。

3、目前，STM的針尖的選材極為受限，基本上全部是鎢或者鉑銥合金。這是因?yàn)镾TM的探針必須導(dǎo)電、同時(shí)必須不易氧化。也給選材帶來(lái)了很大的難題。

4、當(dāng)前STM對(duì)減震的過(guò)于苛刻，這導(dǎo)致所有的STM小組，對(duì)減震都極度的重視，不惜花費(fèi)大量的時(shí)間、金錢、精力來(lái)搭建減震裝置。自STM被發(fā)明之初，減震被冠以至關(guān)重要的位置，直接決定了STM的成敗。

其中的原因是：（1）根據(jù)STM的量子力學(xué)工作原理，當(dāng)隧穿區(qū)的探針樣品間距減小0.1nm，隧穿電流會(huì)增大10倍；（2）目前STM的隧穿結(jié)幾乎全部是真空或大氣、電化學(xué)STM是液體，氣體和液體流質(zhì)類的隧道結(jié)容易被外界輕微的振動(dòng)而破壞，造成采集到的信號(hào)包含很多噪音；（3）振動(dòng)太強(qiáng)烈時(shí)，探針會(huì)撞上樣品，導(dǎo)致針尖被損壞或樣品被損壞，測(cè)量無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。因此，減震至關(guān)重要。

為了達(dá)到最好的減震效果，在STM的實(shí)驗(yàn)室挖很深的坑、買數(shù)萬(wàn)元的減震設(shè)備，是很常見(jiàn)的事。自主設(shè)計(jì)，更是成為亮點(diǎn)。一個(gè)好的減震成為衡量這個(gè)實(shí)驗(yàn)室能否做出好成果的標(biāo)志性指標(biāo)、甚至成了STM實(shí)驗(yàn)小組值得炫耀的地方。

