CN111208320B

CN111208320B - 扫描隧道显微镜及其样品架

Info

Publication number: CN111208320B
Application number: CN202010155767.7A
Authority: CN
Inventors: 王爱伟; 李乔楚; 李更; 郇庆; 高鸿钧
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: CN111208320A

Abstract

公开了一种扫描隧道显微镜及其样品架。根据一实施例，所述扫描隧道显微镜包括Beetle‑type扫描头，所述扫描隧道显微镜的样品架包括：采用绝缘材料的底座；多个进针斜面体，每个所述进针斜面体采用导电材料且具有电极，且所述多个进针斜面体之间彼此隔开并固定在所述底座上；在所述样品架上装有样品时，所述样品通过所述电极与所述多个进针斜面体中的至少一个电气连接；并且，在所述样品架倒置于所述Beetle‑type扫描头之上时，每个所述进针斜面体的进针斜面仅与所述Beetle‑type扫描头的多个扫描管中相对应扫描管顶部的钨球相接触。本申请实施例实现了采用Beetle‑type扫描头的扫描隧道显微镜的多电极设计。

Description

扫描隧道显微镜及其样品架

技术领域

本申请总体上涉及纳米级表征技术领域，更具体地，涉及一种扫描隧道显微镜及其样品架。

背景技术

扫描隧道显微镜(STM，Scanning Tunneling Microscope)具有原子级的空间分辨能力，是目前人类可以获得的有最高空间分辨的表征工具之一。STM具有极高的分辨率，可以对亚纳米量级的体系进行表征，可以表征其形貌，电子态等特性，亦可以对其进行操纵和调控。然而，若要与主流的电子科技相融合，人们需要对这些体系的输运特性进行研究和调控，同时将其设计成具有晶体管功能的器件。这对于只有两个电极(探针和样品各为一极)的STM而言，几乎无法实现。不管是输运测量，还是晶体管的构建，都需要两个以上电极的参与。典型的输运测量需要四个电极的参与、晶体管等器件至少需要三个电极。

STM的扫描头大概有两类：Pan-type和Beetle-type。对于Pan-type扫描头，样品架固定的位置对于集成多电极比较有利，目前在商业上已经实现。而对于Beetle-type扫描头，样品架是依靠三根压电陶瓷管支撑，不便于集成更多电极，且样品架是全金属的，只能做一个电极用。

发明内容

针对采用Beetle-type扫描头的扫描隧道显微镜无法集成多电极的技术问题和其他问题，本申请期望提供一种新的扫描隧道显微镜及其样品架，以达到集成多电极的目的。

根据一实施例，提供一种扫描隧道显微镜的样品架，所述扫描隧道显微镜包括Beetle-type扫描头；所述样品架包括：

采用绝缘材料的底座；

多个进针斜面体，每个所述进针斜面体采用导电材料且具有电极，且所述多个进针斜面体之间彼此隔开并固定在所述底座上；

在所述样品架上装有样品时，所述样品通过所述电极与所述多个进针斜面体中的至少一个电气连接；并且，在所述样品架倒置于所述Beetle-type扫描头之上时，每个所述进针斜面体的进针斜面仅与所述Beetle-type扫描头的多个扫描管中相对应扫描管顶部的钨球相接触。

在一些示例中，所述多个进针斜面体中包括三个进针斜面体，三个斜面体上表面倾斜角在5-15度之间，且所述三个进针斜面体在所述底座上的固定位置与所述Beetle-type扫描头中三个外围扫描管的位置一一对应；在所述样品架倒置于所述Beetle-type扫描头之上时，每个所述进针斜面体的进针斜面仅与所述Beetle-type扫描头中相对应的一个外围扫描管顶部的钨球相接触。

在一些示例中，所述多个进针斜面体在底座上的位置关于底座的中心互成120度，且相邻的所述进针斜面体之间的间隔在1mm～1.5mm之间。

在一些示例中，所述电极为金属电极。

在一些示例中，所述电极通过焊接或者导电胶粘贴在所述进针斜面体上。

在一些示例中，所述进针斜面体通过螺丝固定在所述底座上。

在一些示例中，所述底座为陶瓷片。

根据一实施例，还提供一种扫描隧道显微镜，包括：

Beetle-type扫描头；

样品架，包括采用绝缘材料的底座和多个进针斜面体，每个所述进针斜面体采用导电材料且具有电极，且所述多个进针斜面体之间彼此隔开并固定在所述底座上；

在一些示例中，所述Beetle-type扫描头包括基板和固定于所述基板之上的三个外围扫描管和一个中心扫描管，每根所述外围扫描管顶部设有钨球，每个所述钨球上设有钨球引线，所述中心扫描管的顶部设有探针，所述探针上设有探针引线，每根钨球引线用于导出所述样品通过相应的一个进针斜面体引出的信号。

