CN101403679B - 扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器 - Google Patents

Abstract

本发明扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，属于扫描探针显微镜领域，包括基座(1)、压电扫描管(2)、滑块(4)，还包括立柱(3)，所述压电扫描管和立柱并排站立并固定于基座上，滑块设置于所述压电扫描管和立柱的顶部，滑块与立柱间设有凹槽(7)以及顶在槽口或槽面的凸顶(8)，所述凹槽是沿压电扫描管和立柱的排列方向的，且在该方向上滑块与立柱间的最大静摩擦力小于滑块与压电扫描管间的最大静摩擦力。本发明不增加结构复杂性，仅需一个压电扫描管就能使探针在无反冲的前提下进行毫米以上范围原子分辨率成像搜索，其结构极为简单、紧凑，方便其在各种极端环境下使用，能大大地降低控制信号间的干扰，并能减少温漂，提高稳定性。

Description

扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜，特别涉及一种扫描探针显微镜所用的由单压电扫描管驱动的两个方向步进可拼图搜索的原子精度扫描器。

背景技术

扫描探针显微镜是唯一能工作在多种极端条件下的原子分辨率显微镜，其原子操纵能力也是其它任何工具所没有的，这使得它很快发展成为当今纳米技术的标志，但在如下极为重要的纳米科学研究领域，上述优势形同虚设：在待测样品上的某一特定微观区域(如特定缺陷、杂质原子、或指定的微器件或分子)上进行原子成像或原子操纵，因为要完成这一任务，必须首先在样品尺度(毫米范围)进行无间隙扫雷式搜索，直到找到待测缺陷或微器件。跳跃地搜索不能保证搜索到，例如：我们曾经用扫描隧道显微镜对石墨样品进行过上百次的扫描成像，虽多次清晰地观测到原子，但没有一次能观测到样品表面的缺陷，而用肉眼就能看到在样品上(毫米范围)确实存在不少的台阶或缺陷。这些缺陷只有在样品尺度内用探针连续无间隙地成像搜索才能找到，随机地在样品上成像(微米扫描范围)恰巧找到某个缺陷的几率几乎为零。能想到的一个解决办法是：用两个压电扫描管来构造扫描探针显微镜，一个用于纵向粗逼近(沿样品法向惯性滑移步进)和成像扫描，另一个用于横向步进搜索(沿样品表面惯性滑移步进)。然而该方法对于靠振动探针微杆来测力成像的扫描力显微镜(如：原子力显微镜、磁力显微镜等)就行不通，因为该方法中探针和样品都需要惯性滑移步进(一个纵向、一个横向)，是不固定的，而我们的测量数据显示：探针微杆的振动能撼动它所处的滑块(滑块有反冲)，导致探针微杆的振动受影响，甚至不振。该方法的其它重大缺陷包括：双压电扫描管的使用导致显微镜复杂性增加，不利于显微镜的极端条件化，且信号增多也导致相互间干扰加大，不利于微弱的成像信号的精确测量。

据我们调查，至今世界上仍没有一款扫描探针显微镜能在探针无反冲(探针座固定)且不增加结构复杂性的前提下对样品进行毫米范围无间隙原子分辨率成像搜索(即，各处的成像可拼图成完整的大图)。

发明内容

为了解决现有扫描探针显微镜中所存在的重大缺陷，制造出能在探针座固定的前提下进行毫米以上范围无间隙原子分辨率成像搜索的扫描探针显微镜扫描器。

本发明实现扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的技术方案是：

本发明扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，包括基座、压电扫描管、滑块，其特征在于还包括立柱，所述压电扫描管和立柱并排站立并固定于基座上，所述滑块设置于压电扫描管和立柱的顶部，滑块与立柱间设有凹槽以及顶在槽口或槽面的凸顶，所述凹槽是沿压电扫描管和立柱的排列方向的，且在该方向上滑块与立柱间的最大静摩擦力小于滑块与压电扫描管间的最大静摩擦力。