為了克服上述STM出現(xiàn)假原子、不能同步測(cè)量表面形貌、工作模式單一、探針必須是惰性的或者必須借助高真空設(shè)備、對(duì)抗震要求極高、信號(hào)噪音大的難題，在項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)為：11304082的國(guó)家自然科學(xué)基金“超快速掃描隧道顯微鏡的改進(jìn)與應(yīng)用”的支持下，本專利提出了固態(tài)勢(shì)壘針尖接觸模式掃描隧道顯微鏡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種新工作模式、抗震能力強(qiáng)、成功率高、成本低且噪音小、分辨率較高、可將非惰性導(dǎo)電材料用作探針和/或樣品的固態(tài)勢(shì)壘針尖接觸模式的掃描隧道顯微鏡。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，固態(tài)勢(shì)壘針尖接觸模式的掃描隧道顯微鏡，包括掃描隧道顯微鏡測(cè)試系統(tǒng)和/或?qū)щ娫恿︼@微鏡測(cè)試系統(tǒng)以及掃描隧道顯微鏡的導(dǎo)電探針和/或?qū)щ娫恿︼@微鏡的導(dǎo)電探針，其特征在于：所述的導(dǎo)電探針由導(dǎo)電針體及設(shè)置于導(dǎo)電針體自由端的導(dǎo)電針尖構(gòu)成，該導(dǎo)電針尖上包覆有至少一層固態(tài)電介質(zhì)薄膜形成固態(tài)勢(shì)壘針尖，掃描成像過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品臺(tái)或/和探針臺(tái)的高度使固態(tài)勢(shì)壘針尖以與樣品接觸的模式掃描，得到的穿過(guò)固態(tài)勢(shì)壘針尖的隧穿電流輸入到掃描隧道顯微鏡測(cè)試系統(tǒng)和/或?qū)щ娫恿︼@微鏡測(cè)試系統(tǒng)的電流放大電路，然后所得輸出連同該隧穿電流對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息輸入到掃描隧道顯微鏡測(cè)試系統(tǒng)和/或?qū)щ娫恿︼@微鏡測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和成像模塊，最終得到樣品表面的電子態(tài)密度分布信息。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述導(dǎo)電針體為彈性體，所述導(dǎo)電針尖的材質(zhì)為鎢、銅、鐵、銀、鎳或鈣，所述固態(tài)電介質(zhì)薄膜的材質(zhì)為三氧化二鋁、二氧化硅、氯化鈉、氟化鈣、氟化鋰、硫、金剛石、磷或磁性電介質(zhì)中的一種或多種，所述電流放大電路為跨組放大器。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述彈性體為懸臂梁結(jié)構(gòu)、螺旋形彈簧結(jié)構(gòu)或之字形彈簧結(jié)構(gòu)，通過(guò)將導(dǎo)電針體折彎成懸臂梁、螺旋形彈簧或之字形結(jié)構(gòu)而成。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述導(dǎo)電探針向樣品逼近時(shí)，當(dāng)通過(guò)固態(tài)勢(shì)壘針尖產(chǎn)生的隧道電流達(dá)到設(shè)定的隧道電流閾值并且導(dǎo)電探針繼續(xù)逼近設(shè)定的距離后隧穿電流值仍無(wú)明顯變化，此時(shí)停止導(dǎo)電探針與樣品間的繼續(xù)逼近，并保持此時(shí)探針臺(tái)與樣品臺(tái)的間距，按照現(xiàn)有掃描隧道顯微鏡的等高模式掃描、成像，即等高接觸模式掃描隧道顯微鏡。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述導(dǎo)電探針的導(dǎo)電針體包含壓阻材料或壓電材料或者所述導(dǎo)電探針的導(dǎo)電針體一側(cè)表面設(shè)有反光層，掃描過(guò)程中產(chǎn)生的壓阻信號(hào)、壓電信號(hào)或光信號(hào)輸入至掃描隧道顯微鏡測(cè)試系統(tǒng)和/或?qū)щ娫恿︼@微鏡測(cè)試系統(tǒng)的PID控制器，由PID控制器輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)探針臺(tái)或/和樣品臺(tái)的間距，實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)電針體的形變量維持不變的前提下掃描，即恒力模式掃描，由此獲得的隧道結(jié)方向上的控制電壓和所對(duì)應(yīng)的二維掃描控制信號(hào)一起表征樣品表面不同位置的形貌，由此獲得的隧道電流信號(hào)和所對(duì)應(yīng)的二維掃描控制信號(hào)一起表征樣品表面的電子態(tài)密度分布，即恒力接觸模式掃描隧道顯微鏡。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述隧道電流閾值的設(shè)定方法為，在所述固態(tài)勢(shì)壘針尖的隧道結(jié)方向上施加不擊穿固態(tài)勢(shì)壘針尖的偏置電壓，測(cè)得的電流，即隧道電流的閾值；如果電流過(guò)大，則增大固態(tài)電介質(zhì)薄膜的厚度或增大固態(tài)電介質(zhì)薄膜的電阻率，即增大固態(tài)勢(shì)壘針尖的電阻，實(shí)現(xiàn)所需的隧道電流閾值；如果電流過(guò)小，則減小固態(tài)電介質(zhì)薄膜的厚度或減小固態(tài)電介質(zhì)薄膜的電阻率，即減小固態(tài)勢(shì)壘針尖的電阻，實(shí)現(xiàn)所需的隧道電流閾值。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、固態(tài)勢(shì)壘的硬度大、且導(dǎo)電探針與導(dǎo)電樣品間可以設(shè)置為彈性接觸，進(jìn)而，（1）外界的較小的干擾力不會(huì)對(duì)固態(tài)勢(shì)壘的高度和寬度造成改變，因此可以降低對(duì)減震的要求，避免了對(duì)針尖和樣品的損壞，提高STM成功的幾率；（2）對(duì)負(fù)責(zé)高精度調(diào)節(jié)探針樣品間距的馬達(dá)的精度要求也不再苛刻。甚至直接用千分尺調(diào)節(jié)也可以，避免了調(diào)節(jié)探針樣品間距的麻煩和繁瑣過(guò)程；（3）將尖銳的導(dǎo)電探針針尖用絕緣膜封裝起來(lái)，可以起到保護(hù)導(dǎo)電針尖的尖銳度不被破壞的效果，利于長(zhǎng)期持續(xù)測(cè)量成像、不用換探針或修飾針尖，也將會(huì)有更多的材質(zhì)可以被用作針尖；

2、接觸模式下，針尖好像在擦拭樣品表面一樣，針尖或樣品表面吸附松散的原子、分子團(tuán)簇，將會(huì)被探針擠走，不至于干擾測(cè)試，進(jìn)而會(huì)得到更高精度的圖像。