在一些示例中，所述三根外围扫描管与所述样品架上的进针斜面体一一对应；在所述样品架倒置于所述Beetle-type扫描头上并进针的过程中，每根所述外围扫描管顶部的所述钨球始终与其相对应的进针斜面体的进针斜面接触，且至少一根所述外围扫描管的钨球上的钨球引线外接一预定的电压信号或电流信号。

本申请实施例，利用了Beetle-type扫描头固有的设计特点，通过在样品架中设置一定数量的相互绝缘且能够与样品进行电连接的进针斜面体，使得样品架倒装在Beetle-type扫描头上时，Beetle-type扫描头的每个外围扫描管的钨球均可当作一个独立电极来使用，这样，外界与样品的之间的电子电路通道可以是单通道、双通道和三通道，成功实现了多电极设计，成功实现了采用Beetle-type扫描头的STM的多电极设计。

本申请的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述而变得显而易见。

附图说明

通过结合附图对本申请的示例性实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1为相关技术中扫描隧道显微镜的样品架结构示意图；

图2为根据本申请一示例性实施例的Beetle-type扫描头的结构示意图。

图3A为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的样品架的正面示意图；

图3B为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的样品架的侧面示意图；

图3C为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的样品架的背面示意图；

图4为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的样品架倒置于Beetle-type扫描头的结构示意图；

图5为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的一应用示例的电信号连接原理示意图。

图6为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的另一应用示例的电信号连接原理示意图。

图7为根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的又一应用示例的电信号连接原理示意图。

图8为根据本申请一示例性实施例的根据本申请一示例性实施例的扫描隧道显微镜的再一应用示例的电信号连接原理示意图。

附图标记说明：

10、Beetle-type扫描头；11、基板；12、外围扫描管；13、中心扫描管；14、钨球；15、钨球引线；16、探针；17、探针引线；20、样品架；21、底座；22、进针斜面体；23、电极；24、进针斜面；30、样品。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述本申请的示例性实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

如前文所述，因需要与主流的电子科技相融合，STM需要集成更多电极。不管是输运测量，还是晶体管的构建，都需要两个以上电极的参与。典型的输运测量需要四个电极的参与、晶体管等器件至少需要三个电极。

对于采用Beetle-type扫描头的STM，图1示出了工作状态下Beetle-type扫描头和样品架的结构，样品架是全金属的结构，样品架需要倒扣在Beetle-type扫描头上、依靠Beetle-type扫描头的三根外围扫描管支撑。显然，相关技术的STM，样品架只能用作一个电极，其工作状态下的结构和样品架本身的结构导致STM中无法集成更多电极。

针对上述技术问题，本申请实施例提供了一种扫描隧道显微镜的样品架和包含该样品架的扫描隧道显微镜，该扫描隧道显微镜采用Beetle-type扫描头。下文将对本申请实施例的扫描隧道显微镜、扫描隧道显微镜的样品架的示例性结构进行详细说明。

图2示出了本申请实施例扫描隧道显微镜的Beetle-type扫描头10的示例性结构。图2的示例中，Beetle-type扫描头10可以包括基板11和固定于基板11上的三根外围扫描管12及一根中心扫描管13，每根外围扫描管12顶部设有钨球14，并且每个钨球14上设有钨球引线15(图2未示出、图4示出)，中心扫描管13的顶部设有探针16，探针16上设有探针引线17(图2未示出、图4示出)，中心扫描管13可驱动探针16的Z方向扫描。其中，探针引线17可用于导出遂穿电流信号，钨球引线15用于导出样品通过相应进针斜面体引出的信号。

