CN1632515A - 多功能纳米研究开发平台 - Google Patents

Abstract

一种多功能纳米研究开发平台，由多个位置能精确控制的探针相互之间或与样品组成。多个探针是同种材料的或者是不同材料的，承担相同功能或者不同功能，或者是复合的。多个探针或/和样品相互关联工作在同一个微小区域，具有对研究开发对象施加作用、产生激发、检测效果的功能，还可以成为研究对象或特定结构的组成部分，以及用来显示研究对象的位置、形貌、结构、状态以及过程。由计算机工作站统一控制，多个探针形成对纳米尺度材料与物质、结构、表面、器件或微系统的现象、效应、性能、过程、结构、机理、效能等进行研究、检测，操作、加工、组装、控制等多种关联功能，形成为纳米研究开发的多功能机械手。

Description

多功能纳米研究开发平台

技术领域

本发明涉及一个能够对原子、分子、纳米基元的性质及其与衬底、操作物之间的相互作用进行研究，实现操作，能够对纳米尺度对象进行加工、组合，对纳米微机构系统进行组装、检测、操控的研究开发系统——多功能纳米研究开发平台。

背景技术

场发射显微术是人类第一个实现原子尺度分辨率的显微技术。其工作机理是电子的隧道效应，研究对象是一个尖针状的样品，可用于对探针尖端微观原子结构的确定。

扫描隧道显微术(STM)不仅是探测表面原子结构的工具，利用它实现某些原子人工排列表明它还是一种在某种程度上操控原子的手段。虽然STM已经发展成包括原子力扫描隧道显微镜等十多种扫描探针的家族，但是仍限于单个探针对样品表面形貌的探测和有限的加工。

速度慢是扫描探针显微技术的一个问题。为提高扫描显微成像速度，近年来出现多探针系统——通过多个并连控制的同种探针对样品表面分区并行地扫描，拼接成为较大范围的显微图象。但是，没有采用多个探针协同工作于同一微区，完成对纳米结构研究、操作、检测的技术思路，也没有把探针头作为构成所研究的纳米对象的一个部分的思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用两个或以上的探针，其针尖和样品研究区域按要求被控制在微米至亚纳米的空间范围，以量子隧道效应为工作特征，由系统工作站统一控制，协同工作，达到对纳米基元或微系统的现象、效应、性能、过程、结构、机理、效能等进行研究、操作、加工、组装、检测的多功能纳米研究开发平台。

实现本发明目的的多功能纳米研究开发平台(参见附图1，2)，包括两个或两个以上探针1-n，探针驱动系统，样品台7，样品驱动系统，定位轨道系统，平台信号(包括偏压和激发)发生系统13，平台信号采集放大系统14，对整个平台实行统一控制、信号处理和反馈协调控制的系统工作站15，以及显微、温度控制、环境等辅助系统组成探针驱动系统分为实现精确方位控制和亚微米位置控制的步进驱动系统和达到亚纳米精度位置控制的压电晶体驱动系统，探针安装于探针支架上，探针支架由探针压电晶体驱动器和步进驱动器驱动，样品台安装在样品台支架上，样品台支架由样品台压电晶体驱动器和步进驱动器驱动，步进驱动器沿各自导轨驱动；探针驱动器和样品驱动器与平台步进驱动电源11和平台压电晶体驱动电源12相连，平台步进驱动电源和平台压电晶体驱动电源与系统工作站15相连，系统工作站与平台信号发生系统13以及平台信号采集放大系统14相连，平台信号发生系统和平台信号采集放大系统分别与探针和样品相连，系统工作站15根据研究开发工作要求建立各个有关部分的相互关联和整个平台系统的关联模式；按探针和样品的初始位置状态以及任务要求系统工作站15对平台步进电机驱动电源11发出指令，对各个探针和样品的步进驱动器，即对探针经度步进驱动器3-n和探针纬度步进驱动器4-n、探针伸缩和转动步进驱动器5-n、样品台高度和转动步进驱动器9、样品台平面二维步进驱动器16分别提供指定驱动，在观察及显微系统监视下，使有关探针尖或/和样品进入预定的空间区域，达到亚微米精度；再由系统工作站15指挥平台压电晶体驱动电源12对探针三维压电晶体支架6-n和样品台三维压电晶体支架8提供指定驱动电压，系统工作站并同时指挥平台信号发生系统13产生偏压施加于探针之间或/和探针与样品之间，指挥平台信号采集放大系统14采集探针之间或/和探针与样品之间的量子效应的信号，根据检测信号对平台压电晶体驱动电源12发出反馈控制指令，驱动相关三维压电晶体支架6-n、8，使各探针尖或/和样品达到预定的空间区域，彼此接近，甚至接触形成研究开发对象需要的结构；系统工作站15根据研究开发目的，协调指挥平台信号发生系统13产生机械或者热、电、磁、光、粒子及其混合激发，按指定方式施加到指定对象的指定部位，并指令平台信号采集放大系统14采集各种信号，实时传送给系统工作站处理和反馈控制，实现对纳米尺度材料与结构、表面、器件或微系统的现象、效应、性能、过程、结构、机理、效能的研究、加工、组装、检测、控制、开发和应用。