3、可利用STM技術(shù)研究電介質(zhì)膜、或電介質(zhì)顆粒的尺寸效應(yīng)。由于探針尖端的曲率半徑并不大，通常在10-100nm量級(jí)，因此，在針尖上沉積膜狀或顆粒狀的電介質(zhì)材料，將會(huì)出現(xiàn)一定程度的尺寸效應(yīng)，并可被STM技術(shù)同步表征和研究。

4、利用固態(tài)電介質(zhì)薄膜修飾導(dǎo)電探針針尖，提高STM分辨率。通過(guò)設(shè)置導(dǎo)電針尖上不同部位電介質(zhì)層的厚度，可有增有減地調(diào)節(jié)針尖表面不同位置原子的電子隧穿幾率，更突出針尖最頂端原子的隧穿貢獻(xiàn)，提高分辨率。

5、可用來(lái)對(duì)比、總結(jié)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)勢(shì)壘的優(yōu)缺點(diǎn)，從技術(shù)上合理利用，以更好地為納米科技發(fā)展提供技術(shù)支持。

6、在探針尖端沉積電介質(zhì)層的優(yōu)點(diǎn)是：不至于由于樣品表面各處電介質(zhì)膜的不均勻性而導(dǎo)致樣品信息的誤差；在探針尖端沉積電介質(zhì)層時(shí)，樣品面對(duì)的始終是同一個(gè)電介質(zhì)層，對(duì)樣品信息幾乎沒(méi)有影響。

7、在惰性的電介質(zhì)薄膜的保護(hù)下，內(nèi)部的導(dǎo)電針尖的材質(zhì)，可以選擇更多樣的材質(zhì)便于更好地研究樣品的特性。

8、可以利用同一個(gè)針尖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面形貌和電子態(tài)密度分布的成像。

9、有更多適用于不同測(cè)試條件和環(huán)境的工作模式，供用戶選擇。

10、借助性能、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的固態(tài)勢(shì)壘，從理論上更深入地研究STM工作原理、和隧穿本質(zhì)。

11、因?yàn)楣虘B(tài)勢(shì)壘難以被改變尺寸結(jié)構(gòu)，因此可以避免偏置電壓引起的靜電力對(duì)樣品表面的扭曲形變。

12、固態(tài)勢(shì)壘可以阻擋針尖的場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)發(fā)生和對(duì)測(cè)試信號(hào)的干擾，提高測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1是接觸模式掃描隧道顯微鏡(Contact mode Scanning Tunneling Microscope, CSTM)原理圖。其中(a)為鐵磁隧穿或約瑟夫森結(jié)的原理結(jié)構(gòu)圖；(b)為由鐵磁隧穿或約瑟夫森結(jié)的原理結(jié)構(gòu)過(guò)渡到的“接觸模式掃描隧道顯微鏡”原理結(jié)構(gòu)圖；(c)為可以進(jìn)一步過(guò)渡到的固態(tài)、氣態(tài)雙勢(shì)壘模式的非接觸模式STM的原理結(jié)構(gòu)圖；(d)為進(jìn)一步過(guò)渡到的固態(tài)、液態(tài)雙勢(shì)壘模式的接觸模式STM的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖2是導(dǎo)電針尖上包覆固態(tài)電介質(zhì)薄膜后接觸模式掃描隧道顯微鏡(Contact mode Scanning Tunneling Microscope, CSTM)的原子分辨率功能原理圖。為便于分析，假設(shè)導(dǎo)電針尖的尖端是理想的單原子結(jié)構(gòu)、假設(shè)電介質(zhì)薄膜是單原子層的，那么當(dāng)勢(shì)壘針尖的探針?lè)謩e位于實(shí)線位置和虛線位置時(shí)，勢(shì)壘的寬度是不一樣的。實(shí)線位置時(shí)，導(dǎo)電針尖的正下方有原子，此時(shí)，導(dǎo)電針尖距離樣品更近；虛線位置時(shí)，導(dǎo)電針尖的正下方是原子間隙，此時(shí)，導(dǎo)電針尖距離樣品更遠(yuǎn)。所以根據(jù)隧穿幾率與勢(shì)壘寬度成指數(shù)關(guān)系的原理來(lái)看，勢(shì)壘針尖可以實(shí)現(xiàn)原子分辨率。