一些示例中，上述各个扫描管可以是内空的压电陶瓷柱，钨球引线15、探针引线17可以通过该压电陶瓷柱内部延伸到基板11的底部，以便外接诸如STM偏压、栅压等信号。

一些示例中，Beetle-type扫描头10的三根外围扫描管与下文样品架20上的三个进针斜面体22一一对应。在样品架20倒置于Beetle-type扫描头10上并进针的过程中，每根外围扫描管12顶部的钨球14始终与其相对应的进针斜面体22的进针斜面24接触，且至少一根外围扫描管12顶部的钨球14上的钨球引线15外接一预定的电压信号或电流信号。该预定的电压信号或电流信号可以是STM偏压、栅极(Gate)电压信号，还可以是为在两根钨球引线15之间形成预定电压的信号、在钨球引线15和探针引线17之间形成预定电压的信号等，具体细节参考如下文图5～图8所示的应用实施例。

图3A、图3B、图3C示出了本申请实施例扫描隧道显微镜的样品架20的示例性结构。

图3A、图3B、图3C所示的示例中，扫描隧道显微镜的样品架20可以包括：采用绝缘材料的底座21、多个进针斜面体22，每个所述进针斜面体22采用导电材料且具有电极23，且所述多个进针斜面体22之间彼此隔开并固定在底座21上。

在样品架20上装有样品30时，样品30可以通过电极23与多个进针斜面体22中的至少一个电气连接。一个示例中，样品30可与每个进针斜面体22均电气连接，也可以与其中两个进针斜面体22电气连接，还可以仅与其中一个进针斜面体22电气连接。实际应用中，进针斜面体22可以通过其电极23与样品30的二维材料层和/或栅极层接触来实现其与样品30的电气连接。具体细节参考如下文图5～图8所示的应用实施例，此处不再赘述。

在工作状态下，样品架20倒置于STM的Beetle-type扫描头之上。如图3所示，样品架20倒置于STM的Beetle-type扫描头10之上时，每个进针斜面体22的进针斜面24仅与Beetle-type扫描头的多个扫描管中相对应扫描管顶部的钨球相接触。图4示出了STM中样品架20倒置于Beetle-type扫描头10上的示例性结构，下文将结合图4对该技术细节的具体实现进行详细说明。

本申请实施例中，为了实现更多电极的设计，样品架20与Beetle-type扫描头中钨球相连的部分必须被绝缘，否则Beetle-type扫描头的三个钨球会通过样品架20短路到一起。于是，本申请实施例中，将样品架20的多个进针斜面体22彼此隔开并固定在一块采用绝缘材料的底座21上。

本申请实施例中，底座21采用绝缘材料，该绝缘材料可以是任何类型。一些示例中，底座21可以为陶瓷片。具体地，如图3A、图3B、图3C所示，底座21可以为圆形陶瓷片，其尺寸与Beetle-type扫描头相匹配。

本申请实施例中，进针斜面体22的形状、高度及其进针斜面24的坡度可以采用现有设计，以兼容现有设计中的各种Beetle-type扫描头。进针斜面体22采用导电材料。一些示例中，进针斜面体22可以采用金属材料。

图3A、图3B、图3C的示例中，进针斜面体22可以采用各种可适用的方式牢固地固定在底座上，避免样品架20倒置过程中进针斜面体脱落。一些示例中，每个进针斜面体22可以通过螺丝分别固定在底座21上。其他示例中，进针斜面体22还可通过诸如胶或其他方式粘贴在底座21上。当然，本申请实施例不限于这些具体方式。

为确保进针斜面体22之间是相互绝缘的，进针斜面体22之间需要有间隔。实际应用中，进针斜面体22之间的间隔距离在达到绝缘目标的同时还需避免对进针产生影响。本申请一些实施例中，多个进针斜面体22在底座上的位置关于底座的中心互成120度，相邻的进针斜面体22之间的间隔可以在1mm～1.5mm之间，例如，可以是1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm等。但可以理解，具体应用中进针斜面体之间的间隔距离可以不限于此范围，例如，可以小于1mm，也可以大于1.5mm等等。

进针斜面体22上的电极23可以是各种类型。一些示例中，该电极23可以是金属电极，例如柔性金属丝，既可以与样品实现电连接而且不会因连接而损伤样品的表层结构。其他示例中，该电极23还可以是其他类型，对于电极23的具体类型，本申请实施例不予限制。

本申请实施例中，电极23可以通过各种方式来固定在进针斜面体22上。一些示例中，电极23可以通过导电胶粘贴在进针斜面体22上。具体地，电极23可以通过导电胶粘贴在进针斜面体22的侧面或底部，以避免影响进针。其他示例中，电极23还可通过诸如焊接等方式来固定于进针斜面体22上。对此，本申请实施例不予限制。