所述的探针由导体，或半导体、光纤、磁性材料、绝缘体或复合材料制成。

所述的探针的尖端是一个纳米结构的裸露面。

所述的探针本身可以作为研究对象或特定结构或器件的组成部分。

所述定位轨道系统包括由确定探针经度的平面导轨0、锁定探针经度和确定探针纬度的导轨2-n和探针纬度导轨的定位转轴2-0组成的探针定位轨道系统和样品台7的平面二维导轨10，探针经度导轨形状是个圆，探针纬度导轨的基本形状是约1/4周长的圆弧，所述的探针和样品台导轨固定于放置在防震减震台18上的平台支架17上。

探针定位轨道系统是一个向心定位轨道系统，探针经度导轨和探针纬度导轨分别是圆周或圆周的一部分，并按同心的要求安装于平台支架上，使得探针与探针纬度导轨垂直时，探针总是指向轨道系统的圆心。探针在定向轨道上的位置就确定了它的取向方位。

所述的探针步进驱动系统包括确定各个探针1-n在其经度平面导轨位置的步进驱动器3-n，确定各个探针在其纬度导轨位置的纬度步进驱动器4-n，确定各个探针的伸缩长度和旋转角的步进驱动器5-n，平台步进驱动电源11和控制探针步进位置的系统工作站15，系统工作站15发出指令，控制平台步进驱动电源11对所述各探针步进驱动器分别提供指定驱动，使其所控制探针尖到达要求的精确方位和预定空间位置，实现对探针经度方位、纬度方位和探针尖到其纬度导轨的距离和自转方位的控制。具体是由系统工作站15根据各探针初始位置和研究要求，对平台步进驱动电源11发出指令，先对各探针1-n经度步进驱动器3-n提供指定驱动，使各探针到达要求经度；对各探针纬度步进驱动器4-n提供指定驱动，使各探针到达要求纬度；然后对各探针长度伸缩步进驱动器5-n提供指定驱动，使各探针尖到达要求位置；需要时再驱动各探针自旋转角步进驱动器，使各探针尖到达要求的自转方位。

所述的探针压电晶体驱动系统包括固定探针的X-Y-Z三维压电晶体支架6-n，平台压电晶体驱动电源12，平台信号发生系统13，平台信号采集放大系统14和控制探针精确位置的系统工作站15，系统工作站指挥平台信号发生系统产生偏压，施加于探针之间或/和探针与样品之间，同时指挥平台信号采集放大系统14采集探针之间或/和探针与样品之间的量子效应检测信号，根据平台信号采集放大系统14采集的探针之间或/和探针与样品之间的量子隧道效应检测信号和研究要求，对平台压电晶体驱动电源12发出控制和反馈控制指令，调节对所述探针压电晶体支架6-n三维施加的电压，使得探针尖以亚纳米精粒度进入预定研究区域，协同工作，达到研究开发的要求。

