CN101329248A - 一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法 - Google Patents
一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101329248A CN101329248A CNA2007100316339A CN200710031633A CN101329248A CN 101329248 A CN101329248 A CN 101329248A CN A2007100316339 A CNA2007100316339 A CN A2007100316339A CN 200710031633 A CN200710031633 A CN 200710031633A CN 101329248 A CN101329248 A CN 101329248A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- probe
- omega
- tunnel microscope
- scanning tunnel
- voltage amplifier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 10
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 89
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 3
- 229910002835 Pt–Ir Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法,扫描隧道显微镜包括设有探针的扫描头,设置有电流/电压转换器和低通电压放大器的前置放大器,以及扫描隧道显微镜控制器,还设置有频谱分析器,且所述前置放大器还设置有带通电压放大器,所述频谱分析器分别连接带通电压放大器和扫描隧道显微镜控制器。本发明在STM的基础上,在测量隧穿电流的同时,能同时测得探针和被测样品原子间的互作用力。
Description
技术领域
本发明属于扫描探针显微镜技术领域,特别是涉及一种可同时测量探针与被测物品之间的隧道电流及原子间作用力的扫描隧道显微镜,及采用该显微镜的测量方法。
技术背景
扫描探针显微镜(SPM)是纳米科技必不可少的测试手段和研究工具。它主要包括两大类型:基于隧道效应的扫描隧道显微镜(STM)和基于原子间作用力的原子力显微镜(AFM)。
STM工作时,探针与被测导体表面间的存在的是原子间的隧穿电流,所以,它的分辨率是原子量级,可优于0.1nm;而AFM中力的测量则是探针尖端原子和被测物表面一定范围内原子间作用力的量度,其涉及的表面原子数量与探针和被测物的距离有关。
目前,商用AFM的分辨率可达nm量级,远低于STM的分辨率;但少数实验室自行研制的、研究型AFM,在利用了短程力的分辨和测量技术后,已提高了其分辨率,有的甚至可优于现有STM的分辨率。
因此,在STM的基础上,如果能在测量隧穿电流的同时测得原子间的短程作用力,则有可能进一步提高STM的分辨率。本发明就是基于这一需求,在测量STM隧道电流的同时,通过隧道电流信号的频谱分析,获得了探针的机械共振频率及其变化,由此可计算出探针和被测原子间的作用力及其变化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有STM无法测得探针和被测物品原子间的短程作用力的不足,提供一种在测量STM隧道电流的同时,可计算出探针和被测原子间的作用力的扫描隧道显微镜。
本发明的另一目的在于提供一种可同时测量STM隧道电流和原子间作用力的测量方法。
为了实现发明目的一,采用的技术方案如下:
一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜,包括设有探针的扫描头,设置有电流/电压转换器和低通电压放大器的前置放大器,以及扫描隧道显微镜控制器,还设置有频谱分析器,且所述前置放大器还设置有带通电压放大器,所述频谱分析器分别连接带通电压放大器和扫描隧道显微镜控制器。
本发明的探针、电流/电压转换器、低通电压放大器、扫描隧道显微镜控制器构成现有STM,可测量隧道电流;通过探针、电流/电压转换器、带通电压放大器、频谱分析器、扫描隧道显微镜控制器的组合,在测量隧道电流的基础上,可计算出探针与被测样品原子间的力梯度,从而得到其相互作用力。
所述探针采用导电金属探针。
为了实现发明目的二,采用的技术方案如下:
一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜的测量方法,其采用前一技术方案的扫描隧道显微镜测量被测样品的隧道电流的同时,通过频谱分析器对隧道电流进行频谱分析,获得探针的机械共振频率及其变化,从而计算出探针和被测样品的原子间的作用力及其变化。
上述扫描隧道显微镜的测量方法中,所述探针和被测样品的原子间的作用力Fts计算如下:
设定探针振动的动力学模型,该模型中探针的有效质量为m,有效弹性系数为k;在自由状态下探针机械共振的本征频率ω0表示为ω0≡(k/m)1/2。
探针在外力作用下的本征频率ω0 *与其在自由状态下的本征频率ω0的关系为 其中kts是探针和被测样品间的作用力Fts的力梯度;
力梯度kts与强迫共振频率ω0 *和自由共振频率ω0的关系为
因此,通过测量ω0W得到探针和被测样品原子间作用力的梯度kts,经积分计算便可得到其互作用力Fts。
本发明在STM的基础上,在测量隧穿电流的同时,能同时测得探针和被测样品原子间的互作用力,进一步提高STM分辨率。
附图说明
图1为本发明的扫描隧道显微镜结构原理图;
图2为利用本发明的扫描隧道显微镜测得样品的隧道电流频谱图;
图3为本发明的探针振动的动力学模型原理图;
图4为各种偏压及隧道电流对热噪声激发模式下的共振频率ω0 *和力梯度kts的影响图;
图5为探针-样品间的力梯度和互作用力与探针-样品间距离的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明的扫描隧道显微镜结构示意图如附图1所示,包括设有探针1-1和被测样品1-2的扫描头1,设置有电流/电压转换器2-1和低通电压放大器2-2的前置放大器2,以及扫描隧道显微镜控制器4,还设置有频谱分析器3,且所述前置放大器2还设置有带通电压放大器2-3,所述频谱分析器3分别连接带通电压放大器2-3和扫描隧道显微镜控制器4。
所述低通电压放大器2-2和带通电压放大器2-3并联,其共同输入端连接电流/电压转换器2-1的输出端,低通电压放大器2-2的输出端连接扫描隧道显微镜控制器4,带通电压放大器2-3的输出端连接频谱分析器3。
