CN102866266A

CN102866266A - 三维微驱四电极可置换探头

Info

Publication number: CN102866266A
Application number: CN2012103309234A
Authority: CN
Inventors: 刘灿华; 葛剑峰; 贾金锋
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102866266B

Abstract

本发明公开了一种三维微驱四电极可置换探头。该探头包括四电极探针座和与其配套的三维微驱四电极底座。本发明在四电极探针座的针尖架螺纹杆底部，采用陶瓷绝缘片隔离的三个铜电极，与针尖架螺纹杆一起分别和内置于三维微驱四电极底座的扫描管内壁的四个电极相接触，并由四束铜导线引出作为测量时的输入输出端子。本发明的三维微驱四电极底座所含扫描管的内壁上部的螺纹也可以安装扫描隧道显微镜的探针针架，实现了四探针输运测量和单探针表面扫描的兼容。本发明的直插与螺纹相结合的结构使得电极接触稳定牢固，能够经受频繁更换使用的磨损。

Description

三维微驱四电极可置换探头

技术领域

本发明涉及一种电极探头，特别是一种用于超高真空环境中的三维微驱四电极探头。

背景技术

晶体材料的表面最外层原子结构与电子态往往表现出与其体态相异的特性，成为许多物理，材料和化学等学科在基础与应用两方面的研究热点。扫描隧道显微镜是这一科研领域的重要的研究仪器。

鉴于许多材料表面易被大气污染，绝大多数的扫描隧道显微镜工作在超高真空当中；将一个有尖锐针头的单探针插入到一个三维微驱单电极探头上，实现原子尺度的形貌观测与电子态密度测量。如果要获取材料表面的电子输运特性，则需要植入四探针技术：将四探针接触到材料表面，外侧两探针间通入恒流电流，通过测量内侧两探针的电势差，从而算出该材料的表面电阻来。

为了将材料表面的原子形貌及电子态与其电导特性直接联系起来研究，可将微米四探针与扫描隧道显微镜融合到一台仪器上去。具体实现方案是设计一种新的三维微驱探头，一方面在插入单电极探针后它能继续维持扫描隧道显微镜的功能；另一方面在插入四电极探针后能实现四探针输运测量。这种新的三维微驱探头需要接出四个电极来，且在实用当中，须能方便插入或移除单电极探针或四电极探针，以实现单电极探针与四电极多探针的随意置换。目前的四探针测试设备，四根探针的距离均在毫米级别左右，对于材料表面它的敏感性远远不够，这样的测量会导致表面的电导特性被材料体电子特性信息淹没。微米四探针，由于其微米级的间距，本质上几乎不会受体电子影响。而目前的扫描隧道显微镜，其扫描管都是设计成型的，只能使用单探针测量，它的探针底座不能安装四探针。因此设计兼容四探针以及单探针的探针底座，并依此设计相应的扫描管，对于材料表面物理性质研究实验是巨大的创新和突破。本发明所设计的三维微驱四电极可置换探头，可将这两套系统融合在一起，实现对表面及薄膜材料的原子结构与电子态的原位表征以及电子输运的原位测量的一体化。

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兼容扫描隧道显微镜单电极探针与四探针输运测量的四电极探针的三维微驱可置换探头。

本发明的三维微驱四电极可置换探头包括：四电极探针座；与探针座配套的三维微驱四电极底座。

四电极探针座进一步包括：顶部中心留有四电极探针插槽的针尖架；固定在铜制针尖架底部的螺纹杆尾端的三个用陶瓷片绝缘隔离的环形中空铜电极。此三个电极通过用导电胶粘在内壁上的铜线分别连接到四电极探针的第一探针、第二探针、第三探针；针尖架上部及螺纹杆则通过铜导线连接到第四探针。

三维微驱四电极底座主要由三维粗驱动的压电陶瓷步进电机和三维微驱动的压电陶瓷扫描管组成。扫描管的内壁被陶瓷层绝缘隔离成四段铜电极，最上一段铜电极即第四电极带内螺纹，与四电极探针座的针尖架下部的螺纹杆相匹配。单电机探针的针尖架螺纹杆与此螺纹杆尺寸相同，从而此处内螺纹与扫描隧道显微镜的单电极探针的针尖架匹配；其余三段铜电极内壁上安装有钛合金弹簧片，用于保证分别与四电极探针座下部的第一电极、第二电极、第三电极的电路导通。这四段铜电极分别与四束铜导线相连，以此引出作为测量时的输入输出四电极端子。