本发明所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征也在于：

所述压电扫描管与立柱的排列方向和压电扫描管四个外电极中两个相对电极的扫描弯曲方向相同。

所述凸顶为球形、圆锥形或圆柱形。

所述的立柱与基座也可以为一体设置。

所述的立柱的柱体部分可以为压电扫描管。

所述的压电扫描管与滑块之间可增设控制摩擦力的垫片。

所述的基座上可增设固定站立于基座上的辅助压电扫描管。

本发明扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的工作原理为：

压电扫描管和立柱两者并排固定于基座上，设排列方向为Z方向，定义压电扫描管的轴向为Y方向，与Y和Z方向皆垂直的方向为X方向，所述滑块设置于压电扫描管和立柱的顶部，滑块与立柱间设有Z方向凹槽和顶在槽口或槽面的凸顶。此结构在滑块与立柱间的Z方向最大静摩擦力小于滑块与压电扫描管间的Z方向最大静摩擦力时，仅借助上述一个压电扫描管就可实现粗逼近、细逼近、原子分辨率扫描成像和沿X方向(平行样品表面)大尺度无间隙成像搜索四项功能，原理为：

(1)粗逼近：所述压电扫描管沿Z方向的可控弯曲能对滑块产生粗逼近所需的惯性力，只要该惯性力大于立柱与压电扫描管对滑块产生的最大静摩擦力的合力即可产生Z方向惯性滑移步进；此时立柱与滑块间的Z方向凹槽起导轨作用，保证滑块沿Z方向步进；若探针固定于立柱上并指向固定于滑块下方且面向探针的样品(探针与样品可对调)，即可实现样品与探针间的粗逼近(或后撤)。

(2)细逼近：如果所述压电扫描管沿Z方向的弯曲控制得足够缓慢，产生的惯性力小于立柱与压电扫描管对滑块产生的最大静摩擦力的合力，则滑块不会相对于压电扫描管滑移(没有步进)，但由于在Z方向滑块与立柱间的最大静摩擦力小于滑块与压电扫描管间的最大静摩擦力，所以压电扫描管能带动滑块克服滑块与立柱间的最大静摩擦力，产生Z方向的无步进可控移动，实现细逼近功能；为使上述最大静摩擦力关系得到满足，可根据：最大静摩擦力＝正压力×静摩擦系数，把滑块设计成重心靠近压电扫描管或在滑块与压电扫描管之间设置弹簧片来增加滑块与压电扫描管的正压力，也可在滑块与压电扫描管之间增设固定在压电扫描管上的垫片来增加滑块与压电扫描管之间的静摩擦系数；

(3)原子分辨率扫描成像：所述压电扫描管沿Y方向的可控伸缩可实现Y扫描；而其沿X方向的可控弯曲可实现X扫描，这是因为滑块与立柱间的Z方向凹槽和顶在槽口或槽面的凸顶保证了X扫描时滑块只绕立柱转动，不影响X扫描的精确可控性；我们已将本发明应用于扫描隧道显微镜定位器，在大气条件下测得了清晰的石墨原子图像(见附图1)，证明了在原子尺度扫描成像时滑块只是绕立柱转动，转轴处无滑动、摇晃或松动等不可控情况；凹槽和凸顶只要一个在立柱上另一个在滑块上即可，是可以调换位置的；为使凸顶在凹槽内转动顺利，凸顶可设计成球形、圆锥形或圆柱形。

(4)沿X方向大尺度无间隙成像搜索：所述压电扫描管沿X方向的可控弯曲能对滑块产生X方向的惯性力，只要该惯性力大于压电扫描管对滑块的最大静摩擦力就可使滑块在压电扫描管上沿X方向惯性滑移步进，进行X方向大尺度步进搜索；这时立柱与滑块之间因为有槽口或槽面与凸顶相抵，不会发生X方向移动，滑块只是绕立柱转动；此外，我们的数据显示，滑块在压电扫描管上沿X方向步进的步距可以控制到小于X方向的最大扫描距离，也即，在一次搜索(扫描成像)后步进到下一步再搜索，两次搜索成像的区域能够交叠，说明X方向步进搜索可以是无间隙的，每一步所成的图像可拼接成一幅完整的大图。

