具有增強電子云作用的掃描探針及掃描隧道顯微鏡的製作方法
2023-07-05 21:41:51
專利名稱:具有增強電子云作用的掃描探針及掃描隧道顯微鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及掃描隧道顯微鏡，特別涉及掃描隧道顯微鏡用的掃描探針的結構改進。
背景技術：
掃描隧道顯微鏡(STM)是觀測物質微觀結構的重要設備，其工作機理是根據量子力學的隧道貫穿原理。當勢壘的勢能比粒子動能大時，粒子越過壁壘區而出現在勢壘另一邊的機率不為零。材料表面電子在表面外形成一層電子云，這層電子云的縱向和橫向分布由樣品材料及表面微觀結構決定。STM的針尖與樣品間設有一定偏置電壓，當針尖和樣品非常接近時，根據量子力學公式，針尖與樣品間距離越近，勢壘越低，電子的穿透係數越大，形成的隧道電流隨勢壘寬度的縮小按指數規律增大。隧道電流隨勢壘寬度的變化是非常靈敏的，利用這一效應，掃描隧道顯微鏡可以達到0.01nm的縱向解析度(Z向)。被測樣品材料的成分和微結構不同，上述電子云分布會有很大區別，同時其表面電子的析出率、電子能量的大小、勢壘的高低等等也會有較大差異。測量時被觀測樣品應具有一定的導電性，材料表面電子云達到一定的強度，才可以產生穩定的隧道電流。對於半導體和絕緣體來說，材料表面電子云強度不夠，無法形成穩定的隧道電流，因此，現有技術中，非良導體的微觀結構尚不能通過掃描隧道顯微鏡觀測。
本發明的目的在於，在現有的掃描隧道顯微鏡掃描探針上增設場增強層，增強被測樣品表面電子云的分布，使現有的掃描隧道顯微鏡能用以觀測半導體、非導體材料。
本發明的目的由以下方式實現。
本發明的具有增強電子云作用的場增強掃描探針，包括由金屬製成的現有掃描隧道顯微鏡的掃描探針，其特徵在於，在該掃描探針外表面設有兩層鍍層，與探針表面直接接觸層是絕緣鍍層，外層為貴重金屬鍍層，在該貴重金屬鍍層上設置連有導線的電極；其中絕緣鍍層厚度在10～20微米之間，最好是10～15微米；貴重金屬鍍層厚度在40～200微米之間，最好是50～60微米；貴重金屬鍍層下端面與掃描針尖的垂直距離為150～500微米，最好為200～300微米；貴重金屬鍍層長度大於15mm；所述貴重金屬是適合於用作金屬鍍層的貴重金屬。
本發明的掃描隧道顯微鏡，包括設有XY向掃描裝置的基座、Z向反饋高度控制器和壓電陶瓷掃描器、微電流放大器、超淨控制電壓源、掃描探針以及微機主控系統，掃描探針的接入電壓為1～2V的正偏壓，其特徵在於，所述掃描探針是具有上述增強電子云作用的掃描探針，該掃描探針包括現有掃描隧道顯微鏡的掃描探針，以及在該掃描探針外表面設有的絕緣鍍層和貴重金屬鍍層，在該貴重金屬鍍層上設置連有導線的電極，該導線與超淨控制電壓源場增強偏壓輸出埠接通，超淨控制電壓源中的場增強偏壓放大模塊是通用的高壓放大模塊，此高壓放大模塊與計算機DA卡相應埠接通；所述貴重金屬鍍層的接入電壓為50～300V正偏壓。
