CN1260559C - 具有增强电子云作用的扫描探针及扫描隧道显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及扫描隧道显微镜的结构改进，特别涉及其扫描探针的结构改进。所述场增强扫描探针，是在现有扫描隧道显微镜扫描探针的外表面设有两层镀层，与探针表面直接接触层是绝缘镀层，外层为贵重金属镀层，在该贵重金属镀层上设置连有导线的电极。该电极的引出导线与超净控制电压源场增强偏压输出端口接通，超净控制电压源中的场增强偏压放大模块是通用的高压放大模块，此高压放大模块与计算机DA卡相应端口接通。所述扫描隧道显微镜扫描探针的接入电压为1～2V的正偏压，贵重金属镀层的接入电压为50～300V正偏压。本发明在现有的扫描隧道显微镜扫描探针上增设场增强层，增强被测样品表面电子云的分布，从而使扫描隧道显微镜能用以观测半导体、非导体材料。
Description
技术领域
本发明涉及扫描隧道显微镜，特别涉及扫描隧道显微镜用的扫描探针的结构改进。
背景技术
扫描隧道显微镜(STM)是观测物质微观结构的重要设备，其工作机理是根据量子力学的隧道贯穿原理。当势垒的势能比粒子动能大时，粒子越过壁垒区而出现在势垒另一边的几率不为零。材料表面电子在表面外形成一层电子云，这层电子云的纵向和横向分布由样品材料及表面微观结构决定。STM的针尖与样品间设有一定偏置电压，当针尖和样品非常接近时，根据量子力学公式，针尖与样品间距离越近，势垒越低，电子的穿透系数越大，形成的隧道电流随势垒宽度的缩小按指数规律增大。隧道电流随势垒宽度的变化是非常灵敏的，利用这一效应，扫描隧道显微镜可以达到0.01nm的纵向分辨率(Z向)。被测样品材料的成分和微结构不同，上述电子云分布会有很大区别，同时其表面电子的析出率、电子能量的大小、势垒的高低等等也会有较大差异。测量时被观测样品应具有一定的导电性，材料表面电子云达到一定的强度，才可以产生稳定的隧道电流。对于半导体和绝缘体来说，材料表面电子云强度不够，无法形成稳定的隧道电流，因此，现有技术中，非良导体的微观结构尚不能通过扫描隧道显微镜观测。
本发明的目的在于，在现有的扫描隧道显微镜扫描探针上增设场增强层，增强被测样品表面电子云的分布，使现有的扫描隧道显微镜能用以观测半导体、非导体材料。
本发明的目的由以下方式实现。
本发明的具有增强电子云作用的场增强扫描探针，包括由金属制成的现有扫描隧道显微镜的扫描探针，其特征在于，在该扫描探针外表面设有两层镀层，与探针表面直接接触层是绝缘镀层，外层为贵重金属镀层，在该贵重金属镀层上设置连有导线的电极；其中绝缘镀层厚度在10～20微米之间，最好是10～15微米；贵重金属镀层厚度在40～200微米之间，最好是50～60微米；贵重金属镀层下端面与扫描针尖的垂直距离为150～500微米，最好为200～300微米；贵重金属镀层长度大于15mm；所述贵重金属是适合于用作金属镀层的贵重金属。
本发明的扫描隧道显微镜，包括设有XY向扫描装置的基座、Z向反馈高度控制器和压电陶瓷扫描器、微电流放大器、超净控制电压源、扫描探针以及微机主控系统，扫描探针的接入电压为1～2V的正偏压，其特征在于，所述扫描探针是具有上述增强电子云作用的扫描探针，该扫描探针包括现有扫描隧道显微镜的扫描探针，以及在该扫描探针外表面设有的绝缘镀层和贵重金属镀层，在该贵重金属镀层上设置连有导线的电极，该导线与超净控制电压源场增强偏压输出端口接通，超净控制电压源中的场增强偏压放大模块是通用的高压放大模块，此高压放大模块与计算机DA卡相应端口接通；所述贵重金属镀层的接入电压为50～300V正偏压。
本发明的扫描隧道显微镜，在现有扫描探针上增加了绝缘镀层和贵重金属镀层，内层探针接入电压为1～2V的正偏压(相对于样品)，贵重金属镀层的接入电压为50～300V正偏压(相对于样品)。由量子力学原理，外场的增强，可以降低势垒。同时，增强外场，可以增加自由电子的能量，提高材料表面电子析出率，这些因素对于非良导体的隧道电流的检出都有正面影响。若简单从提高原STM扫描针尖与样品间偏置电压入手，在大偏压作用下，针尖与样品间的大电场会使针尖产生场致扩散；当偏压大于或等于两个电极的功函数时，会产生场发射及共振隧穿现象，也导致针尖和表面形貌的改变。采用本发明的方案，场增强镀层距样品表面较远(相对于扫描探针而言)，上面提到的大偏压带来的影响可以忽略。在场增强镀层提高偏压的同时，扫描探针与样品间仍然维持常规的1～2V的偏压，可以稳定可靠的检出隧道电流。在恒流模式下，贵重金属镀层的正偏压在扫描全程为探测点提供恒定场强，使扫描区域电子云提升均匀。扫描探针进行XY向扫描时，隧道电流值得以提高，为提高隧道电流采样精度创造了条件。采样的隧道电流数据是后续扫描高度控制、显示的基础，提高其精度可从根本上提高成像对比度和信噪比，这样常规扫描隧道显微镜无法观测的半导体、非导体也能被很好的观测。