由上述工作原理可以看出：(1)由于本发明所述立柱的柱体部分只是起一个支撑的作用，为了让立柱与压电扫描管匹配以减小热胀冷缩带来的温度漂移，可以将立柱柱体部分用压电扫描管来代替；此外，立柱与基座可以为一体设置以增加刚性，减少震动的影响；(2)为了更容易使滑块与立柱间的最大静摩擦力小于滑块与压电扫描管间的最大静摩擦力，所述的压电扫描管与滑块之间可增设垫片；(3)立柱与滑块之间的凸顶为球形、圆锥形或圆柱形更有利于凸顶在凹槽内的转动。此外，也可在基座上增设站立并固定于基座的辅助压电扫描管，用于独立地相对于滑块上的样品或探针进行扫描成像。

根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)可以沿样品表面(X方向)实现毫米量级的大范围步进搜索成像，各步所成图像能够拼成完整的、无缝隙的大图，且成像具有高清晰原子分辨率(见附图1)。

(2)整个装置仅使用了一个压电扫描管，没有增加结构复杂性，且结构紧凑、稳妥，非常方便在极低温、极强磁场等极端环境下使用。

(3)在相同电压下，探针-样品间距的可调节范围高于现有技术给出的可调节范围，因为现有技术中扫描探针显微镜的探针-样品间距调节是沿压电扫描管的轴向，而该方向的伸缩距离远小于本发明沿压电扫描管横向弯曲的距离。

(4)由于滑块的纵、横向惯性步进皆通过压电扫描管的切向弯曲来实现，其单位电压弯曲距离较大，我们的数据显示，用4V控制电压就能实现步进，完全不需要大于18V的高电压就可制成全套显微镜系统，实现粗逼近和对大起伏表面的成像，可使用价格低、性能高、质量好的低压器件制作全部电路。

(5)探针-样品间距具有高度的温度稳定性，因为可使用与所述压电扫描管热膨胀系数相近的材料制作立柱，进行温漂补偿。

附图说明

图1是用本发明制成的大气扫描隧道显微镜对高序石墨(HOPG)样品所成的图像。

图2是本发明扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的基本结构示意图。

图3是本发明扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的滑块基本结构示意图。

图4是本发明含有垫片的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的结构示意图。

图5是本发明附加独立压电扫描管的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的结构示意图。

图中标号：1基座、2压电扫描管、3立柱、4滑块、5探针、6样品、7凹槽、8凸顶、9垫片、10辅助压电扫描管。

以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

实施例1：基本型扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

本发明基本型扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的结构示意图见图2，包括基座1、压电扫描管2、立柱3、滑块4，其特征在于所述压电扫描管2和立柱3并排站立并固定于基座1上，其排列方向设为Z方向，所述滑块4设置于压电扫描管2和立柱3的顶部，滑块4与立柱3之间设有沿Z方向的凹槽7以及顶在槽口或槽面的凸顶8，在Z方向上，滑块4与立柱3间的最大静摩擦力小于滑块4与压电扫描管2间的最大静摩擦力。

本实施例的工作原理如下：

粗逼近时只要使压电扫描管2沿Z方向的可控弯曲对滑块4产生的惯性力大于立柱3与压电扫描管2对滑块4的最大静摩擦力的合力，即可产生Z方向可控惯性滑移步进，若探针5固定于立柱3上并指向固定于滑块4下方且面向探针5的样品6(探针5与样品6的位置可对调)，即可实现样品6与探针5间的粗逼近(或后撤)。

当粗逼近至探针5探测到来自样品6的作用(如隧道电流、原子力、磁力等)后，即可进行细逼近或扫描成像。细逼近时，让压电扫描管2沿Z方向重新缓慢弯曲，以至产生的惯性力小于立柱3与压电扫描管2对滑块4的最大静摩擦力的合力，此时滑块4不会相对于压电扫描管2滑移，但由于在Z方向滑块4与立柱3间的最大静摩擦力小于滑块4与压电扫描管2间的最大静摩擦力，所以压电扫描管2能带动滑块4克服滑块4与立柱3间的最大静摩擦力，产生Z方向的可控移动，实现探针5与样品6的细逼近，获得预先设定的探针5与样品6的相互作用。为使上述最大静摩擦力关系得到满足，可根据：最大静摩擦力＝正压力×静摩擦系数，把滑块4设计成重心靠近压电扫描管2或在滑块4与压电扫描管2之间设置弹簧片来增加滑块4与压电扫描管2的正压力，也可以在滑块4与压电扫描管2之间增设固定在压电扫描管2上的垫片来增加滑块4与压电扫描管2之间的静摩擦系数。