所述探针采用Pt-Ir探针,被测样品1-2采用高定向裂解石墨样品HOPG,Pt-Ir探针从直径为0.25mm的Pt80/Ir20丝上切出,测量STM在各种条件下的频率谱。STM隧道结用一个100M欧的等效电阻替代时,在1kHz至100kHz范围内的频谱如图2a中的曲线A所示,其频率分辨率为0.1Hz。在偏压为0.2V和隧道电流为1nA时,隧道电流的频谱如图2a中的曲线B所示。图2a曲线C则给出了前置放大器的噪声频谱。
为了方便比较,图2b给出了其中的39.3至39.9KHz部分的放大图。由图可见,处于39.591KHz处的、具有Lorentzian峰形的频率峰只有在存在隧道电流时才出现,因此它应该反映了隧道结的性质,它就是探针的共振频率。
图3给出了探针振动的动力学模型。其中γ为探针振动时受到的阻尼;k为探针的有效弹性系数,它可由探针的振动模式及材料性质算出。如果探针是在与其长度垂直的方向上振动,则其弹性常数与材料的杨氏模量E、半径r以及长度l间的关系为:
自由状态下,探针的本征频率ω0可表示为:
ω0≡(k/m)1/2
m为其有效质量。当探针在外力Fts(探针和样品间的作用力)和Fran(作用在样品上的无规力,例如热噪声)作用下,其本征频率将改变为ω0 *。探针在外力作用下的本征频率ω0 *与其自由状态下的本征频率ω0的关系为:
此处,kts是探针所处位置的Fts力梯度。由于热噪音始终存在,它可影响探针与被测样品间的距离,因而必将影响隧道电流的大小。而隧道电流与探针-样品距离呈指数关系,所以隧道电流对热激发振幅十分灵敏,因而本发明的灵敏度很高。
强迫共振频率ω0 *和自由共振频率ω0和力梯度kts的关系为:
因此,可通过ω0 *的测量来得到探针所处位置的、探针和被测物原子间作用力的梯度kts,经积分计算便可得到其互作用力Fts。
具体使用方法可以定点测量探针-样品间的力梯度或互作用力随探针-样品间离的变化曲线,或用该力梯度为反馈量或显示量作二维扫描。
图4给出了利用本发明测得的隧道电流对共振频率ω0 *和力梯度kts的影响。可见,共振频率ω0 *和力梯度kts均随偏压的增大而减小,随着隧道电流的增加而增大。
图5给出了利用本发明测得的力梯度与探针-样品间距离的关系,以及由力梯度数据积分所得的探针-样品间的互作用力与探针-样品间距离的关系。其中横坐标的原点由隧道电流公式It=Vt·G0·e-2kz确定,即以电导(It/Vt)为一个电导量子(G0)时的距离z为零。
在STM装置中,由于热激发的始终存在,所以探针必定处于热激发的振动中。其共振频率除受到探针尺寸、材质等因素的影响外,还受到探针-被测样品表面原子间互作用力的影响。本发明就是利用原子间互作用力对探针共振频率的影响测量和计算探针-被测样品表面原子间互作用力。
Claims (5)
1、一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜,包括设有探针(1-1)的扫描头(1),设置有电流/电压转换器(2-1)和低通电压放大器(2-2)的前置放大器(2),以及扫描隧道显微镜控制器(4),其特征在于还设置有频谱分析器(3),且所述前置放大器(2)还设置有带通电压放大器(2-3),所述频谱分析器(3)分别连接带通电压放大器(2-3)和扫描隧道显微镜控制器(4)。
2、根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜,其特征在于所述低通电压放大器(2-2)和带通电压放大器(2-3)并联,其共同输入端连接电流/电压转换器(2-1)的输出端,低通电压放大器(2-2)的输出端连接扫描隧道显微镜控制器(4),带通电压放大器(2-3)的输出端连接频谱分析器(3)。
3、根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜,其特征在于所述探针(1-1)采用导电金属探针。
4、一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜的测量方法,其特征在于采用权利要求1的扫描隧道显微镜测量被测样品的隧道电流的同时,通过频谱分析器对隧道电流进行频谱分析,获得探针的机械共振频率及其变化,从而计算出探针和被测样品的原子间的作用力及其变化。
5、根据权利要求4所述的扫描隧道显微镜的测量方法,其特征在于所述探针和被测样品的原子间的作用力Fts计算如下:
设定探针振动的动力学模型,该模型中探针的有效质量为m,有效弹性系数为k;在自由状态下探针机械共振的本征频率ω0表示为ω0≡(k/m)1/2;
探针在外力作用下的本征频率ω0 *与其在自由状态下的本征频率ω0的关系为 其中kts是探针和被测样品间的作用力Fts的力梯度;
力梯度kts与ω0 *和ω0的关系为 通过测量ω0 *得到探针和被测样品原子间作用力的梯度kts,经积分计算便可得到其互作用力Fts。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2007100316339A CN101329248B (zh) | 2007-11-23 | 2007-11-23 | 一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN2007100316339A CN101329248B (zh) | 2007-11-23 | 2007-11-23 | 一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101329248A true CN101329248A (zh) | 2008-12-24 |
CN101329248B CN101329248B (zh) | 2010-12-15 |
Family
ID=40205167
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN2007100316339A Expired - Fee Related CN101329248B (zh) | 2007-11-23 | 2007-11-23 | 一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN101329248B (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103901232A (zh) * | 2014-03-13 | 2014-07-02 | 复旦大学 | 一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜 |
CN104655920A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-05-27 | 浙江师范大学 | 一种用于单分子电导测量系统的微电流检测装置 |