所述的样品驱动系统由样品台平面二维步进驱动器16，样品台高度和转角步进驱动器9，样品台压电晶体支架8，平台步进驱动电源11，平台压电晶体驱动电源12，平台信号发生系统13，平台信号采集放大系统14和控制样品台位置的系统工作站15组成。系统工作站15根据样品台7初始位置和要求，对平台步进驱动电源11发出指令，先对样品台平面二维步进驱动器16提供指定驱动，使样品到达要求的平面位置；再对样品台高度步进驱动器9提供指定驱动，使样品到达要求高度；然后对样品台转角步进驱动器9提供指定驱动，使样品达到要求的方位；最后系统工作站指挥平台信号发生系统13产生偏压施加于探针与样品之间，同时指挥平台信号采集放大系统14采集探针与样品之间量子效应检测信号，根据平台信号采集放大器14所采集到的探针与样品之间量子效应的检测信号和研究要求，对平台压电晶体驱动电源12发出控制和反馈控制指令，调节施加到样品台压电晶体支架8三维的电压，使放置样品台7上的样品到达精确的空间位置。

本研究开发平台协同工作的多个探针可以是相同种类的，也可以根据研究开发需要用各种不同材料制作，如导体、或半导体、光纤、绝缘体、磁性材料或复合材料制作成不同种类的；各个探针所承担的功能，也可以是相同的，不同的，或复合的。例如把一个光纤探针镀上一层导电膜，就成为一个能够同时检测光子和电信号的复合探针。

探针的尖端是一个纳米微结构的裸露面，本身可以成为研究对象或一定结构、器件的组成部分，并对研究对象施加力、热、电、磁、光、量子粒子等各种作用，产生激发，检测激发产生的力学(例如振动或波)、热、光、电、磁等各种量子或结构变化效果的信号，研究各种效应、过程、性能及机理。

本发明的纳米研究开发平台的两个或多个探针，由系统工作站对它们位置、作用和功能统一协调控制，构成对纳米结构或微系统进行操作、加工、装配、控制的多功能“机械手”。

本发明的纳米研究开发平台可应用于对纳米尺度材料、结构、表面、器件或微系统的现象、效应、性能、过程、结构、机理、效能的研究，用于对纳米尺度材料、结构、表面、器件或微系统的加工、组装、检测、操作、控制、开发应用。

本平台的探针可用来显示研究开发对象的位置、形貌、结构、状态以及过程。

本平台的探针头和样品研究区域，可以被控制到微米以至亚纳米的小尺度空间范围。

运用已有温控技术和高真空技术，能使本平台在需要的温度和环境——真空、气体、液体等不同环境下工作。

附图说明

图1多功能纳米研究开发平台方框图(图中仅画出两个探针)。

图2平台多探针和样品位置控制结构示意图(图中画出三个探针导轨，一个探针)。

图3压电晶体精确定位示意图(图中仅画出一个探针)。

图4两个探针形成纳米结构示意图。

图5两个探针操控一纳米线示意图。

图6用场发射显微确定探针尖原子结构示意图。

图中标识表示：1 1-1、1-2探针，2探针向心轨道系统：0探针经度导轨，2-0探针纬度导轨转轴，2-1、2-2、2-3探针纬度导轨，3 3-1、3-2、3-3探针经度步进驱动器，4 4-1、4-2探针纬度步进驱动器，5 5-1、5-2探针伸缩和转动步进驱动器，6 6-1、6-2探针压电晶体支架，7样品台，8样品台压电晶体支架，9样品台高度和转动步进驱动器，10样品台平面二维导轨，11平台步进驱动电源，12平台压电晶体驱动电源，13平台信号(包括偏压、激发)发生系统，14平台信号采集放大系统，15系统工作站，16样品台平面二维步进驱动器，17平台支架，18平台防震减震台，19纳米线，X-Y-Z三维压电晶体支架，20场发射显微成像屏幕，21场发射成像电源，22 CCD摄象头，1’探针在场发射显微成像位置，1”探针在工作位置。