扫描成像时，让压电扫描管2沿Y方向的可控伸缩实现Y扫描，而其沿X方向的可控弯曲实现X扫描；此时，滑块4与立柱3间的Z方向凹槽7和顶在槽口或槽面的凸顶8保证了X扫描时滑块4只绕立柱3转动，不影响X扫描的精确可控性；附图1中清晰的石墨原子图像也证明了在原子尺度扫描成像时滑块4只是绕立柱3转动，转轴处无滑动、摇晃或松动等不可控情况。凹槽7和凸顶8只要一个在立柱3上另一个在滑块4上即可，是可以调换位置的。

当需要沿X方向进行大范围无间隙成像搜索来寻找某种待测的特征结构时，只要让压电扫描管2沿X方向的可控弯曲对滑块4产生大于压电扫描管2对滑块4的最大静摩擦力的惯性力，便可使滑块4在压电扫描管2上沿X方向惯性滑移步进，该步进的步距可以控制到小于成像的X方向扫描范围，使得各步搜索所成的像能拼接出无缝隙的完整大图，实现X方向大尺度无间隙搜索。

实施例2：电极沿Z方向的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

在上述实施例1中，压电扫描管2必须能受控在Z方向和X方向弯曲。压电扫描管2的电极方向任意设置均能使得压电扫描管2必须能受控在Z方向和X方向弯曲，只是其各个电极上的电压信号之间的配合变得复杂。最简单的电极方向设置为：压电扫描管2与立柱3的排列方向和压电扫描管四个外电极中两个相对电极的扫描弯曲方向相同。

实施例3：含有垫片的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

在上述实施例中，为了更容易使滑块4与立柱3间的最大静摩擦力小于滑块4与压电扫描管2间的最大静摩擦力，在本发明所述的压电扫描管2与滑块4之间可增设垫片9(见图3)。

实施例4：立柱与基座为一体设置的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

上述实施例中，为了使本发明扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器的内部结构更加简洁稳定，增加抗震能力，所述立柱3也可以与基座1为一体设置。

实施例5：立柱柱体部分为压电扫描管的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

在上述实施例中，由于所述立柱3的柱体部分只是起一个支撑的作用，为了让立柱3与压电扫描管2匹配以减小由于热胀冷缩带来的温度漂移，也可以将立柱3柱体部分用额外一个压电扫描管来代替。

实施例6：圆形凸顶的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

在上述实施例中，为了更有利于凸顶8在凹槽7内的转动，立柱3与滑块4之间的凸顶8可为球形、圆锥形或圆柱形。

实施例7：增设辅助压电扫描管的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器

在上述实施例中，也可在基座上增设站立并固定于基座的辅助压电扫描管用于独立地相对于滑块4上的样品或探针进行扫描成像。

Claims (7)

1.一种扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，包括基座、XYZ压电扫描管、滑块，其特征在于还包括立柱，所述XYZ压电扫描管和立柱并排站立并固定于基座上，其排列方向设为纵向，在与所述XYZ压电扫描管轴向相垂直的两个相互正交的扫描方向中有一个与纵向一致，所述滑块设置于XYZ压电扫描管和立柱的顶部，滑块与立柱间设有凹槽以及顶在槽口或槽面的凸顶，所述凹槽是沿纵向的，且在该方向上滑块与立柱间的最大静摩擦力小于滑块与XYZ压电扫描管间的最大静摩擦力。

2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征在于所述纵向和XYZ压电扫描管四个外电极中两个相对电极的扫描弯曲方向相同。

3.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征在于所述凸顶为球形、圆锥形或圆柱形。

4.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征在于所述的立柱与基座可为一体设置。

5.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征在于所述的立柱的柱体部分可以为压电扫描管。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征在于所述的XYZ压电扫描管与滑块之间可增设控制摩擦力的垫片。

7.根据权利要求6所述的扫描探针显微镜双步进可拼图扫描器，其特征在于所述基座上可增设站立并固定于基座的辅助压电扫描管。

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