本发明的优越性在于：

(1)将螺纹固定法与耳塞式直插直入型电极接触法相结合，不但保证了四电极电流电压的稳定通路；且实现了对四电极探针座的简单插拔；

(2)最上部电极保留螺纹，可与扫描隧道显微镜的单电极探针相兼容。只需简单的旋转插拔，便可方便实现对单电极与四电极探针的更换。

(3)整个四电极探头置于三维驱动压电陶瓷之上，既可实现四电极输运测量时需要的垂直运动的细微驱动，也可实现扫描隧道显微镜工作时需要的三维运动的细微驱动。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的三维微驱四电极可置换探头的结构的示意图

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的三维微驱四电极可置换探头。

本发明的三维微驱四电极可置换探头如图1所示，包括：四电极探针座1；与四电极探针座配套的三维微驱四电极底座12。

四电极探针座1的顶部针尖架5的中心处设有一个四电极探针插槽，该插槽与四探针集成片2恰好匹配。铜制针尖架底部的螺纹杆与三维微驱四电极底座12的内螺纹相匹配。螺纹杆下端为三个用陶瓷片绝缘隔离的环形中空铜电极13、14、15，此三电极通过用导电胶粘在内壁上的对应的第一铜线21、第二铜线22、第三铜线23分别与四探针的相对应的第一探针31、第二探针32、第三探针33电路导通，针尖架上部及螺纹杆4通过第四铜线24与第四探针34电路导通。由于四探针法可以消除接触电阻对于测量的影响，所以对铜线连接的接触电阻要求不需要很高。

三维微驱四电极底座12主要由三维粗驱动的压电陶瓷步进电机11和三维微驱动的压电陶瓷扫描管6组成。扫描管6的内壁被陶瓷层绝缘隔离成四段铜电极，最上一段铜电极即第四电极9带内螺纹，与四电极探针座1的针尖架5下部的螺纹杆4相匹配。此处内螺纹也可用于安装扫描隧道显微镜的单电极探针的针架；其余三段铜电极10内壁上安装有钛合金弹簧片7，用于保证分别与四电极探针座下部的第一电极13、第二电极14、第三电极15的电路导通。这四段铜电极9、10分别与四束铜导线8相连，以此引出作为测量时的输入输出四电极端子。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化，比如增加或减少电极的数量等等。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种三维微驱四电极可置换探头，包括：

四电极探针座；

与所述四电极探针座配套的三维微驱四电极底座；

其特征在于，所述四电极探针座的中部及所述三维微驱四电极底座的上段均带有螺纹电极，所述四电极探针座的中部的螺纹与所述三维微驱四电极底座的上段的螺纹相互匹配以使所述四电极探针座可自由地旋入或旋出所述三维微驱四电极底座；所述四电极探针座在其顶部还包括中心留有四电极插槽的针尖架以及与所述四电极插槽匹配的四探针集成片；所述三维微驱四电极底座还包括三维粗驱动的压电陶瓷步进电机和三维微驱动的压电陶瓷扫描管。

2.根据权利要求1所述的三维微驱四电极可置换探头，其特征在于，所述针尖架具有固定在其底部的螺纹杆，在所述螺纹杆的下段具有三个用陶瓷片绝缘隔离的环形中空的铜电极，其中，所述三个铜电极相对应地通过第一铜线、第二铜线、第三铜线分别连接到所述四探针集成片上对应的第一探针、第二探针、第三探针上，所述针尖架的上部及所述螺纹杆通过第四铜线连接第四探针，所述铜线用导电胶粘在所述电极上。

3.根据权利要求1所述的三维微驱四电极可置换探头，其特征在于，扫描隧道显微镜的单电极探针的针尖架可旋入或旋出所述三维微驱四电极底座。

4.根据权利要求1所述的三维微驱四电极可置换探头，其特征在于，所述压电陶瓷管扫描管的外壁分为四个象限：+X，-X，+Y和-Y，在所述四个象限内互不相连地镀有四块尺寸相同的金属膜，其中，所述压电陶瓷扫描管的内壁被陶瓷层绝缘地隔离成四段铜电极，最上一段铜电极带内螺纹，所述内螺纹与所述四电极探针座的中部的螺纹匹配；其余三段铜电极的内壁上安装有钛合金弹簧片，用于配合所述四电极探针座的下段的第一电极、第二电极、第三电极，所述四段铜电极引出四束细铜导线，作为测量时通电流加电压的输入/输出端子。