CN109115607A (zh) * | 2018-09-06 | 2019-01-01 | 金华职业技术学院 | 一种薄膜样品的力学性质测量方法 |
CN113092825A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-09 | 中山大学 | 原子力显微镜系统及其电流检测方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1963452B (zh) * | 2006-10-31 | 2010-06-09 | 中国科学技术大学 | 偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜 |
-
2007
- 2007-11-23 CN CN2007100316339A patent/CN101329248B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103901232A (zh) * | 2014-03-13 | 2014-07-02 | 复旦大学 | 一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜 |
CN103901232B (zh) * | 2014-03-13 | 2015-12-09 | 复旦大学 | 一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜 |
CN104655920A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-05-27 | 浙江师范大学 | 一种用于单分子电导测量系统的微电流检测装置 |
CN104655920B (zh) * | 2015-02-03 | 2017-12-01 | 浙江师范大学 | 一种用于单分子电导测量系统的微电流检测装置 |
CN109115607A (zh) * | 2018-09-06 | 2019-01-01 | 金华职业技术学院 | 一种薄膜样品的力学性质测量方法 |
CN109115607B (zh) * | 2018-09-06 | 2024-01-30 | 金华职业技术学院 | 一种薄膜样品的力学性质测量方法 |
CN113092825A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-09 | 中山大学 | 原子力显微镜系统及其电流检测方法 |
CN113092825B (zh) * | 2021-03-05 | 2022-12-30 | 中山大学 | 原子力显微镜系统及其电流检测方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101329248B (zh) | 2010-12-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101493487A (zh) | 基于原子力显微镜的纳米电子薄膜微区压电系数测量方法 | |
US8869311B2 (en) | Displacement detection mechanism and scanning probe microscope using the same | |
CN101329248B (zh) | 一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法 | |
CN101793911B (zh) | 一种基于扫描电镜的纳米压痕系统 | |
CN102981023A (zh) | 一种静电力显微镜测量表面电势的方法 | |
CN201653804U (zh) | 一种基于扫描电镜的纳米压痕系统 | |
CN101776436A (zh) | 基于石英音叉的纳米测头及试样表面微观形貌测量方法 | |
Lushta et al. | Correlation between drive amplitude and resonance frequency in electrochemical strain microscopy: influence of electrostatic forces | |
CN101329247B (zh) | 一种大气下扫描原子力和隧道电流联合显微镜 | |
CN110186811B (zh) | 一种沥青微观动态流变性测试方法 | |
CN209745854U (zh) | 一种电热性能动态检测系统 | |
Schmidt et al. | Shear force interaction in the viscous damping regime studied at 100 pN force resolution | |
CN107228957B (zh) | 利用stm的电流信号对afm信号进行测量的系统 | |
CN102620751B (zh) | 一种微悬臂梁传感器的共振激发方法 | |
CN105759130A (zh) | 纳米线压电系数d33的测量装置及测量方法 | |
Ma et al. | Thermal noise in contact atomic force microscopy | |
US6823723B2 (en) | Method and apparatus for performing atomic force microscopy measurements | |
Antognozzi et al. | Modeling of cylindrically tapered cantilevers for transverse dynamic force microscopy (TDFM) | |
CN201266162Y (zh) | 基于pvdf的轻敲式高灵敏度spm测头 | |
CN111983260B (zh) | 一种原子力显微镜探针振幅的校准方法 | |
CN204924854U (zh) | 一种基于机电阻抗法的粘度计 | |
CN111693565B (zh) | 一种电热性能动态检测系统与检测方法 | |
Cinar et al. | Development of a novel nanoindentation technique by utilizing a dual-probe AFM system | |
KR20120043234A (ko) | 주사탐침 현미경 | |
CN101393008B (zh) | 基于pvdf的轻敲式高灵敏度spm测头及测量方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101215 Termination date: 20111123 |