本發明的掃描隧道顯微鏡，在現有掃描探針上增加了絕緣鍍層和貴重金屬鍍層，內層探針接入電壓為1～2V的正偏壓(相對於樣品)，貴重金屬鍍層的接入電壓為50～300V正偏壓(相對於樣品)。由量子力學原理，外場的增強，可以降低勢壘。同時，增強外場，可以增加自由電子的能量，提高材料表面電子析出率，這些因素對於非良導體的隧道電流的檢出都有正面影響。若簡單從提高原STM掃描針尖與樣品間偏置電壓入手，在大偏壓作用下，針尖與樣品間的大電場會使針尖產生場致擴散；當偏壓大於或等於兩個電極的功函數時，會產生場發射及共振隧穿現象，也導致針尖和表面形貌的改變。採用本發明的方案，場增強鍍層距樣品表面較遠(相對於掃描探針而言)，上面提到的大偏壓帶來的影響可以忽略。在場增強鍍層提高偏壓的同時，掃描探針與樣品間仍然維持常規的1～2V的偏壓，可以穩定可靠的檢出隧道電流。在恆流模式下，貴重金屬鍍層的正偏壓在掃描全程為探測點提供恆定場強，使掃描區域電子云提升均勻。掃描探針進行XY向掃描時，隧道電流值得以提高，為提高隧道電流採樣精度創造了條件。採樣的隧道電流數據是後續掃描高度控制、顯示的基礎，提高其精度可從根本上提高成像對比度和信噪比，這樣常規掃描隧道顯微鏡無法觀測的半導體、非導體也能被很好的觀測。
下面通過實施例和附圖做進一步的說明。
圖1是本發明的具有增強電子云作用的掃描探針的實施例結構示意圖。
圖2是本發明的掃描隧道顯微鏡系統實施例示意圖。
圖3是本發明的掃描隧道顯微鏡系統中超淨控制電壓源實施例示意圖。
具體實施方式
參見圖1，掃描探針1為現有的掃描探針，是採用高純度鎢絲並經電化學腐蝕製成極細的針尖或採用鉑銥合金絲拉剪而成。鎢絲直徑約為500微米左右，鉑銥合金絲直徑約為250微米左右。絕緣層2為高介電常數材料鍍層，常用材料為二氧化矽、氧化鉿等。外層為貴重金屬鍍層，常用材料為適合於作為金屬鍍層的貴重金屬，如金、銀、鉑、鉻、鈦、銅、鎳、鉛、鋅、鎘、錫、鎳鋅合金等。金屬鍍層3的下端面與掃描針尖間的垂直距離為150～500微米。絕緣層2的長度略長於金屬鍍層3的長度，以保證其絕緣作用。電極4焊連在金屬鍍層上，通過導線5與超淨控制電壓源接通。
參見圖2，整個系統採用基座6與Z向陶瓷掃描器7分開的布局，XY向陶瓷掃描器安裝在基座6內腔中(XY向掃描驅動高壓從超靜控制電壓源8引入)，用以實現水平方向掃描。Z向壓電陶瓷封裝時，管體下端蓋預留夾持場增強掃描探針9的結構，便於施加掃描偏壓。從設置在貴重金屬鍍層上的電極引出導線5，該導線與超淨控制電壓源8接通。實際觀測時，樣品10固定在基座6上。從樣品上引出的隧道電流通過微電流放大器11放大，放大後的信號引入Z向反饋高度控制器12，經過反饋控制，控制信號接入超靜控制電壓源8，同時反饋信號接入計算機主控系統13。
參見圖3，在現有掃描隧道顯微鏡中，超淨控制電壓源用以提供系統所需的多種電壓及相關的控制電路。為了使各電壓相互間影響最小，通常採用多變壓器方式。圖中左邊的虛線框內是電壓轉換電路，14是外接交流電源(220V)，15是電壓變換及整流模塊，16是濾波及穩壓模塊，該部分分別從埠17、18、19輸出±15V、+5V、±165V直流電壓。其中+5V用來隔離計算機發出的TTL控制信號，並為選通控制晶片提供足夠的電流；±15V用來為微電流放大器、Z向反饋高度控制器和部分MUX多路開關供電；±165V為高壓放大模塊供電。圖中右上的虛線框內是為壓電陶瓷提供掃描驅動高壓及提供掃描偏壓的電路。XY掃描信號由計算機DA卡經DA卡接口20引入，經濾波、放大模塊21、22處理，其輸出通過埠23、24驅動XY向壓電陶瓷。