CN1015838B - 差动滑行的单管扫描隧道显微镜主体装置 - Google Patents

Abstract

本发明扫描隧道显微镜(STM)的主体装置是采用差动滑行原理传动的。使探针或样品在预夹持力作用下做差动滑行，可进行探针与样品间距的精细调节，以产生所需大小的隧道电流。差动螺纹的尺寸误差不会带给滑动件，而只会按照给定的螺距之差精细传动。预夹持力使系统处于随遇稳定状态，易于调节。经实空下对石墨和二硫化钼的STM测试结果证明具有原子级分辨率，且重复性好。本装置易于制造，稳定性好，调节方便，便于自动控制，利于低温和真空下测试。

Description

本发明是扫描隧道显微镜的新型主体装置。

1982年IBM公司在苏黎世实验室的葛宾尼博士和海雷罗尔博士共同研制成功了世界第一台扫描隧道显微镜（STM），由此荣获1986年诺贝尔物理奖。

STM使人类第一次能够实时地观察到原子在物质表面的排列状态。这对表面科学等领域有着十分重大的意义，被认为是表面科学和表面分析技术的一次革命。所以它一问世立即得到了世界科技界的高度重视，其发展甚快。美国、西欧和日本等国的不少大学和公司积极地开展这一领域的研究。1986、1987、和1988年，分别在西班牙、美国和英国召开了三届扫描隧道显微学国际会议，一些公司已推出诸种STM商品仪器（参见附表）。截止1988年8月10日已发表文章650多篇，有关专利20项。从而推动了STM类仪器的制造与完善，活跃了人们对样品与探针距离逼近机构的寻求与研究。

在已研制的各类STM的逼近机构中，有运用压电器件做蠕动爬行者（United    States    Patent    4.343.993）因加工困难，不稳定因素居多，而更多的是运用机械传动的逼近机构，如螺纹杠杆式，（Digital公司Nanoscope    I样本）弹性变形元件式[《国外科学仪器》（2），11（1988）]等。1988年2月公布的欧洲共同体EP-252-174-A20号专利，则是通过金属弹性元件进行逼近调节的。

上述诸机构虽然在STM类仪器设计中都有应用，但对于既要便于自动控制，又要利于样品的低温和真空测试来讲，则都显得不能 尽如人意。

我们知道，为使扫描探针与样品之间产生足以能探测到的隧道效应电流，其间距一般小于10

，即使加上压电器件通过电路反馈可退让的部分在内，每步调节量一般也只能在50NM之内。这要求调节机构十分精细才能不使两者相碰，同时因实验（如更换样品和探针）所需要，又要求样品和探针之间距离能在一个较大范围内可调。

本发明从机械传动角度出发，以简单的方式设计制造了既便于自动控制，又利于样品在低温和真空下测试的逼近调节装置。此装置能方便地实现上述要求，能灵活精细地对探针与样品间距做自动进退调节，并且兼有在不同方位上都能稳定地工作，易于制造，体积可做得相当小等优点。

作为本发明差动滑行的单管STM主体装置一个实施实例（参见图1和图2），其组成包括五个部分：差动滑行部件（由差动螺杆14、带有不同差动螺纹的滑块12和滑轨13组成）、自动控制驱动部件（由步进电机1、活络轴套2和支架15组成）、样品台部件（由样品台4、样品5和调节螺杆3组成）、探针台部件（由探针6、探针台10、探针座7、金属螺母8和压电陶瓷管9组成）以及施力元件11。

样品5固定在样品台4上，探针6固定在探针台10上，台的下面有施力元件11把探针和样品分别拉紧在两个形状相同，而具有不同螺纹的滑块12上，并且通过施力元件11，同时又把滑块12夹紧在滑轨13上。差动螺杆14旋入滑块12对应的螺纹中，差动螺杆14的右端由活络轴套2联在装于支架15上的步进电机1的轴端上。

差动螺纹螺距之差，由压电陶瓷管9的性质、几何尺寸、施加电压范围以及步进电机的每转步数等因素决定，一般在0.001-0.05毫米之间，本例螺距差采用0.007毫米。