圖3是懸臂梁式彈性接觸模式掃描隧道顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。由于硬接觸會(huì)導(dǎo)致探針的針尖以及針尖與樣品表面的較大損傷，因此，可以引入彈性針體的探針，如懸臂梁式針體的探針。為了進(jìn)一步提高測(cè)試效果，可以使用具有壓力感應(yīng)器的懸臂梁式彈性接觸模式掃描隧道顯微鏡。當(dāng)探針針尖與樣品間的相互作用力F過(guò)大時(shí)，說(shuō)明樣品表面有凸起；F過(guò)小、甚至為零時(shí)，說(shuō)明樣品表面有缺陷或凹陷。為了能夠更好地表征樣品表面的表面電子態(tài)密度分布，就需要能夠感知和調(diào)節(jié)探針與樣品的間距。因此，需要選用能夠感應(yīng)壓力的彈性體結(jié)構(gòu)，如懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓阻式、壓電式，等。該被感知到的信號(hào)，被送入PID反饋控制電路，并產(chǎn)生相應(yīng)的z向控制電壓Vz(t)。然后控制信號(hào)Vx(t)、Vy(t)、Vz(t)和Vtunnel (t)，均被送入數(shù)據(jù)處理和成像模塊10用來(lái)成像。其中，Vx(t)、Vy(t)表示坐標(biāo)位置；Vo(t)反映樣品表面的電子態(tài)密度信息。Vz(t)可以從力的角度，反應(yīng)樣品表面的形貌起伏信息，類似于將恒力模式下的接觸模式原子力顯微鏡(CAFM）效果，Vz(t)又可以分為調(diào)節(jié)探針臺(tái)高度的Vzp(t)和調(diào)節(jié)樣品臺(tái)高度的Vzs(t)。從結(jié)構(gòu)上，只是多了一個(gè)測(cè)量探針與樣品間電流的放大電路、改進(jìn)了探針而已。該模式適用于表面起伏較大的樣品測(cè)試。

圖中：1、導(dǎo)體；2、固態(tài)電介質(zhì)薄膜；3、導(dǎo)電針尖；4、導(dǎo)電樣品；5、溶液；6、掃描器；7、跨阻放大器；8、支架；9、樣品臺(tái)；10、數(shù)據(jù)采集和成像模塊；11、PID控制器；12、懸臂梁式彈性針體；13、探針臺(tái)。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的具體內(nèi)容。

（一）固態(tài)勢(shì)壘針尖接觸模式的掃描隧道顯微鏡(Contact mode Scanning Tunneling Microscope, CSTM)的物理原理為：

（1）固態(tài)絕緣體被用作隧穿勢(shì)壘的例子有很多，比如約瑟夫森結(jié)、多鐵隧穿結(jié)等，都是利用在兩個(gè)導(dǎo)體1間插入一層很薄的固態(tài)電介質(zhì)薄膜2工作的，如圖1（a）中所示。同理，可以將兩個(gè)導(dǎo)體1分別演變?yōu)閷?dǎo)電針尖3和導(dǎo)電樣品4，中間為固態(tài)電介質(zhì)薄膜2，形成類似多鐵隧穿、約瑟夫森結(jié)隧穿的固態(tài)勢(shì)壘的接觸模式掃描隧道顯微鏡，如圖1（b）中所示。也可以將固態(tài)電介質(zhì)薄膜2離開(kāi)導(dǎo)電樣品4一定距離，形成固態(tài)、氣態(tài)雙勢(shì)壘模式的STM，類似目前常用的非接觸模式的真空或大氣隧穿的掃描隧道顯微鏡，如圖1（c）中所示。也可以在固態(tài)電介質(zhì)薄膜2和導(dǎo)電樣品4之間設(shè)置溶液5，形成固態(tài)、液態(tài)雙勢(shì)壘模式的STM，類似電化學(xué)掃描隧道顯微鏡，如圖1（d）中所示。

因此，本專利的結(jié)構(gòu)在原理上是可行的。

（2）有文獻(xiàn)表示，很多小組已經(jīng)在用STM研究導(dǎo)體表面的單層或雙層電介質(zhì)膜的原子分辨率特性，取得了顯著的效果。

因此，只要把這些固體電介質(zhì)移植到探針的尖端，即獲得勢(shì)壘探針式接觸模式STM。同理可得，接觸模式的掃描隧道顯微鏡也將具有原子分辨率，可表征出導(dǎo)電樣品表面的原子級(jí)起伏。