图1中：两个探针1-1，1-2，探针驱动定位系统(由示意向心轨道系统2，步进驱动系统3、4、5，平台步进驱动电源11，探针压电晶体支架6，平台压电晶体驱动电源12和系统工作站15组成)，样品驱动定位系统(由样品台7，样品台平面二维轨道10，样品台平面二维步进驱动器16，样品台长度和转角步进驱动器9，平台步进驱动电源11，样品台压电晶体支架8，平台压电晶体驱动电源12和系统工作站15组成)，平台步进驱动电源11，平台压电晶体驱动电源12，平台信号发生系统13，平台采集放大系统14和统一控制平台，指挥信号产生、采集和处理，进行反馈协调控制的系统工作站15，是构成多功能纳米研究开发平台的主要系统。

图2中：探针经度导轨0，探针纬度导轨2-1、2-2、2-3和探针纬度导轨转轴2-0安装于放在防震减震台18上的平台支架17，组成多探针1-1、1-2、1-3向心轨道系统。

每个探针1-n各有一个确定它的纬度导轨2-n在其经度水平圆轨道0上位置的步进驱动器3-n，实施对该探针经度的精确控制；每个探针各有一个确定它在其纬度导轨2-n上位置的步进启动器4-n，实施对该探针纬度的精确控制；还有控制它长度伸缩和自转角度的步进驱动器5-n，实施对该探针尖端空间位置和自转方位的控制。以上各探针步进驱动器均由系统工作站15发出指令，控制平台步进驱动电源11提供指定驱动，使各探针到达要求方位和位置。

每个探针n固定在一个三维压电晶体支架6-n上，由系统工作站15控制平台压电晶体驱动电源12，分别调节其对压电晶体支架6-n的X、Y、Z三维施加的电压，实现探针尖端位置达到亚纳米精度的控制。

样品驱动定位系统由样品台平面二维导轨10，样品台平面二维步进驱动器16，样品台高度和转角步进驱动器9，样品台压电晶体支架8组成。系统工作站15指令平台步进驱动电源11驱动样品台有关步进驱动器，使样品台到达要求位置和方位；然后工作站指令平台信号发生系统13产生偏压加到样品与探针之间，同时指令平台信号采集放大系统14采集样品与探针之间的隧道电流，根据检测隧道电流大小，对压电晶体驱动电源12发出控制和反馈控制指令，驱动样品台压电晶体支架8，实现放置于样品台上样品空间位置的精确定位。

图3中：探针1固定在X-Y-Z三维压电晶体支架上。系统工作站15根据研究需要和平台信号采集放大器14所采集的探针之间或/和探针与样品之间量子效应的检测信号，对平台压电晶体驱动电源12发出控制和反馈控制指令，分别调节施加到探针或/和样品台压电晶体支架X、Y、Z三个轴的电压，在步进驱动定位的基础上，实现探针尖端或/和样品位置的亚纳米精度精确控制。

系统工作站15还能根据平台信号采集放大器14提供的探针之间或/和探针与样品之间的隧道效应检测信号，对平台压电晶体驱动电源12发出反馈控制指令，调节对探针或/和样品台压电晶体支架施加的电压，使得探针头之间或/和探针与样品的距离按照要求发生变化或保持恒定，满足研究工作的要求。

图4中：系统工作站15发出指令，控制平台步进驱动电源11对两探针1-1、1-2经度步进驱动器3-1、3-2驱动，使它们处于经度轨道0上相对的位置；再对两探针纬度步进驱动器4-1、4-2驱动，使两探针处于一直线(直径)上；然后对两探针伸缩步进驱动器5-1、5-2驱动，使两尖端接近至亚微米距离；再由系统工作站15指挥平台压电晶体驱动电源12，对两探针压电晶体支架6-1、6-2提供驱动电压，工作站同时指令平台信号发生系统13产生偏压加到两探针之间，指令平台信号采集放大系统14采集两探针之间的隧道电流，根据检测隧道电流大小，对平台压电晶体驱动电源12发出反馈控制指令，使两探针尖对面接近以至接触形成一个纳米结。

