一種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡及其測量方法

2023-09-10 23:15:40

專利名稱:一種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡及其測量方法
技術領域：
本發明屬於掃描探針顯微鏡技術領域：
，特別是涉及一種可同時測量探針與被測物 品之間的隧道電流及原子間作用力的掃描隧道顯微鏡，及採用該顯微鏡的測量方法。
技術背景
掃描探針顯微鏡(SPM)是納米科技必不可少的測試手段和研究工具。它主要包 括兩大類型基於隧道效應的掃描隧道顯微鏡(STM)和基於原子間作用力的原子力顯微鏡 (AFM)。
STM工作時，探針與被測導體表面間的存在的是原子間的隧穿電流，所以，它的分 辨率是原子量級，可優於0. Inm ；而AFM中力的測量則是探針尖端原子和被測物表面一定範 圍內原子間作用力的量度，其涉及的表面原子數量與探針和被測物的距離有關。
目前，商用AFM的解析度可達nm量級，遠低於STM的解析度；但少數實驗室自行研 制的、研究型AFM，在利用了短程力的分辨和測量技術後，已提高了其解析度，有的甚至可優 於現有STM的解析度。
因此，在STM的基礎上，如果能在測量隧穿電流的同時測得原子間的短程作用力， 則有可能進一步提高STM的解析度。本發明就是基於這一需求，在測量STM隧道電流的同 時，通過隧道電流信號的頻譜分析，獲得了探針的機械共振頻率及其變化，由此可計算出探 針和被測原子間的作用力及其變化。

