CN101329247B - 一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜包括探头部分和控制部分，其中探头部分包括金属探针、石英音叉、扫描管和粗进针机制，金属探针和石英音叉通过导电胶粘接固定，粗进针机制调节金属探针与样品的间距，扫描管控制金属探针在样品上的二维相对扫描运动；控制部分包括STM部分和AFM部分。本发明基于石英音叉的扫描原子力和隧道电流联合显微镜，可以对样品进行力学和电学性质的表征。对于导电样品利用本发明可以同时得到同一位置的扫描隧道电流图像和相互作用力的图像，从而可更全面和更深入的理解样品材料的性质或结构的性质。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测仪器领域，尤其是一种大气环境下工作、基于石英音叉的扫描原子力和隧道电流联合显微镜。
背景技术
目前，随着以研究纳米材料特性、开发纳米器件为主要目的纳米科技的深入快速发展，各国研究人员在大气下成功的制备了许许多多不同种类的纳米材料，但如何准确和全面表征这些材料的特性成为世人更为关注的问题。材料的性质主要包括其力学、磁学、电学(输运)和光学等性质，其中纳米尺度的力学、磁学和光学性质主要通过原子力显微镜(AFM)或基于原子力显微镜的近场光学显微镜来直接表征而(导电)材料的电学性质则主要通过隧道显微镜(STM)来直接表征。研究表明，一般同一材料的这些性质存在较强的内在关联性，因此上述问题在许多具体的研究中进一步演化为如何同时表征某一特定材料的上述两种或多种特性，而不是单一的某一特性，从而可更全面和更深入的理解纳米材料的性质或结构的性质。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单、适于大气环境下工作的可同时检测原子力和隧道电流的联合显微镜
为实现上述目的，本发明，一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，包括探头部分和控制部分，其中探头部分包括金属探针、石英音叉、扫描管和粗进针机制，金属探针和石英音叉通过导电胶粘接固定，粗进针机制调节金属探针与样品的间距，扫描管实现金属探针与样品的二维相对运动；控制部分包括STM部分和AFM部分。
进一步，所述STM部分和AFM部分均由嵌入式DSP(数字信号处理器)控制器控制，通过程序控制分别实现STM和AFM的信号采样、进针、反馈和成像及数据分析。
进一步，所述AFM部分包括：
AFM前置放大器，用于输出的交流电压信号；
带通滤波器，将前置放大器输出的交流电压信号进行带通滤波，以提高信噪比；
数控波形发生器，通过DSP的程序控制，提供振幅和位相的谐振激励；
锁相放大器，提供音叉响应信号的幅值和位相；
相移器，通过相移电路提供与振音叉具有相同位相的激励信号；
衰减器，用以调节反馈信号幅度。
进一步，所述STM部分包括STM前置放大器，低通滤波器、数字模拟通道。
进一步，所述STM部分和AFM部分间设置有开关选择器。
进一步，所述DSP控制器包括软件控制和硬件接口，其中，硬件接口包括：
8路16bitAD通道的数据采集单元，用于采集隧道电流、振幅、位相；
7路16bitDA通道，包括：偏压、XY方向扫描、Z反馈、粗进针stepper信号；
三路高压放大器，分别用于XY扫描、Z反馈信号和压电的stepper驱动信号；
数字接口，用于控制波形发生器和开关的选通。
本发明一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜基于石英音叉的扫描隧道和原子力联合显微镜，可以对样品进行力学和电学性质的表征。对于导电样品利用本发明可以同时得到同一位置的扫描隧道电流的图像和相互作用力的图像，从而可更全面和更深入的理解样品材料的性质或结构的性质。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为石墨与钨针尖相互作用力学性质测量图；
图3为调幅模式AFM功能得到280纳米光栅表面形貌图；
图4为调相模式AFM功能得到的280纳米光栅图像；
图5为石墨样品的AFM图像；
图6为图5中石墨样品同一位置的STM图像。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜包括：探头部分和控制部分。探头部分由金属探针、石英音叉、扫描管、粗进针机制组成，金属探针和石英音叉通过导电胶粘接固定，石英音叉的电极可传导探针针尖与样品间的相互作用力信息或隧道电流，粗进针机制实现金属探针与样品间距从宏观尺度到纳米尺度的调节，扫描管实现金属探针与样品的二维相对运动。
控制部分包括STM部分和AFM部分，其中AFM部分包括：
AFM前置放大器，用于输出的交流电压信号；
带通滤波器，将前放输出的交流电压信号进行带通滤波，以提高信噪比；
数控波形发生器，通过DSP的程序控制，提供振幅和位相的谐振激励；
锁相放大器，用于提供音叉响应信号的幅值和位相；
相移器，通过相移电路提供与在振音叉具有相同位相的激励信号
衰减器，用以调节反馈信号幅度。
STM部分：包括STM前置放大器，低通滤波器、数字模拟通道等。
在STM部分和AFM部分间还设置有开关选择器，开关选择器：STM和AFM工作模式的切换通过开关来选通。当选择STM模式时，音叉的激励电极接地，音叉另一电极连接STM前放。当选择AFM工作模式时，音叉激励电极连通，响应电极连接AFM前放。