图5中：系统工作站15发出指令，通过平台步进驱动电源11驱动探针步进驱动器3-1、3-2，4-1、4-2，5-1、5-2和样品台步进驱动器9，16，使两探针1-1、1-2尖接近样品台上纳米线19的两端；系统工作站15再通过平台压电晶体驱动电源12驱动探针和样品台压电晶体支架6-1、6-2，8，指令平台信号发生系统13产生偏压，使两探针尖与样品台上纳米线19两端产生隧道效应，同时指令平台信号采集放大系统14采集探针1-1、1-2与纳米线19之间的隧道电流，根据检测信号对平台压电晶体驱动电源12和平台信号发生系统13发出反馈控制指令，使施加到两探针和样品台之间的作用增加两探针和样品之间的吸引力，削弱样品和样品台之间的吸引力；然后系统工作站15再发出指令，通过平台压电晶体驱动电源12驱动样品台压电晶体支架降低样品台7的高度，使纳米线19离开样品台，实行对纳米线操控，成为操控纳米线的机械手。

图6中：系统工作站15通过控制平台步进驱动电源11驱动探针步进驱动系统，使探针处于1’面对场发射显微屏20的位置；由电源21提供探针和成像屏之间的成像电压，通过观察或CCD摄象机21记录探针场离子显微图象，确定探针尖端的原子排列结构。选定探针某原子排列区域后，系统工作站15再控制平台步进驱动电源11对探针驱动步进系统提供指定驱动，使探针转到指向样品台7的位置1”，然后进行其它要求的操作。

具体实施方式

实施例1

图2表示了本发明的平台使三个探针以及样品工作于同一微区的一个实际方案。该方案中探针定位驱动系统和样品定位驱动系统分别由各自的定位轨道系统、步进驱动系统和压电晶体驱动系统(参见附图3)三个部分组成。样品的位置由放置它的样品台的位置确定。

此方案中探针定向轨道系统是一个向心轨道系统，包括：

(1)、确定探针经度的探针经度导轨0；

(2)、锁定探针经度和确定探针纬度的探针纬度导轨2-1、2-2、2-3，每个导轨是一个大于1/4周长的圆弧；

(3)、探针纬度导轨的定位转轴2-0。

探针定向轨道系统的经度导轨是一个圆，纬度导轨的基本形状是长于1/4周长的圆弧。

探针经度导轨和探针纬度导轨分别是圆或圆周的一部分，并按同心的要求固定在平台支架17上，平台支架安置于防震减震台18上。探针与探针纬度导轨垂直时，探针的方向总是指向轨道系统的圆心，故探针在定向导轨上的位置确定了它的取向方位。

方案中探针定位采用步进驱动控制技术与压电晶体位置控制技术相结合，实现探针方位及其尖端位置的亚纳米级精度精确控制：

1)方案中探针步进驱动(例如使用日本ORIENTAL MOTOR Co.Ltd.生产的VEXTAstepping motor：PXC43-03AA型步进电机)系统包括：

(1)、每个探针1-n各有一个确定它在其经度导轨0上位置的步进驱动器3-n，实现对探针经度的精确控制。

(2)、每个探针1-n还有一个确定它在其纬度导轨2-n上位置的步进驱动器4-n，实现对探针纬度的精确控制。

(3)、每个探针1-n还各有控制其长度和自转角度的步进驱动器5-n。

(4)、由系统工作站15通过控制平台步进驱动电源11确定对各探针步进驱动器3-n，4-n，5-n提供指定驱动，使其所控制探针到达要求方位和位置。

2)方案中探针压电晶体驱动系统包括：

(1)、每个探针固定在一个三维压电晶体支架6-n上。由系统工作站15通过指挥平台压电晶体驱动电源12分别调节对探针压电晶体支架6-n三维施加的电压，实现对探针1-n尖端位置的亚纳米精度的控制。

(2)、系统工作站15指挥平台信号发生系统13产生偏压，施加于探针之间或/和探针与样品之间，同时指挥平台信号采集放大器14采集探针之间或/和探针与样品之间的量子效应的检测信号，根据采集的信号和研究要求对平台压电晶体驱动电源12发出控制和反馈控制指令，驱动各个探针压电晶体支架，使探针尖进入亚纳米级的小尺度空间范围，协同工作，达到研究开发目的。