两个带有不同螺纹的滑块12，可以做成一个为固定的，另一个做滑动，也可以两个滑块12都不固紧，让两滑块12都做滑行。本例采用双滑块滑动形式。

滑轨13是直线移动型导轨，可为一个平面接触、直线接触或单V槽接触。本例采用单V槽接触方式。

滑轨13和滑块12间的滑动摩擦系数不大于0.25，本例摩擦系数为0.15。

步进电机1每转步数最好选用480步或240步的微型步进电机，本例采用480步/转步进电机。

活络轴套2是一个能拨动差动螺杆14转动，同时又允许差动螺杆14右部可在轴套2内做轴向移动的特殊套筒。

样品台4由预调节螺杆3驱动，可在滑块12上滑动，由于施力元件11的作用而处于随遇夹紧的稳定状态。

施力元件11是磁性元件或金属弹性元件。本例采用永磁元件。施力元件11对滑块施加的夹持力一般在滑块重力的30倍之内。本例夹持力6倍于滑块重力。

所用压电陶瓷管9外径6.5毫米，内径5毫米，长15毫米。探针6为金属丝制作，本例采用直径0.5毫米钨丝制作。

操作过程如下：装好探针6与样品5，由预置位调节螺杆3把探针 6与样品5的相对位置粗调到一定范围（例如0.02-0.2毫米）之后把STM主体装置放到测试台上，接好插件，由一个集控制扫描，数据自动采集存储，图象实时显示及数据分析处理诸功能于一身的微机系统来控制步进电机1转动，配以压电陶瓷管9的电反馈伸缩，以精细调节探针6与样品5间距，达到产生所需大小的隧道电流之目的。

本发明装置由于差动滑行，差动螺纹的尺寸误差不会带给滑行件，只会按给定的螺距之差精细传动。由于有预夹持力，系统处于随遇稳定状态，可使调节均匀而轻快。

经实空下对石墨和二硫化钼的STM测试结果（见附表）证明具有原子级分辨率，且重复性好。从使用和比较中证明本装置具有加工简便，结构小巧，调节方便，稳定性好，便于自动控制，可在任意方位上工作，利于低温和真空下测试等优点。

在该STM主体装置中，探针6的安装固定（参见图2），是通过将制得的具有锋芒的金属探针6紧插进金属探针座7中心细孔中，之后再将此带有探针的探针座以其上的螺纹（M2.5）旋在用低温胶固定在压电陶瓷管9前端部的金属螺母8上来完成的（螺母8与压电陶瓷管9的电极是电绝缘的）。这样，压电陶瓷管9可以免受紧插探针6时所发生的诸外力的影响，从而能延长其使用寿命。

本发明之预夹紧差动滑行的逼近机构，可以做实空STM手动和自动调节，也可以做低温和真空STM手动和自动调节;若以磁力传递力矩则能做STM隔离式手动或自动调节。

Claims (7)

1、一种扫描隧道显微镜(STM)主体装置，其特征在于使用螺纹差动机构与直线滑行机构相结合的样品与探针间距精细调节装置，该装置包括差动滑行部件、自动控制驱动部件、样品台部件、探针台部件和施力元件五个部分，各部件的结构联接方式和装置的操作方法：将探针6紧插入探针座7的中心细孔中，再将探针座以其上的螺纹(M2.5)旋在压电陶瓷管9前端部的金属螺母8上；施力元件将装有探针的探针台10和固定有样品5的样品台4分别拉紧在两个滑块12上，同时对滑块12施加预夹持力使其紧夹在滑轨13上；差动螺杆14旋入滑块12的对应螺纹中，其右端由活络轴套2联接在步进电机1的轴端上，步进电机驱动活络轴套2拨动螺杆14转动；样品台4由预置位调节螺杆3驱动在滑块12上滑动，而粗调节探针与样品之间距，同时受施力元件11的预夹持力作用而处于随遇稳定状态；控制步进机1转动，并配以压电陶瓷管9的电反馈伸缩，获得所需大小的隧道电流。

2、根据权利要求1所述的STM主体装置，其特征在于所说的差动滑行部件是由差动螺杆14、带有不同差动螺纹的滑块12和滑轨13所组成，所说的差动螺杆14采用单杆双螺纹式，所说的滑块12采用双滑块式，螺杆和滑块的差动螺纹螺距之差为0.001-0.05毫米，所说的滑轨13为直线移动型（为一个平面接触式，或直线接触式或单V槽接触式），滑块与滑轨的滑动摩擦系数不大于0.25。

3、根据权利要求1所述的STM主体装置，其特征在于所说的自动控制驱动部件由步进电机1、活络轴套2和支架15所组成，其中步进电机1的每转步数最好选用480步或240步的微型电机，活络轴套2是带动差动螺杆14转动，同时又允许差动螺杆14右部可在轴套2内做轴向移动的特殊套筒。

4、根据权利要求1所述的STM主体装置，其特征在于所说的样品台部件是由样品台4样品5和预调节螺杆3组成。

5、根据权利要求1所述的STM主体装置，其特征在于所说的探针台部件是由探针6、探针台10、探针座7、螺母8和压电陶瓷管9所组成;其中探针是用直径0.5毫米钨丝制成，压电陶瓷管9的外径6.5毫米，内径5毫米，长度为15毫米。

6、根据权利要求1所述的STM主体装置，其特征在于所说的施力元件11为磁性元件，它对滑块压紧在滑轨13上施加的夹持力在滑块重力的30倍之内。

7、根据权利要求1所述的STM主体装置，其特征在于采用磁力传递力矩，能做STM的隔离式手动或自动调节操作。