（3）在如圖2所示的理想結(jié)構(gòu)下，接觸模式掃描隧道顯微鏡的針尖位于原子正上方和原子的交界處時(shí)，參與導(dǎo)電的原子個(gè)數(shù)相同，但導(dǎo)電針尖距離導(dǎo)電樣品表面的距離不同，則勢(shì)壘寬度不同。因此，對(duì)勢(shì)壘寬度極為敏感的STM來(lái)說(shuō)，CSTM也勢(shì)必將可以獲得原子分辨率。

綜合以上三點(diǎn)，該固態(tài)勢(shì)壘針尖接觸模式的掃描隧道顯微鏡，具有原子分辨率。

（二）該顯微鏡裝置的優(yōu)點(diǎn)是：（a）可以很低的成本實(shí)現(xiàn)良好的抗震性能；（b）對(duì)調(diào)整隧穿勢(shì)壘間距\勢(shì)壘寬度的馬達(dá)的精度要求也不再苛刻，甚至可直接用螺旋測(cè)微器調(diào)節(jié)。

所依據(jù)的原理是：（1）對(duì)于固態(tài)勢(shì)壘、彈性接觸模式的STM來(lái)說(shuō)，當(dāng)外界的振動(dòng)誘發(fā)了1~2nm的樣品臺(tái)9和/或探針臺(tái)13的移動(dòng)時(shí)，該2nm左右的移動(dòng)會(huì)被探針的懸臂梁式彈性針體12吸收掉，對(duì)輸出信號(hào)幾乎沒(méi)有影響；而這1-2nm的移動(dòng)，對(duì)于現(xiàn)有非接觸模式STM的真空勢(shì)壘來(lái)說(shuō)，則是致命的，會(huì)導(dǎo)致探針撞上導(dǎo)電樣品、或者輸出信號(hào)的急劇增大。因此，彈性接觸模式的STM具有自抗震效果。（2）由于彈性探針的彈性系數(shù)可以很容易地做到比現(xiàn)有直桿狀探針的彈性系數(shù)小很多。因此，同樣的形變量施加在彈性針體的探針上、比施加在剛性針體的探針上的力也會(huì)小很多，所以對(duì)探針和導(dǎo)電樣品4的破壞也會(huì)小很多，甚至可以忽略不計(jì)；（3）由于（a）彈性接觸模式的探針的導(dǎo)電針尖3有固態(tài)電介質(zhì)膜2，（b）電介質(zhì)材料通常都很硬，如氧化鋁晶體、氮化硅晶體等，因此，并不容易被壓壞。

實(shí)施例1

等高彈性接觸式掃描隧道顯微鏡

等高彈性接觸式掃描隧道顯微鏡是彈性接觸式掃描隧道顯微鏡多種實(shí)現(xiàn)方式中的一種。其表現(xiàn)特征是探針臺(tái)13與樣品臺(tái)9間距維持恒定，導(dǎo)電針尖3和固態(tài)電介質(zhì)薄膜2形成的勢(shì)壘針尖隨著導(dǎo)電樣品表面的起伏而起伏，也可以簡(jiǎn)稱為等高接觸模式，這與非接觸模式STM的探針樣品臺(tái)間距維持不變類似。

所獲得的變化的輸出電流，仍然反映導(dǎo)電樣品表面的電子態(tài)密度分布。等高接觸模式STM與非接觸模式STM相似，并在模式上具有互補(bǔ)的特性和優(yōu)勢(shì)。

具體操作時(shí)，首先利用馬達(dá)逼近導(dǎo)電探針與導(dǎo)電樣品的間距，當(dāng)產(chǎn)生的隧道電流達(dá)到設(shè)定的隧穿電流閾值、且向?qū)щ姌悠防^續(xù)逼近約1nm后隧穿電流值仍幾乎沒(méi)有變化的時(shí)候，停止逼近；然后，在該探針與導(dǎo)電樣品的間距下，進(jìn)行掃描隧道顯微鏡的等高模式掃描成像。支架8是為了固定掃描器6和探針臺(tái)13，一體式，增強(qiáng)抗干擾能力。

具體實(shí)施時(shí)的注意事項(xiàng)和技巧包括：

1、為了不傷害較軟的導(dǎo)電樣品表面以及探針尖端沉積的電介質(zhì)膜，建議選擇彈性系數(shù)較小的懸臂梁探針；

2、利用壓電元件的微調(diào)來(lái)優(yōu)化探針臺(tái)和導(dǎo)電樣品臺(tái)的間距、以及施加在針尖和導(dǎo)電樣品上的力，使得不至于壓壞樣品和探針尖端的電介質(zhì)膜；