Z向掃描信號(從圖中25埠引入)為Z向高度反饋信號，經過高壓放大模塊26放大，從埠27輸出，直接控制Z向壓電陶瓷進行Z向掃描。1～2V的掃描偏壓從計算機DA卡引入，經DA卡接口20直接輸出，輸出埠為圖中28號埠。以上兩部分是現有掃描隧道顯微鏡的超淨控制電壓源中常用電路。圖中右下虛線框內為提供場增強偏壓的電路，場增強偏壓從DA卡接口20引入偏壓信號，經過高壓放大模塊29放大(採用高壓放大器PA41)，經埠30與金屬膜層電極上的導線5相連。
權利要求
1.一種具有增強電子云作用的場增強掃描探針，包括由金屬製成的現有掃描隧道顯微鏡的掃描探針，其特徵在於，在該掃描探針外表面設有兩層鍍層，與探針表面直接接觸層是絕緣鍍層，外層為貴重金屬鍍層，在該貴重金屬鍍層上設置連有導線的電極；其中絕緣鍍層厚度在10～20微米之間，貴重金屬鍍層厚度在40～200微米之間，貴重金屬鍍層下端面與掃描針尖的垂直距離為150～500微米，貴重金屬鍍層長度大於15mm；所述貴重金屬是適合於用作金屬鍍層的貴重金屬。
2.如權利要求
1所述的場增強掃描探針，其特徵在於，所述絕緣鍍層厚度最好是10～15微米。
3.如權利要求
1所述的場增強掃描探針，其特徵在於，所述貴重金屬鍍層厚度最好是50～60微米；
4.如權利要求
1所述的場增強掃描探針，其特徵在於，所述貴重金屬鍍層下端面與掃描針尖的垂直距離最好為200～300微米
5.一種具有增強電子云作用的掃描隧道顯微鏡，包括設有XY向掃描裝置的基座、Z向反饋高度控制器和壓電陶瓷掃描器、微電流放大器、超淨控制電壓源、掃描探針以及微機主控系統，掃描探針的接入電壓為1～2V的正偏壓，其特徵在於，所述掃描探針是具有上述增強電子云作用的掃描探針，該掃描探針包括現有掃描隧道顯微鏡的掃描探針，以及在該掃描探針外表面設有的絕緣鍍層和貴重金屬鍍層，在該貴重金屬鍍層上設置連有導線的電極，該導線與超淨控制電壓源場增強偏壓輸出埠接通，超淨控制電壓源中的場增強偏壓放大模塊是通用的高壓放大模塊，此高壓放大模塊與計算機DA卡相應埠接通；所述貴重金屬鍍層的接入電壓為50～300V正偏壓。
專利摘要
本發明涉及掃描隧道顯微鏡的結構改進，特別涉及其掃描探針的結構改進。所述場增強掃描探針，是在現有掃描隧道顯微鏡掃描探針的外表面設有兩層鍍層，與探針表面直接接觸層是絕緣鍍層，外層為貴重金屬鍍層，在該貴重金屬鍍層上設置連有導線的電極。該電極的引出導線與超淨控制電壓源場增強偏壓輸出埠接通，超淨控制電壓源中的場增強偏壓放大模塊是通用的高壓放大模塊，此高壓放大模塊與計算機DA卡相應埠接通。所述掃描隧道顯微鏡掃描探針的接入電壓為1～2V的正偏壓，貴重金屬鍍層的接入電壓為50～300V正偏壓。本發明在現有的掃描隧道顯微鏡掃描探針上增設場增強層，增強被測樣品表面電子云的分布，從而使掃描隧道顯微鏡能用以觀測半導體、非導體材料。
文檔編號G01Q60/16GKCN1570600SQ200410014818
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日
發明者楊聖, 江兵 申請人:中國科學技術大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan