CN104181335A - 一种扫描隧道显微镜扫描探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描隧道显微镜扫描探头，包括：样品座，用于承载样品；扫描基座，用于控制扫描探针；侧板，用于刚性连接所述样品座和所述扫描基座。

Description

一种扫描隧道显微镜扫描探头

技术领域

本发明涉及本一种扫描隧道显微镜（STM）的扫描探头，尤其涉及一种光学兼容的低温扫描探头。

背景技术

扫描隧道显微镜自1981年问世以来，在表面物理科学、材料科学、生命科学等众多领域得到了广泛应用。扫描隧道显微镜具有极高的空间分辨率，横向达到0.1nm，纵向达到0.01nm。它的出现，使人们能够“看到”并“操纵”原子，从而极大地促进和推动了纳米科技的发展。扫描探头是扫描隧道显微镜的核心部分。它是根据量子力学中的隧穿效应，用一个金属针尖作为探针，使之与样品表面作为两个电极，当样品表面与针尖距离非常靠近（<1nm）时，两者的电子云略有重叠，若在两极间加上电压，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒形成隧道电流。通过记录针尖与样品表面间隧穿电流的变化就可得到样品表面的信息。

目前，国际上有从事商业化生产扫描隧道显微镜的公司，例如德国的Omicron公司，美国的RHK公司，日本的JEOL公司和Unisoku公司等。此外，一些实验室也自主研发扫描隧道显微镜，例如用于低温系统的典型Pan’s设计等。其中扫描探头的结构有多种不同的类型，其最核心的部件是样品座、扫描基座，他们的连接方式有两类，一类是样品座和扫描基座分离的设计。例如Omicron公司生产的低温扫描隧道显微镜，将扫描基座与样品座分别固定于整个扫描探头支架上，再通过弹簧悬挂及涡流减震来减小噪音。这种设计结构比较庞大、复杂，容易引入噪声和不稳定性。另一类是使样品座和扫描基座一体化，这种结构具有较好的刚性和稳定性，但由于一体化加工的局限性，使扫描探头的空间狭小、封闭，通常难以观察到针尖和样品，无法监控操作过程。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种扫描隧道显微镜扫描探头，具有高稳定性和高刚性，不容易引入噪声，且具有光学开放性，可观察到针尖和样品，能够全程监控操作过程。

本发明提供一种扫描隧道显微镜扫描探头，包括：

样品座，用于承载样品；

扫描基座，用于控制扫描探针；

侧板，用于刚性连接所述样品座和所述扫描基座。

根据本发明提供的扫描探头，其中所述侧板由透明材料制成。

根据本发明提供的扫描探头，其中所述侧板由蓝宝石或石英制成。

根据本发明提供的扫描探头，其中所述侧板由导热材料制成。

根据本发明提供的扫描探头，其中所述侧板通过螺丝分别固定到所述样品座和所述扫描基座。

根据本发明提供的扫描探头，其中扫描基座中具有逼近调节装置，用于使所述扫描探针逼近样品表面。

根据本发明提供的扫描探头，其中所述逼近调节装置为逼近桶。

本发明提供的扫描隧道显微镜扫描探头，具有高稳定性和高刚性，不容易引入噪声，且具有光学开放性，可观察到针尖和样品，能够全程监控操作过程。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明的一个实施例的扫描探头的立体结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的扫描探头的纵向剖面图；

图3为根据本发明的一个实施例的扫描探头的横向剖面图；

图4为根据本发明的一个实施例的扫描探头的测试噪声频谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种扫描隧道显微镜扫描探头，其立体结构如图1所示，包括样品座11及其两侧的侧板31和32，样品座11与侧板31和32之间围成的腔体中具有扫描基座2。图2为图1所示的扫描探头的剖面图，如图2所示，该扫描探头包括：

