CN102445568A - 多探针共成像的超高真空四探针扫描隧道显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多探针共成像的超高真空四探针扫描隧道显微镜。该扫描隧道显微镜包括超高真空腔体、三维调节镜架、光学显微镜、减振底盘、样品台部件、四个探针位移驱动器、四个探针Z向扫描器以及四个扫描探针。本发明在样品台部件中采用压电陶瓷管，从而样品台能够在XY平面扫描，而样品表面高低起伏的跟踪分别由四个探针Z向扫描器来完成。本发明以光学显微镜取代电子显微镜，极大地降低了应用成本，并且能够进行光谱分析；而且样品台扫描的多探针共成像方法，近似于单探针的扫描成像控制，电子学控制单元和软件因不必考虑各探针的扫描同步问题而变得相对简单，同时利用扫描探针成像的高分辨实现探针在样品表面的精准定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描隧道显微镜，具体涉及一种多探针共成像的超高真空四探针扫描隧道显微镜。
背景技术
扫描隧道显微镜，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器，是将探针接近样品表面，然后在样品表面进行扫描，从而得到材料的表面信息。由于扫描隧道显微镜的探针针尖可以作为材料电输运测量的电极，传统的四引线或四探针方法可以由四个STM的探针来实现，从而达到直接测量纳米材料和结构电学性质的目的。由于纳米材料和结构是由有限个原子或分子组成，其表面吸附的杂质原子或分子往往不可忽略，所以在大气环境中难以测得其本征的物理性质。因此，为了测量纳米材料和结构的本征物性，在超高真空环境中的样品制备、成像与测量常常是非常必要的。目前在超高真空中使用四探针扫描隧道显微镜需要通过一个特制的扫描电镜的观察来对其针尖进行定位，这个特制的电镜是非常昂贵的，因为它必须能经受系统获得超高真空所经历的高温烘烤。另外，在迄今为止的超高真空四探针扫描隧道显微镜中，样品台因制冷而固定不动，每个探针各自可以在样品上独立扫描成像，但不能对样品的同一区域同时扫描、共同成像，因为这要解决四个探针的扫描同步问题，否则四个针尖会因碰撞而相互冲突。由于扫描隧道显微镜的针尖扫描成像一般远高于电镜的电子束扫描成像，可以达到原子级别的超高分辨，这样，如果四个探针能够对同一区域同时扫描、共同成像就可以实现以针尖尺度为极限的针尖间的相互逼近和各个针尖在原子尺度上的精确定位，这将大大拓展四探针扫描隧道显微镜在超高精细电输运测量上的应用。
发明内容
针对以上提到的现有技术的不足，提出本发明。
本发明的目的是提供一种多探针共成像的超高真空四探针扫描隧道显微镜。
本发明的多探针共成像的超高真空四探针扫描隧道显微镜包括：超高真空腔体；在超高真空腔体的顶部由刀口法兰密封安装有三维调节镜架以及在三维调节镜架上安装有光学显微镜；在超高真空腔体的内部经由四根弹簧悬挂有减振底盘；在减振底盘的中央安装有能够在XY平面扫描的样品台部件；在减振底盘上且处于样品台部件的四周安装有四个探针位移驱动器；四个探针Z向扫描器分别安装在四个探针位移驱动器上；以及四个扫描探针分别安装在四个探针Z向扫描器上。
样品台部件进一步包括样品台、样品台扫描器以及支撑管，其中，样品台用绝缘胶粘接在样品台扫描器的顶端，样品台扫描器的底端用绝缘胶粘接在支撑管上，支撑管紧固在减振底盘上。
样品台扫描器为压电陶瓷管，压电陶瓷管的内外壁均镀有金属膜，将内外壁的金属膜按相同的方式划分四等份，使得内外壁各形成四个独立的电极，对压电陶瓷管的四个独立电极施加电压，会引起压电陶瓷管在相应的电极的方向发生微小的弯曲变形，从而引起样品台在水平面上的微小平动，因此实现样品台在XY平面扫描。
每一个探针位移驱动器为压电陶瓷驱动器，能够在XYZ三个方向上进行三维驱动。
每一个探针Z向扫描器为压电陶瓷管，可沿Z方向伸缩变形。
本发明的优越性在于：
(1)利用针尖在各种相对位置时的共成像图片直接实现对样品表面出现的静态分布或动态过程的相关测量；
(2)利用扫描探针成像的高分辨实现探针在样品表面的精准定位，提供了多探针测量原子、分子或团簇电输运的可能性；
(3)用光学显微镜取代电子显微镜，极大地降低了应用成本，并且，可以通过光学显微镜引入激光并作用于样品，再通过光学显微镜搜集样品发出的光谱信号，进行光谱分析；
(4)不同于以往几个探针各自独立控制的技术模式，样品台扫描的多探针共成像方法，近似于单探针的扫描成像控制，电子学控制单元和软件因不必考虑各探针的扫描同步问题而变得相对简单。
附图说明
