CN104122415A - 一种多探针扫描显微和输运测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料测试仪器领域，更确切地说涉及高真空下进行扫描探针显微和多探针原位输运测量装置。本发明的内容是提供一种将高灵敏度扫描隧道显微镜和多探针电学输运测量有机结合起来的设计方案；并构建一种类似的测量装置，此装置可以用于对样品进行高灵敏度扫描隧道显微测量，同时还可以进行四探针电学输运测量。

Description

一种多探针扫描显微和输运测量装置

技术领域：

本发明涉及材料测试仪器领域，更确切地说涉及高真空下进行扫描探针显微和多探针原位输运测量装置。 

背景技术：

21世纪，由于电子信息、生物技术、能源环境、国防等工业的快速发展，对各种材料的性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小。因此，在微观尺度下研究新材料的结构和性能，乃至于从材料的基本结构和成分出发，调控以至于改变材料的性能，逐渐成为目前科学研究的重要课题和发展基础。扫描探针显微镜(SPM)使用尖锐的探针去探测物质的表面结构，可以提供材料表面的原子结构和微观性质的信息，在材料以及其它科学领域展现了重要的作用。此外，随着电子器件的小型化和超高集成性，越来越要求在介观尺度(微米)或微观尺度下测量材料的电学输运性能。多探针电输运测量装置就显得尤其重要。因此，将微观尺度显微技术和多探针电输运测量有机的结合起来，对今后新材料和新能源以及未来纳米电子和器件的研究和发展，就显得尤其的重要。 

为了得到材料的微观结构甚至原子结构信息，科学界、工艺界发明了一些测量方法和技术。其中，扫描探针显微镜(SPM)就是近几十年发展起来的高科技测量技术。 

扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy，缩写为SPM)是所有机械式地用探针在样本上扫描移动以探测样本影像的显微镜的统称。其影像解析度主要取决于探针的大小〔通常在纳米的范围〕。扫描隧道显微镜是第一个被发明的扫描探针显微镜〔1981年〕。扫描隧道显微镜(英语：scanning tunneling microscope，缩写为STM)，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。它于1981年由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 

目前，商用的多探针扫描装置是将压电陶瓷控制的四个探针置于电子显微镜下，分别移动和定位四个探针，在电子显微镜的实时观测下，测量样品的电输运性能。这种设计的缺点在于：(1)所采用的电子显微镜是低空间分辨率的扫描电镜，最高分辨精度只到5纳米；不能 提供原子结构信息。(2)电子显微镜价格昂贵，对使用环境条件要求高，和外加磁场不兼容。(3)四个探针的不能用于扫描成像，只是用于电输运测量。 

发明内容：针对以上提到的问题，提出本发明。 

本发明的内容是提供一种将高灵敏度扫描隧道显微镜和多探针电学输运测量有机结合起来的设计方案；并构建一种类似的测量装置，此装置可以用于对样品进行高灵敏度扫描隧道显微测量，同时还可以进行四探针电学输运测量。 

本发明涉及的解决方案为：设计一个高灵敏度扫描探针显微镜，以取代常规使用的电子显微镜。该扫描隧道显微镜可以提供所研究材料的微观乃至原子结构信息。同时，设计四个压电陶瓷控制的扫描探针系统，每个都可以独立操作，进行移动，定位和扫描。在高分辨的光学显微镜下，操作和控制这四个扫描探针，从而可以四探针电学输运测量。整个装置可以在高真空，超高真空和低温以及强磁场的环境中工作。 

本发明涉及的装置包含：一个高灵敏度扫描探针显微镜(图1)，此扫描隧道显微镜可对样品进行扫描成像，提供所研究材料的微观乃至原子结构信息；四个压电陶瓷控制的扫描探针系统(图2)，每个探针都可以独立操作，进行移动，定位和扫描。同时，装置还需要高分辨的光学显微镜，用来监测每个扫描探针的移动和定位。 

本发明的主要特点在于： 

1.通过在样品的上方安置一高灵敏度扫描探针显微镜，用于观察样品的微观信息乃至于原子结构信息。利用四个独立控制的扫描探针在光学显微镜下，选择样品上合适的区域，进行两端点法或四端点法的电输运测量。或是利用某一个/几个探针给样品施加电压/电流，测量电子的动态特性。 