实际应用中，样品架20中进针斜面体22的数量与Beetle-type扫描头中外围扫描管的数量相当。例如，Beetle-type扫描头具有N个外围扫描管时，样品架20可以包括N个进针斜面体22，N为大于1的整数。以图2、图3A、图3B、图3C为例，Beetle-type扫描头10具有三个外围扫描管12，样品架20则相应包含三个进针斜面体22。

图3A、图3B、图3C的示例中，样品架20可以包括三个进针斜面体22，即第一进针斜面体、第二进针斜面体和第三进针斜面体。其中，第一进针斜面体、第二进针斜面体和第三进针斜面体彼此隔开并固定在底座21上，且这三个进针斜面体22在底座21上的固定位置与Beetle-type扫描头中三个外围扫描管12的位置一一对应，如下文图4所示。

图4示出了本申请实施例扫描隧道显微镜中样品架20倒置于Beetle-type扫描头10上的示例性结构。

图4的示例中，Beetle-type扫描头10的三根外围扫描管12分别可以是第一外围扫描管、第二外围扫描管、第三外围扫描管，这三根外围扫描管与样品架20中的进针斜面体22一一对应。

工作时，Beetle-type扫描头是依靠旋转样品架来进针，样品架20中进针斜面体22与Beetle-type扫描头10接触的平面是倾斜的(本文叫做“进针斜面”)，倾斜角度在5-15度之间。在样品架20的旋转过程中，样品30与探针16针尖的距离因着斜坡的存在而发生改变。样品30测量过程中，样品架20倒置在Beetle-type扫描头10之上，进针时，外围扫描管12驱动样品架20转动，钨球14与进针斜面24的接触点由坡度较高的部位滑至坡度较低的部位，使得样品架20与探针16针尖离得更近，以此实现了进针。在该过程中，图4的示例中，第一进针斜面体的进针斜面始终仅与第一外围扫描管顶部的钨球相接触、第二进针斜面体的进针斜面始终仅与第二外围扫描管顶部的钨球相接触、第三进针斜面体的进针斜面始终仅与第三外围扫描管顶部的钨球相接触。样品30通过三个进针斜面体的进针斜面引出的信号分别可通过相应外围扫描管顶部钨球上的钨球引线15导出，隧穿电流信号可通过探针引线17导出。

由上可见，在样品架20倒置于Beetle-type扫描头10之上时，样品架20中的各个进针斜面体22的进针斜面24分别与其相对应的外围扫描管12上的钨球14一一对应地接触，同时样品30又与进针斜面体22的电极23连接，也即，三根钨球引线15与样品架20中的三个进针斜面体22一一对应地有着良好的电气连接，同时样品架20的至少一个进针斜面体22又与样品30有着良好的电连接，这样，也就相当于在STM中上实现了至少一个电极，例如，STM偏压便可通过钨球引线15、钨球14先加在样品架20的一进针斜面体22上，继而通过该进针斜面22再加在样品30上。若样品架20的三个进针斜面22均与样品30电连接，则相当于在STM中上实现三个电极，这样，外界与样品的之间的电子电路通道由单通道变成了三个通道，再加上探针引线17这一通道，不管是输运测量、晶体管的构建等需要至少两个以上电极的情况可以支持，对于需要四个电极参与的输运测量、至少需要三个电级参与的晶体管等器件也均可以支持。具体应用示例可参见下文图5～图8所示的应用实施例。

本申请实施例还提供了一种包含上述样品架20和Beetle-type扫描头10的扫描隧道显微镜，其具体技术细节参见上下文，不再赘述。

由上可见，本申请实施例利用了Beetle-type扫描头固有的设计特点，成功实现了多电极设计。本申请实施例中，通过在样品架中设置三个相互绝缘且能够与样品进行电连接的进针斜面体，使得样品架倒装在Beetle-type扫描头上时，Beetle-type扫描头的三个外围扫描管中每个外围扫描管顶部钨球均可当作独立的电极来使用，这样，外界与样品的之间的电子电路通道可以是单通道、双通道和三通道，成功实现了多电极设计。