图1是本发明的超高真空四探针扫描隧道显微镜的结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的超高真空四探针扫描隧道显微镜。
本发明的超高真空四探针扫描隧道显微镜如图1所示，包括：超高真空腔体1；在超高真空腔体1的顶部由刀口法兰密封安装有三维调节镜架2以及在三维调节镜架2上安装有光学显微镜3；在超高真空腔体1的内部经由四根弹簧悬挂有减振底盘4；在减振底盘4的中央安装有能够在XY平面扫描的样品台部件5；在减振底盘4上且处于样品台部件5的四周安装有四个探针位移驱动器6；四个探针Z向扫描器7分别安装在四个探针位移驱动器6上；以及四个扫描探针8分别安装在四个探针Z向扫描器7上。
样品台部件5进一步包括样品台、样品台扫描器以及支撑管，其中，样品台用绝缘胶粘接在样品台扫描器的顶端，样品台扫描器的底端用绝缘胶粘接在支撑管上，支撑管紧固在减振底盘4上，样品台扫描器的中间是连接样品台与低温冷阱的紫铜丝束，以此实现对样品的制冷。
样品台扫描器为压电陶瓷管，压电陶瓷管的内外壁均镀有金属膜，将内外壁的金属膜按相同的方式划分四等份，使得内外壁各形成四个独立的电极，连线引出两对端子±X和±Y，在每队端子上加电压都会引起压电陶瓷管在相对的电极方向上发生微小的弯曲变形，这样的变形就会引起样品台在水平面上的微小平动，从而达到样品台在XY平面扫描的目的。
每一个探针位移驱动器6为压电陶瓷驱动器，能够在XYZ三个方向上进行三维驱动；以及每一个探针Z向扫描器7为压电陶瓷管，可沿Z方向伸缩变形。通过这四个探针位移驱动器6可将四个探针8分别移动到样品表面的指定位置，并且使得探针逼近样品表面直至进入隧道状态。当样品台在XY平面扫描时，每个探针Z向扫描器7在Z方向受反馈控制探测样品表面的高低起伏。在这种情况下就实现了四个探针的同时扫描成像；当针尖的相对距离小于样品台的扫描范围时，各个探针就会对样品上的同一块区域共同成像。
常规的光学显微镜可具有1-2微米的分辨本领，因此在一个常规光学显微镜的观察下就可驱动探针达到几个微米的相对距离，这样，只要样品台的扫描在较大的范围，就可以实现上述的“四探针共成像”。本技术采用直径20毫米、壁厚1毫米、长度25毫米的压电陶瓷管实施样品台扫描，达到5微米的扫描范围；将长度加长到100毫米时，扫描范围达到70微米，完全满足四探针共成像的条件。
四探针共成像时，样品表面上的一个特征会分别出现在四个探针各自所成的像里形成特征像点，将四个像叠在一起，四个特征像点的相对位置就是四个探针的相对位置，从而实现了四探针的精确定位。据此，可以进一步驱动四个探针不断相互靠近直至针尖尺度的极限。在此过程中将获得一组组共成像图片。
本专利技术实施的高端环境是超高真空系统，也同样适用于高真空、低真空和大气的环境。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种超高真空四探针扫描隧道显微镜，所述超高真空四探针扫描隧道显微镜包括：超高真空腔体，其特征在于：在所述超高真空腔体的顶部由刀口法兰密封安装有三维调节镜架以及在所述三维调节镜架上安装有光学显微镜；在所述超高真空腔体的内部经由四根弹簧悬挂有减振底盘；在所述减振底盘的中央安装有能够在XY平面扫描的样品台部件；在所述减振底盘上且处于所述样品台部件的四周安装有四个探针位移驱动器；四个探针Z向扫描器分别安装在所述四个探针位移驱动器上；以及四个扫描探针分别安装在所述四个探针Z向扫描器上。
2.如权利要求1所述的超高真空四探针扫描隧道显微镜，其特征在于，所述样品台部件进一步包括样品台、样品台扫描器以及支撑管，其中，所述样品台用绝缘胶粘接在样品台扫描器的顶端，所述样品台扫描器的底端用绝缘胶粘接在所述支撑管上，所述支撑管紧固在所述减振底盘上。
3.如权利要求2所述的超高真空四探针扫描隧道显微镜，其特征在于，所述样品台扫描器为压电陶瓷管，所述压电陶瓷管的内外壁均镀有金属膜，将内外壁的金属膜按相同的方式划分四等份，使得内外壁各形成四个独立的电极，对所述压电陶瓷管的四个独立电极施加电压，会引起所述压电陶瓷管在相应的电极的方向发生微小的弯曲变形，从而引起所述样品台在水平面上的微小平动，因此实现所述样品台在XY平面扫描。
4.如权利要求1所述的超高真空四探针扫描隧道显微镜，其特征在于，每一个所述探针位移驱动器为压电陶瓷驱动器，能够在XYZ三个方向上进行三维驱动。
5.如权利要求1所述的超高真空四探针扫描隧道显微镜，其特征在于，每一个探针Z向扫描器为压电陶瓷管，可沿Z方向伸缩变形。
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