3)方案中的样品定位驱动系统由样品台7，样品台平面二维导轨10，样品台平台二维步进驱动器16，样品台高度和转角步进驱动器9，样品台压电晶体支架8，平台步进驱动电源11，平台压电晶体驱动电源12，平台信号发生系统13，平台信号采集放大器14和系统工作站15组成。

系统工作站15通过控制平台步进驱动电源11，控制样品台平面二维步进驱动器16和样品台高度和转动步进驱动器9的驱动，使样品台上的样品到达要求位置和方位；然后工作站15指令平台信号发产生系统13产生偏压加到样品与探针之间，同时指令平台信号采集放大系统14采集样品与探针之间的隧道电流，根据检测隧道电流大小，对压电晶体驱动电源12发出反馈控制指令，驱动样品台压电晶体支架8，实现样品台上样品空间位置的精确定位。

为保证探针和样品定位的精度，平台支架和样品台均安置在防震减震台18上。

实施例2

本发明的研究开发平台将两个探针尖对接形成一维纳米结的实例(参见附图4)。

1、本实例是利用探针的尖端是一个纳米微结构的裸露面，可以形成纳米研究对象或部分结构。在探针步进驱动系统使探针1-1、1-2尖端相对的基础上(参见附图4)，由系统工作站15通过对平台压电晶体驱动电源12控制，使两个异质探针1-1、1-2(N型和P型)的针尖相对接近到产生隧道效应，然后相互扫描，确定彼此表面的原子排列结构。系统工作站15通过控制自转角度的步进驱动器5-1、5-2，选择并使适当的表面结构相互接近，直到“接触”形成一维纳米异质结。工作站15指令平台信号发生系统13产生偏压施加于探针之间，同时指令平台信号采集放系统14测量探针之间的隧道穿透和单向导电效应随距离接近的变化，研究一维纳米异质结的性质及机理。然后通过平台控制压电晶体驱动电源12，使形成纳米结的两个探针脱离，再次相互扫描或用第三个探针扫描，得到测定探针1-1、1-2脱离后的表面结构，研究一维纳米异质结的固体结构极其对性能的影响。

2、用一个探针和异质样品选定区域“接触”形成点接触异质结，用上述同样的方法研究该纳米结的效应、性能、结构和工作机理。

4、使用形成结以外的探针产生激发或检测信号，研究外加激发效应或附加部分(例如引线)的影响。

5、用上述同样的方法，以三个探针或两个探针与样品材料的表面接近直到接触，形成三极结，研究纳米三级结的效应、性能、结构和工作机理。

实施例3

两探针与纳米线相互作用的实例，说明平台如何形成对微结构加工、操作、装配、控制的多功能“纳米机械手”(参见附图5)。

1、系统工作站15通过控制平台步进驱动电源11驱动探针1-1的步进驱动器3-1、4-1、5-1和样品台步进驱动器9，16，使得探针1-1对样品衬底上的纳米线19的不同部位接近；工作站15指令平台信号发产生系统13产生偏压加到样品与探针之间，同时指令平台信号采集放大系统14采集样品与探针之间的隧道电流，根据检测隧道电流大小，对压电晶体驱动电源12发出反馈控制指令，驱动探针压电晶体支架6-1或/和样品台压电晶体支架8，实现探针和样品的充分接近；工作站15再指令平台信号发生系统13产生不同偏压或激发，对纳米线施加不同极性或大小的电、磁、机械或量子的作用“拨弄”它，研究增强探针与纳米线作用和削弱纳米线与衬底之间相互作用的有效方法。

2、系统工作站15通过控制平台步进驱动电源11，分别驱动探针1-1、1-2的步进驱动器3-1、3-2，4-1、4-2，5-1、5-2和样品台步进驱动器9，16，使得探针1-1对样品衬底上的纳米线19的不同部位接近；工作站15再指令平台信号发生系统13产生偏压或激发，使两个探针同时对样品衬底上的纳米线材两处施加作用，使施加到两探针和样品台之间的作用增加探针和样品之间的吸引力，削弱样品和样品台之间的吸引力，研究对纳米线的操控；系统工作站15通过控制平台步进驱动电源11驱动探针1-1、1-2的步进驱动系统，缩短两探针长度并同步增大纬度，保持两探针尖之间距不变并同时提升高度，或通过控制平台压电晶体驱动电源12，降低样品台7的高度，使纳米线19离开样品台，实现对纳米线操控；通过同步改变两探针经度或驱动样品台转动步进驱动器9改变纳米线的方位，形成操控纳米线的机械手。