STM部分和AFM部分都是由嵌入式DSP(数字信号处理器)系统控制，通过程序控制分别实现STM和AFM的信号采样、进针、反馈和成像及数据分析等功能。其中图1中台式计算机主要用于人机界面和图像显示等功能。
DSP控制器包括软件控制和硬件接口。硬件接口包括：8路16bitAD通道的数据采集单元，用于采集隧道电流，振幅，位相；7路16bitDA通道包括：偏压，XY方向扫描，Z反馈，粗进针stepper信号；三路高压放大分别用于XY扫描、Z反馈信号和压电的stepper驱动信号；数字接口用于控制波形发生器和开关的选通。
大气下工作的、探头基于石英音叉结构的AFM，与超高真空下工作的AFM相比，具有更复杂的反馈和成像机制，应在对相互作用信号与金属探针-样品间距的具体实测关系曲线的分析基础上，确定反馈参数和相应的相互作用的间距。由于大气下表面吸附原子种类及吸附机制的复杂性，导致相互作用的间距控制更为复杂。
工作时，首先测试金属探针在大气下空载时的中心频率，据此确定激励频率。然后控制粗进针机制进针，进针时通过监测探针振幅的变化确定探针是否达到与样品的相互作用间距。进针完成后，即可开始AFM的成像。具体是通过驱动扫描控制器，控制探针在样品表面进行逐行扫描，同时通过反馈系统根据采样振幅(AM模式)或位相(PM模式)或隧道电流(STM模式)数据控制探针与样品的间距，同时成像。
实施例1
利用本发明大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜测量石墨样品与钨针尖的相互作用。效果如图2所示。针尖样品相互作用经历从吸引力到排斥力的过程，针尖和原理样品相互作用在其振幅和位相上得以相应的体现。
实施例2
如图3所示为利用本发明大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜的调幅模式得到的玻璃光栅表面形貌图像；如图4为利用本发明大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜的调相模式得到的玻璃光栅表面形貌图像。可以看到调相方式成像具有更高的分辨率像这与理论的预言是一致的，但反映的是相互作用的不同侧面。
实施例3
如图5、图6所示，为石墨表面同一位置的AFM像和STM像。两种成像都可以给出表面形貌，但是可以看到在台阶附近AFM给出更清晰的图像。相互作用力变化比隧道电流变化明显，说明基于石英音叉的动态AFM在大气下仍具有很好的分辨能力，超出了一般简单理论的预言。
上述实例表明：本发明基于调音音叉的，在大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜可以对样品进行力学和电学性质的表征。填补了以往AFM只能用于作用力信息的读取、STM只能用于隧道电流信息读取的这种单一作用，对于导电样品利用本发明可以同时得到同一位置的扫描隧道图像和相互作用力的图像。该装置的研发成功有望成为开展功能纳米器件研究的重要工具。
Claims (6)
1.一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，其特征在于，包括探头部分和控制部分，其中探头部分包括金属探针、石英音叉、扫描管和粗进针机制，金属探针和石英音叉通过导电胶粘接固定，粗进针机制调节金属探针与样品的间距，扫描管实现金属探针与样品的二维相对运动；控制部分包括STM部分和AFM部分。
2.如权利要求1所述的大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，其特征在于，所述STM部分和AFM部分均由嵌入式DSP(数字信号处理器)控制器控制，通过程序控制分别实现STM和AFM的信号采样、进针、反馈和成像及数据分析。
3.如权利要求1所述的大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，其特征在于，所述AFM部分包括：
AFM前置放大器，用于输出的交流电压信号；
带通滤波器，将前置放大器输出的交流电压信号进行带通滤波，以提高信噪比；
数控波形发生器，通过DSP的程序控制，提供振幅和位相的谐振激励；
锁相放大器，提供音叉响应信号的幅值和位相；
相移器，通过相移电路提供与振音叉具有相同位相的激励信号；
衰减器，用以调节反馈信号幅度。
4.如权利要求1所述的大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，其特征在于，所述STM部分包括STM前置放大器，低通滤波器、数字模拟通道。
5.如权利要求1所述的大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，其特征在于，所述STM部分和AFM部分间设置有开关选择器。
6.如权利要求2所述的大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜，其特征在于，所述DSP控制器包括软件控制和硬件接口，其中，硬件接口包括：
8路16bitAD通道的数据采集单元，用于采集隧道电流、振幅、位相；
7路16bitDA通道，包括偏压、XY方向扫描、Z反馈、粗进针stepper信号；
三路高压放大器，分别用于XY扫描、Z反馈信号和压电的stepper驱动信号；
数字接口，用于控制波形发生器和开关的选通。
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