2.说明1中所述的高灵敏度扫描探针显微镜可以为：Pan type扫描隧道显微镜，Beetle type扫描隧道显微镜，音叉扫描探针显微镜等任何利用扫描探针进行材料表面形貌微观或原子尺度测量的装置。 

3.说明1中所述的独立控制的扫描探针系统可以为：任何形式的以马达进行三维空间精确移动/定位装置，结合扫描管对样品表面进行扫描，得到局域的微观形貌甚至原子结构图像。 

4.说明1中所述的样品包含但不仅限于：半导体材料(硅(Si)、锗(Ge))，拓扑绝缘体等块体材料以及任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼，以及高温超导薄膜等。 

附图说明：

图1.一种高灵敏度扫描探针显微镜。 

图2.一种独立控制的四个扫描探针系统设计示意图。 

图3.多探针扫描显微和输运测量装置的整体设计示意图。 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 

实例一：参照图3。 

首先利用高灵敏度扫描探针显微镜对样品的表面形貌和原子结构进行测量；高灵敏度扫描探针显微镜处于样品的正上方，可以进行高分辨微观形貌和原子结构的测量；图1为一种高灵敏度扫描探针显微镜模型，其中压电陶瓷马达为惯性驱动压电陶瓷马达，扫描探针为音叉原子力探针。接着在光学显微镜的观察下移动四个独立扫描探针，用于原位电学输运测量以及作为外加电流/电压源。图2为一种独立控制的四扫描探针系统设计示意图。其中四个独立探针控制系统组装在一起。每个探针可以在三维空间移动，精确定位，也可以进行独立的样品表面形貌的扫描成像。所有的移动，定位和扫描都可以在高真空或低温或磁场下进行，由外加脉冲电压驱动压电陶瓷控制。在光学显微镜的观察下，操作四个探针的移动，将四个探针放置在所要的位置。利用自动进针装置，将每个探针靠近最终接触样品的表面。通过压电陶瓷扫描管的细微可控的伸缩，控制探针刚刚接触表面，同时不至于破坏样品。利用四端点方法测量样品的电学输运性质。此外，通过控制样品的温度或是施加外磁场，可以测量不同温度或是磁场下，样品的表面电导随温度或磁场的变化关系。从而解决了长期以来困扰的测量超薄薄膜电导的问题，同时，微观或原子尺度下的测量和宏观电学输运测量也有机的结合起来。 

Claims (5)

1.一种将高灵敏度扫描隧道显微镜和多探针电学输运测量有机结合起来的设计方案，其设计原理在于：设计一个高灵敏度扫描探针显微镜，以取代常规使用的电子显微镜；该扫描隧道显微镜可以提供所研究材料的微观乃至原子结构信息；同时，设计四个压电陶瓷控制的扫描探针系统，每个都可以独立操作，进行移动，定位和扫描；在高分辨的光学显微镜下，操作和控制这四个扫描探针，从而可以四探针电学输运测量；整个装置可以在高真空，超高真空和低温以及强磁场的环境中工作。

2.根据权利要求1所述的设计方案，构建一种系统，系统包括：一个高灵敏度扫描探针显微镜，此扫描隧道显微镜可对样品进行扫描成像，提供所研究材料的微观乃至原子结构信息；四个压电陶瓷控制的扫描探针系统，每个探针都可以独立操作，进行移动，定位和扫描；同时，装置还需要高分辨的光学显微镜，用来监测每个扫描探针的移动和定位。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度扫描探针显微镜，其特点在于：任何利用扫描探针进行材料表面形貌微观或原子尺度测量的装置，例如：Pan type扫描隧道显微镜，Beetle type扫描隧道显微镜，音叉扫描探针显微镜等。

4.根据权利要求2所述的独立控制的扫描探针系统，其特点在于：可以为任何形式的以马达进行三维空间精确移动/定位装置，结合扫描管对样品表面进行扫描，得到局域的微观形貌甚至原子结构图像。

5.根据权利要求2所述的样品，其特性在于：可以为半导体材料(硅(Si)、锗(Ge))，拓扑绝缘体等块体材料以及任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼，以及高温超导薄膜等。