样品座11，具有凹槽，凹槽内用于放置带有样品13的样品架12；

扫描基座2，用于控制扫描探针27使其在样品13的表面扫描；

侧板31和32，用于刚性连接样品座11和扫描基座2。

如图2所示，扫描基座2包括扫描探针27，其通过针尖托26连接到扫描压电陶瓷管25，该扫描压电陶瓷管25置于由蓝宝石加工而成的六棱柱23内，扫描压电陶瓷管25的下端具有铝制圆柱形垫块24以辅助增加其长度，六棱柱23内部是与压电陶瓷管25相匹配的圆形通孔，外部为不等边六边形结构（具有三条长度相等的长边和三条长度相等的短边，且长边与短边间隔排列），如图3所示，为扫描基座2的径向剖面图，图2为沿图3中的A-A线的剖面图，该扫描基座2还具有由无氧铜加工而成的粗逼近桶21，其外部为22×22×16mm³的正方体结构，其内部与前挡28一同限定一腔体29，该腔体29内壁的径向截面为如图3所示的不等边六边形，该不等边六边形的其中三条边（包括前挡28所限定的边）分别与位于腔体29中的六棱柱23的三条长边相对应，相对应的两边之间具有两片压电陶瓷片22，从而使由粗逼近桶21与前挡28限定的腔体29的内壁通过六片压电陶瓷片22与六棱柱23接触，其中前挡28由前挡板281、调节小球282、前弹片283和固定螺丝284构成，螺丝284将前弹片283固定到粗逼近桶21上，并将调节小球282夹在前弹片283与前挡板281之间，由此可通过调节螺丝284的松紧来实现六棱柱23与粗逼近桶21之间的松紧调节，使其间的摩擦力保持在一个适宜大小，从而实现扫描探头的粗逼近过程。

本实施例中，侧板31和32由蓝宝石加工而成，通过螺丝33使其分别固定到样品座11和扫描基座2上，从而将样品座11和扫描基座2刚性地连接在一起，形成高稳定性的扫描探头。

本实施例中，采用透明的、高导热性的蓝宝石加工而成的侧板将样品座11和扫描基座2刚性地连接在一起，这种设计区别于现有技术中采用的样品座和扫描基座的分离式设计，也区别于采用一体化加工的样品座和扫描基座的设计。本实施例提供的扫描探头在具有很好的刚性和导热性能的同时，具有极佳的光学开放性。样品和针尖在整个传送过程中最大限度可见从而可实现全程监控，避免了因系统一些地方无法看见而带来的操作失误。同时，本实施例提供的扫描探头也可以良好兼容各种光学实验，例如采用激光激发表面，或研究STM针尖诱导发光等。

本实施例提供扫描探头的测试噪声频谱如图4所示，在全频率范围内典型的噪音值低于60fA。该探头具有极佳的刚性和低噪声，远远超过标准扫描隧道显微镜原子级分辨率的要求，系统噪音方面电子学噪音小于300fA，机械噪音小于0.1pm。

另外，本实施例提供的扫描探头的体积超小型化。扫描探头整体集成后，其所占空间仅仅为25×25×36mm³，其空间中可容纳扫描探头从逼近、扫描到放置样品所需的所有部件以及相关电路需要的全部导线，其扫描范围室温时可为5×5μm²,液氮温度（77K）下可为2×2μm²,液氦温度(4K)下可为1x1μm²，达到甚至超过了一般扫描隧道显微镜的扫描范围（大的约6×6μm²,小的约0.5×0.5μm²）。

本实施例提供的扫描探头降温及达到稳定温度的速度快。在本实施例中，样品座及粗逼近桶等较大的部件用的是无氧铜材料，侧板用的是抛光透明的蓝宝石材料，六棱柱用的是蓝宝石材料，这些材料使得扫描探头具有良好的导热性能，在降温时将扫描探头整体紧贴低温杜瓦底部在1小时内样品即可冷却到液氮或液氦温度，且热漂移率较小，约2pm/h。

本实施例提供的扫描探头中采用的逼近调节装置中采用功率压电陶瓷片22，即便是在低温（4k）下仍可达成快速逼近，一般情况下逼近耗时都不超过10分钟

根据本发明的其他实施例，其中侧板的材料可以根据需求选择多种刚性材料。例如对于典型的低温STM，可以采用导热性好的材料制作，例如蓝宝石。例如对于需要兼容光学试验的STM，可采用透光性能好的材料，如石英。

根据本发明的其他实施例，其中上述六棱柱23也可以为其他刚性材料，优选为导热性好的材料，从而是扫描探头具有良好的导热性。

根据本发明的其他实施例，其中本实施例中的扫描基座2采用了逼近桶21作为逼近调节装置，本领域技术人员可以根据实际需要选择其他的逼近调节装置，使扫描探针27逼近样品。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种扫描隧道显微镜扫描探头，包括：

样品座，用于承载样品；

扫描基座，用于控制扫描探针；

侧板，用于刚性连接所述样品座和所述扫描基座。

2.根据权利要求1所述的扫描探头，其中所述侧板由透明材料制成。

3.根据权利要求1所述的扫描探头，其中所述侧板由蓝宝石或石英制成。

4.根据权利要求1所述的扫描探头，其中所述侧板由导热材料制成。

5.根据权利要求1所述的扫描探头，其中所述侧板通过螺丝分别固定到所述样品座和所述扫描基座。

6.根据权利要求1所述的扫描探头，其中扫描基座中具有逼近调节装置，用于使所述扫描探针逼近样品表面。

7.根据权利要求1所述的扫描探头，其中所述逼近调节装置为逼近桶。

8.根据权利要求1所述的扫描探头，其中所述逼近桶由无氧铜加工而成。