3、以維持盡可能大的隧穿電流輸出變化幅度為準(zhǔn)則，調(diào)節(jié)探針臺(tái)與樣品臺(tái)的間距。

該模式下的STM不需要反饋，像現(xiàn)有等高模式一樣簡(jiǎn)單。

等高接觸模式STM的優(yōu)點(diǎn)：(a)測(cè)試時(shí)不需要反饋電路，電路簡(jiǎn)單。(b)具有較好的抗震性。

實(shí)施例2

恒力彈性接觸式掃描隧道顯微鏡

在實(shí)施例1中，等高接觸模式的CSTM，不適用于表面起伏較大的樣品，會(huì)損壞探針或樣品。為此，需要探針與樣品間距隨樣品表面的起伏而起伏變化。所采用的解決方案是PID反饋控制的恒力模式CSTM。

此時(shí)，可選擇包含壓阻材料或壓電材料的懸臂梁式彈性針體12，以感知固態(tài)勢(shì)壘針尖與導(dǎo)電樣品4間的作用力。壓阻或壓電針體的電阻R_x(t)或電壓V_x(t)，通過(guò)兩個(gè)電極接入到檢測(cè)電路中，如電橋電路，電橋的輸出接入到調(diào)整探針臺(tái)13或樣品臺(tái)9間距、使電橋電路輸出為零的PID控制器11中。PID控制器11輸出信號(hào)Vx(t)、Vy(t)和Vzs(t)，來(lái)控制掃描器6；PID控制器11輸出信號(hào)Vzp(t)驅(qū)動(dòng)探針臺(tái)13上的探針，達(dá)到調(diào)節(jié)固態(tài)勢(shì)壘探針與導(dǎo)電樣品4間作用力的目的。

隧穿電流信號(hào)經(jīng)過(guò)跨阻放大器7以后，輸出電壓Vo(t)。最后所有的控制信號(hào)Vx(t)、Vy(t)和Vzs(t)、Vzp(t)、Vo(t)，輸入到數(shù)據(jù)采集和成像模塊10。（1）Vzs(t)和/或Vzp(t)，與對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)Vx(t)、Vy(t)，表征導(dǎo)電樣品表面的形貌，因?yàn)閂zs(t)和/或Vzp(t)是隨探針與導(dǎo)電樣品表面作用力的變化而變化的。這與接觸模式AFM的效果幾乎一模一樣。（2）Vo(t) 與對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)Vx(t)、Vy(t)一起，表征導(dǎo)電樣品表面的電子態(tài)密度分布。（3）形貌和電子態(tài)密度分布，可以相互佐證，共同來(lái)表征導(dǎo)電樣品表面的信息。

恒力接觸模式STM打破了目前不能利用同一根針、同步測(cè)量樣品表面的形貌和電子態(tài)密度分布的窘狀。便于分析真假原子。

如圖3所示，具體實(shí)施的注意事項(xiàng)為：

1、探針的針體為壓阻或壓電式。假定探針懸臂的壓阻材料為正壓阻特性，那么阻值越大、說(shuō)明受力越大、形變量越大，即探針臺(tái)離樣品臺(tái)很近。

2、當(dāng)探針與樣品間的電流不再變化時(shí)，利用壓電馬達(dá)或結(jié)向壓電調(diào)節(jié)器，繼續(xù)逼近約1nm，然后停止逼近。并以此時(shí)壓阻探針的阻值R_x(t)、或壓電探針的電壓值V_x(t)為參考值，接入有源電橋電路。

3、以獲得更清晰的圖像為準(zhǔn)則，調(diào)節(jié)壓阻探針阻值的參考值。

該方式的優(yōu)點(diǎn)：(a)如果設(shè)置力的大小合適，該模式對(duì)針尖或樣品的磨損，比等高模式小。(b)對(duì)樣品表面的平整度要求不高。(c)具有很好的抗震性。(d)電介質(zhì)薄膜2的壓電或壓阻效應(yīng)，對(duì)測(cè)量的影響幾乎始終是一致的，信號(hào)精度提高。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理，主要特征和優(yōu)點(diǎn)，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型的范圍。