3、整个工作是在系统工作站的指挥协调下完成的。工作站根据研究开发目标和参与工作各个探针以及样品的功能分工，确定探针之间以及探针和样品之间的关联，建立整体关联模式；通过计算和对检测信号的处理和反馈，控制各驱动电源、激发源和检测线路，实现整体协调联动，形成对微结构加工、装配、操作、控制的纳米多功能“机械手”。

实施例4

运用光学、场发射、隧道扫描、表面探针和电子透射衍射等技术，用来显示本系统研究开发对象的形貌、位置、结构、状态以及过程(参见附图6)。

1、用远工作距离显微镜，如美国HIROX公司生产的MX-10C配OL-350型物镜，以亚微米分辨率观察探针尖和样品的位置及工作过程。

2、系统工作站15控制平台步进驱动电源11驱动探针驱动定位系统，使探针指向场发射显微屏20，通过场离子显微图象确定探针1尖端的原子排列结构，然后系统工作站15再控制探针转向样品台7，进行其它要求的操作。

3、由工作站15指令平台信号发产生系统13产生偏压加到探针之间或/和样品与探针之间，同时指令平台信号采集放大系统14采集探针之间或/和样品与探针之间的隧道电流，保持探针之间或/和样品与探针之间隧道电流不变，或保持探针对探针或探针对样品的高度不变，并通过控制平台压电晶体驱动电源12驱动探针压电晶体支架6-n进行扫描，得到探针或/和样品表面的原子排列结构。

Claims (14)

1.一种多功能纳米研究开发平台，包括两个或两个以上探针(1-n)，探针驱动系统，样品台(7)，样品驱动系统，定位轨道系统，平台信号(包括偏压和激发)发生系统(13)，平台信号采集放大系统(14)，对整个平台实行统一控制、信号处理和反馈协调控制的系统工作站(15)，以及显微、温度控制、环境辅助系统组成，探针驱动系统分为实现精确方位控制和亚微米位置控制的步进驱动系统和达到亚纳米精度位置控制的压电晶体驱动系统；探针安装于探针支架上，探针支架由探针压电晶体驱动器和步进驱动器驱动，样品台安装在样品台支架上，样品台支架由样品台压电晶体驱动器和步进驱动器驱动，步进驱动器沿各自导轨驱动，探针驱动器和样品驱动器与平台步进驱动电源(11)和平台压电晶体驱动电源(12)相连，平台步进驱动电源和平台压电晶体驱动电源与系统工作站(15)相连，系统工作站与平台信号发生系统(13)以及平台信号采集放大系统(14)相连，平台信号发生系统和平台信号采集放大系统分别与探针和样品相连；系统工作站(15)根据研究开发工作要求建立各个有关部分的相互关联和整个平台系统的关联模式，按探针和样品的初始位置状态以及任务要求对平台步进电机驱动电源(11)发出指令，对各个探针和样品的步进驱动器即对探针经度步进驱动器(3-n)和探针纬度步进驱动器(4-n)、探针伸缩和转动步进驱动器(5-n)、样品台高度和转动步进驱动器(9)、样品台平面二维步进驱动器(16)分别提供指定驱动，在观察及显微系统监视下，使有关探针尖或/和样品进入预定的空间区域，达到亚微米精度；再由系统工作站(15)指挥平台压电晶体驱动电源(12)对探针三维压电晶体支架(6-n)和样品台三维压电晶体支架(8)提供指定驱动电压，系统工作站并同时指挥平台信号发生系统(13)产生偏压施加于探针之间或/和探针与样品之间，指挥平台信号采集放大系统(14)采集探针之间或/和探针与样品之间量子效应的信号，根据检测信号对平台压电晶体驱动电源(12)发出反馈控制指令，驱动相关三维压电晶体支架(6-n、8)，使各探针尖或/和样品达到预定的空间区域，彼此接近，甚至接触形成研究开发对象需要的结构；系统工作站(15)根据研究开发目的，协调指挥平台信号发生系统(13)产生机械或者电、磁、光、热、粒子及其混合激发，按指定方式施加到指定对象的指定部位，并指令平台信号采集放大系统(14)采集各种信号，实时传送给系统工作站处理和进行反馈控制。