發明內容
本發明的目的在於克服現有STM無法測得探針和被測物品原子間的短程作用力 的不足，提供一種在測量STM隧道電流的同時，可計算出探針和被測原子間的作用力的掃 描隧道顯微鏡。
本發明的另一目的在於提供一種可同時測量STM隧道電流和原子間作用力的測
量方法。
為了實現發明目的一，採用的技術方案如下
一種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡，包括設有探針的掃描頭，設置有電 流/電壓轉換器和低通電壓放大器的前置放大器，以及掃描隧道顯微鏡控制器，還設置有 頻譜分析器，且所述前置放大器還設置有帶通電壓放大器，所述頻譜分析器分別連接帶通 電壓放大器和掃描隧道顯微鏡控制器。
本發明的探針、電流/電壓轉換器、低通電壓放大器、掃描隧道顯微鏡控制器構成 現有STM，可測量隧道電流；通過探針、電流/電壓轉換器、帶通電壓放大器、頻譜分析器、掃 描隧道顯微鏡控制器的組合，在測量隧道電流的基礎上，可計算出探針與被測樣品原子間 的力梯度，從而得到其相互作用力。
所述探針採用導電金屬探針。
為了實現發明目的二，採用的技術方案如下
一種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡的測量方法，其採用前一技術方案的掃描隧道顯微鏡測量被測樣品的隧道電流的同時，通過頻譜分析器對隧道電流進行頻譜分 析，獲得探針的機械共振頻率及其變化，從而計算出探針和被測樣品的原子間的作用力及 其變化。
上述掃描隧道顯微鏡的測量方法中，所述探針和被測樣品的原子間的作用力Fts 計算如下
設定探針振動的動力學模型，該模型中探針的有效質量為m，有效彈性係數為k; 在自由狀態下探針機械共振的本徵頻率Otl表示為COtlE (k/m)"2。
探針在外力作用下的本徵頻率Qc；與其在自由狀態下的本徵頻率的關係為
、o^+kts/mf
此處，kts是探針所處位置的Fts力梯度。由於熱噪音始終存在，它可影響探針與被 測樣品間的距離，因而必將影響隧道電流的大小。而隧道電流與探針_樣品距離呈指數關 系，所以隧道電流對熱激發振幅十分靈敏，因而本發明的靈敏度很高。
強迫共振頻率(Oc；和自由共振頻率(Oci和力梯度kts的關係為
因此，可通過(Oci的測量來得到探針所處位置的、探針和被測物原子間作用力的梯 度kts，經積分計算便可得到其互作用力Fts。
具體使用方法可以定點測量探針-樣品間的力梯度或互作用力隨探針-樣品間離 的變化曲線，或用該力梯度為反饋量或顯示量作二維掃描。
圖4給出了利用本發明測得的隧道電流對共振頻率Oci和力梯度kts的影響。可 見，共振頻率ω^和力梯度kts均隨偏壓的增大而減小，隨著隧道電流的增加而增大。
圖5給出了利用本發明測得的力梯度與探針-樣品間距離的關係，以及由力梯度 數據積分所得的探針_樣品間的互作用力與探針-樣品間距離的關係。其中橫坐標的原點 由隧道電流公式It = Vt · G0 · 一〃確定，即以電導(It/Vt)為一個電導量子(G0)時的距離 ζ為零。
在STM裝置中，由於熱激發的始終存在，所以探針必定處於熱激發的振動中。其共 振頻率除受到探針尺寸、材質等因素的影響外，還受到探針-被測樣品表面原子間互作用 力的影響。本發明就是利用原子間互作用力對探針共振頻率的影響測量和計算探針-被測 樣品表面原子間互作用力。
權利要求
一種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡，包括設有探針(1 1)的掃描頭(1)，設置有電流/電壓轉換器(2 1)和低通電壓放大器(2 2)的前置放大器(2)，以及掃描隧道顯微鏡控制器(4)，其特徵在於還設置有頻譜分析器(3)，且所述前置放大器(2)還設置有帶通電壓放大器(2 3)，所述頻譜分析器(3)分別連接帶通電壓放大器(2 3)和掃描隧道顯微鏡控制器(4)，所述低通電壓放大器(2 2)和帶通電壓放大器(2 3)並聯，其共同輸入端連接電流/電壓轉換器(2 1)的輸出端，低通電壓放大器(2 2)的輸出端連接掃描隧道顯微鏡控制器(4)，帶通電壓放大器(2 3)的輸出端連接頻譜分析器(3)，所述探針(1 1)採用導電金屬探針。
2.—種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡的測量方法，其特徵在於採用權利要求
1的掃描隧道顯微鏡測量被測樣品的隧道電流的同時，通過頻譜分析器對隧道電流進行頻 譜分析，獲得探針的機械共振頻率及其變化，從而計算出探針和被測樣品的原子間的作用 力及其變化，所述探針和被測樣品的原子間的作用力Fts計算如下設定探針振動的動力學模型，該模型中探針的有效質量為m，有效彈性係數為k ；在自 由狀態下探針機械共振的本徵頻率。0表示為 探針在外力作用下的本徵頻率與其在自由狀態下的本徵頻率Qci的關係為 ω = [a02+kts/mf2，其中kts是探針和被測樣品間的作用力Fts的力梯度；力梯度kts與,和ω。的關係為 通過測量*得到 探針和被測樣品原子間作用力的梯度kts，經積分計算便可得到其互作用力Fts。
專利摘要
本發明提供了一種可測量原子間作用力的掃描隧道顯微鏡及其測量方法，掃描隧道顯微鏡包括設有探針的掃描頭，設置有電流/電壓轉換器和低通電壓放大器的前置放大器，以及掃描隧道顯微鏡控制器，還設置有頻譜分析器，且所述前置放大器還設置有帶通電壓放大器，所述頻譜分析器分別連接帶通電壓放大器和掃描隧道顯微鏡控制器。本發明在STM的基礎上，在測量隧穿電流的同時，能同時測得探針和被測樣品原子間的互作用力。
文檔編號G06F19/00GKCN101329248 B發布類型授權 專利申請號CN 200710031633
公開日2010年12月15日 申請日期2007年11月23日
發明者丁喜冬, 張進修, 熊小敏 申請人:中山大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (1),