本申请实施例提供的样品架可以应用在Beetle-type扫描头的扫描隧道显微镜中，可以增加与样品连接的电极数量，这使得STM系统得以与器件和输运测试系统的联合。包含有上述样品架的STM具有极高的空间分辨率，可达到单原子级分辨，与器件和输运测试系统联合，大大丰富了对纳米量级体系的物性调控和表征手段。比如，对二维薄膜材料加一栅极电压进行调控，用STM表征其电子态及带隙的变化；用STM表征工作中的场效应器件沟道的物性。可见，本发明对基础科学研究以及应用研究均有重要意义。

下面结合具体实施例对本申请实施例的示例性应用进行详细说明。需要说明的是，下文实施例中的1端、2端、3端分别是样品架中三个进针斜面体通过其电极与样品电连接的连接端，4端是指探针与样品电连接的连接端，并且下文实施例中相关电压信号或电流信号均经过钨球引线、钨球、相应进针斜面体加到上述1端、2端、3端，4端所加的电压信号或电流信号则通过探针、探针引线传送至4端。此外，下述实施例仅为示例性说明，并不用于限制本申请实施例的应用场景和应用方式。

实施例1：普通的STM功能。

如图5所示，将样品架上的其中一个电极接偏压，探针引线接STM前置放大器，可用STM实现表征材料(如二维(2D)材料)表面原子分辨形貌，电子态以及单原子或单分子操纵等功能。

实施例2：加栅极电压调控少层2D材料的电子态，并用STM表征。

如图6所示，1端与少层2D材料相连，加Bias电压；4端与探针相连，测隧穿电流。可完成基本的STM功能。2端与栅极相连，加栅极电压调控电子态。可用来表征少层2D材料的电子态随着栅极电压的变化规律。

实施例3：STM与输运测量结合。

如图7所示，在STM模式下，2端加Bias电压，4端测隧穿电流。在测输运模式，1端和2端分别与被测材料的两端相连，并在两端加电压，测电流；3端和4端可以测电压。改变探针的位置，可以测不同位置的电导信息。

实施例4：单分子器件

如图8所示，用STM探针做栅极，调控单分子的电导特性。1端、2端分别通过特殊工艺与分子，团簇或纳米带两端相连。4端连接探针，利用前置放大器输入端的“虚短”，加栅极电压。4端既是bias电压输出端，也是隧道电流信号输入端。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims

1.一种扫描隧道显微镜的样品架，所述扫描隧道显微镜包括Beetle-type扫描头；所述样品架包括：

采用绝缘材料的底座；

2.根据权利要求1所述的样品架，其中，所述多个进针斜面体中包括三个进针斜面体，三个斜面体上表面倾斜角在5-15度之间，且所述三个进针斜面体在所述底座上的固定位置与所述Beetle-type扫描头中三个外围扫描管的位置一一对应；

在所述样品架倒置于所述Beetle-type扫描头之上时，每个所述进针斜面体的进针斜面仅与所述Beetle-type扫描头中相对应的一个外围扫描管顶部的钨球相接触。

3.根据权利要求1或2所述的样品架，其中，所述多个进针斜面体在底座上的位置关于底座的中心互成120度，且相邻的所述进针斜面体之间的间隔在1mm～1.5mm之间。

4.根据权利要求1所述的样品架，其中，所述电极为金属电极。

5.根据权利要求4所述的样品架，其中，所述电极通过焊接或者导电胶粘贴在所述进针斜面体上。

6.根据权利要求1所述的样品架，其中，所述进针斜面体通过螺丝固定在所述底座上。

7.根据权利要求1或6所述的样品架，其中，所述底座为陶瓷片。

8.一种扫描隧道显微镜，包括：

Beetle-type扫描头；

9.根据权利要求8所述的扫描隧道显微镜，其中，

所述Beetle-type扫描头包括基板和固定于所述基板之上的三根外围扫描管和一个中心扫描管，每根所述外围扫描管顶部设有钨球，每个所述钨球上设有钨球引线，所述中心扫描管的顶部设有探针，所述探针上设有探针引线，每根钨球引线用于导出所述样品通过相应的一个进针斜面体引出的信号。

10.根据权利要求9所述的扫描隧道显微镜，其中，所述三根外围扫描管与所述样品架上的进针斜面体一一对应；在所述样品架倒置于所述Beetle-type扫描头上并进针的过程中，每根所述外围扫描管顶部的所述钨球始终与其相对应的进针斜面体的进针斜面接触，且至少一根所述外围扫描管的钨球上的钨球引线外接一预定的电压信号或电流信号。