2、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是其中探针由导体，或半导体，或光纤，或磁性材料，或绝缘体，或复合材料制成。

3、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是其中探针的尖端是一个具有纳米结构的裸露面。

4、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是其中探针本身可以作为研究对象或特定结构或器件的组成部分。

5、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是所述的定位轨道系统包括由确定探针经度的平面导轨(0)、锁定探针经度和确定探针纬度的导轨(2-n)和探针纬度导轨的定位转轴(2-0)组成的探针定位轨道系统和样品台(7)的平面二维导轨(10)，探针经度导轨(0)形状是个圆，探针纬度导轨(2-n)的基本形状是约1/4周长的圆弧，所述的探针和样品台导轨固定于放置在防震减震台(18)上的平台支架(17)上。

6、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是所述的探针步进驱动系统包括确定各个探针(1-n)在经度平面导轨(0)位置的步进驱动器(3-n)，确定各个探针在纬度导轨(2-n)位置的步进驱动器(4-n)，确定各个探针的伸缩长度和旋转角的步进驱动器(5-n)，平台步进驱动电源(11)和控制探针步进位置的系统工作站(15)；由系统工作站(15)发出指令，控制平台步进驱动电源(11)对所述各探针步进驱动器分别提供指定驱动，使其所控制的探针尖到达要求的空间精确方位和预定位置。

7、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是其探针压电晶体驱动系统包括固定探针的X-Y-Z三维压电晶体支架(6-n)，平台压电晶体驱动电源(12)，平台信号发生系统(13)，平台信号采集放大系统(14)和控制探针精确位置的系统工作站(15)，系统工作站指挥平台信号发生系统(13)产生偏压，施加于探针之间或/和探针与样品之间，同时指挥平台信号采集放大系统(14)采集探针之间或/和探针与样品之间的量子效应检测信号，根据平台信号采集放大系统(14)采集的探针之间或/和探针与样品之间的量子隧道效应检测信号和研究要求，对平台压电晶体驱动电源(12)发出控制和反馈控制指令，分别调节对所述的探针压电晶体支架(6-n)三维施加的电压，使得探针尖亚纳米精度进入预定研究区域，协同工作。

8、如权利要求1所述的研究开发平台，其特征是所述的样品驱动系统由样品台平面二维步进驱动器(16)，样品台高度和转角步进驱动器(9)，样品台压电晶体支架(8)，平台步进驱动电源(11)，平台压电晶体驱动电源(12)，平台信号发生系统(13)，平台信号采集放大系统(14)和控制样品台位置的系统工作站(15)组成，系统工作站(15)根据研究要求和平台信号采集放大系统(14)采集的检测信号，控制平台驱动电源(11)和(12)驱动样品台步进驱动器(16、9)和样品台压电晶体支架(8)，确定样品台和置于样品台上样品的空间精确位置。

9、权利要求1所述的研究开发平台的应用，其特征是用于对纳米尺度材料与结构、表面、器件或微系统的现象、效应、性能、过程、结构、机理、效能的研究。

10、权利要求1所述的研究开发平台的应用，其特征是用于对纳米尺度材料与结构、表面、器件或微系统的加工。

11、权利要求1所述的研究开发平台的应用，其特征是用于对纳米尺度材料与结构、器件或微系统的组装。

12、权利要求1所述的研究开发平台的应用，其特征是用于对纳米尺度材料与结构、表面、器件或微系统的性能的检测。

13、权利要求1所述的研究开发平台的应用，其特征是用于对纳米尺度材料与结构、表面、器件或微系统的操作和控制。

14、权利要求1所述的研究开发平台的应用，其特征是用于对纳米尺度材料与结构、表面、器件或微系统的开发应用。

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