附图说明
下面通过实施例和附图做进一步的说明。
图1是本发明的具有增强电子云作用的扫描探针的实施例结构示意图。
图2是本发明的扫描隧道显微镜系统实施例示意图。
图3是本发明的扫描隧道显微镜系统中超净控制电压源实施例示意图。
具体实施方式
参见图1，扫描探针1为现有的扫描探针，是采用高纯度钨丝并经电化学腐蚀制成极细的针尖或采用铂铱合金丝拉剪而成。钨丝直径约为500微米左右，铂铱合金丝直径约为250微米左右。绝缘层2为高介电常数材料镀层，常用材料为二氧化硅、氧化铪等。外层为贵重金属镀层，常用材料为适合于作为金属镀层的贵重金属，如金、银、铂、铬、钛、铜、镍、铅、锌、镉、锡、镍锌合金等。金属镀层3的下端面与扫描针尖间的垂直距离为150～500微米。绝缘层2的长度略长于金属镀层3的长度，以保证其绝缘作用。电极4焊连在金属镀层上，通过导线5与超净控制电压源接通。
参见图2，整个系统采用基座6与Z向陶瓷扫描器7分开的布局，XY向陶瓷扫描器安装在基座6内腔中(XY向扫描驱动高压从超静控制电压源8引入)，用以实现水平方向扫描。Z向压电陶瓷封装时，管体下端盖预留夹持场增强扫描探针9的结构，便于施加扫描偏压。从设置在贵重金属镀层上的电极引出导线5，该导线与超净控制电压源8接通。实际观测时，样品10固定在基座6上。从样品上引出的隧道电流通过微电流放大器11放大，放大后的信号引入Z向反馈高度控制器12，经过反馈控制，控制信号接入超静控制电压源8，同时反馈信号接入计算机主控系统13。
参见图3，在现有扫描隧道显微镜中，超净控制电压源用以提供系统所需的多种电压及相关的控制电路。为了使各电压相互间影响最小，通常采用多变压器方式。图中左边的虚线框内是电压转换电路，14是外接交流电源(220V)，15是电压变换及整流模块，16是滤波及稳压模块，该部分分别从端口17、18、19输出±15V、+5V、±165V直流电压。其中+5V用来隔离计算机发出的TTL控制信号，并为选通控制芯片提供足够的电流；±15V用来为微电流放大器、Z向反馈高度控制器和部分MUX多路开关供电；±165V为高压放大模块供电。图中右上的虚线框内是为压电陶瓷提供扫描驱动高压及提供扫描偏压的电路。XY扫描信号由计算机DA卡经DA卡接口20引入，经滤波、放大模块21、22处理，其输出通过端口23、24驱动XY向压电陶瓷。Z向扫描信号(从图中25端口引入)为Z向高度反馈信号，经过高压放大模块26放大，从端口27输出，直接控制Z向压电陶瓷进行Z向扫描。1～2V的扫描偏压从计算机DA卡引入，经DA卡接口20直接输出，输出端口为图中28号端口。以上两部分是现有扫描隧道显微镜的超净控制电压源中常用电路。图中右下虚线框内为提供场增强偏压的电路，场增强偏压从DA卡接口20引入偏压信号，经过高压放大模块29放大(采用高压放大器PA41)，经端口30与金属膜层电极上的导线5相连。
Claims (5)
1.一种具有增强电子云作用的场增强扫描探针，包括由金属制成的现有扫描隧道显微镜的扫描探针，其特征在于，在该扫描探针外表面设有两层镀层，与探针表面直接接触层是绝缘镀层，外层为贵重金属镀层，在该贵重金属镀层上设置连有导线的电极；其中绝缘镀层厚度在10～20微米之间，贵重金属镀层厚度在40～200微米之间，贵重金属镀层下端面与扫描针尖的垂直距离为150～500微米，贵重金属镀层长度大于15mm；所述贵重金属镀层中使用的贵重金属是适合于用作金属镀层的贵重金属。
2.如权利要求1所述的场增强扫描探针，其特征在于，所述绝缘镀层厚度是10～15微米。
3.如权利要求1所述的场增强扫描探针，其特征在于，所述贵重金属镀层厚度是50～60微米。
4.如权利要求1所述的场增强扫描探针，其特征在于，所述贵重金属镀层下端面与扫描针尖的垂直距离为200～300微米。
5.一种具有增强电子云作用的扫描隧道显微镜，包括设有XY向扫描装置的基座、Z向反馈高度控制器和压电陶瓷扫描器、微电流放大器、超净控制电压源、扫描探针以及微机主控系统，扫描探针的接入电压为1～2V的正偏压，其特征在于，所述扫描探针包括现有扫描隧道显微镜的扫描探针，以及在该扫描探针外表面设有的绝缘镀层和贵重金属镀层，在该贵重金属镀层上设置连有导线的电极，该导线与超净控制电压源场增强偏压输出端口接通，超净控制电压源中的场增强偏压放大模块是通用的高压放大模块，此高压放大模块与计算机DA卡相应端口接通；所述贵重金属镀层的接入电压为50～300V正偏压。
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