高精密掃描隧道顯微鏡及原子力顯微鏡研制.pdf

1、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡是掃描探針顯微鏡家族里應(yīng)用最為廣泛的兩種顯微鏡。它們擁有原子分辨、原子搬運(yùn)、納米微加工等共同的功能性特征，但因二者的工作原理的不同，它們得到的結(jié)果所反映的樣品表面信息是完全不同的。掃描隧道顯微鏡測(cè)量的是樣品表面的電子態(tài)，它得到的結(jié)果反映的是樣品表面的電子態(tài)分布的信息。雖然具有原子分辨率，但掃描隧道顯微鏡并不能測(cè)量到樣品的真結(jié)構(gòu)。
　　 而原子力顯微鏡測(cè)量的是探針原子與樣品原子之間的相互作用力，因而它得

2、到的圖像反映的是樣品表面真實(shí)的原子排列信息，即：樣品的真結(jié)構(gòu)。但，原子力顯微鏡不能測(cè)量到可與理論比較的電子態(tài)的信息。所以掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡是互補(bǔ)的。
　　 目前世界上商業(yè)和自制的掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡非常多，也已經(jīng)很成熟，但絕大部分都需要在高電壓（高于100V）的條件下才能工作，原因在于他們用于粗逼近（進(jìn)針）的壓電步進(jìn)馬達(dá)需要高壓才能工作。使用高電壓就必須要使用諸如高壓運(yùn)算放大器，高壓三極管等高壓元器件，這就帶來

3、了漏電流大、精度低、噪音大、溫漂大等一些列的缺點(diǎn)，同時(shí)高電壓的使用也帶來了高成本和高不安全因素。而且這些在高電壓下工作的壓電步進(jìn)馬達(dá)大多體積比較大、結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜，因而基于這些步進(jìn)馬達(dá)而設(shè)計(jì)的掃描探針顯微鏡鏡體的體積就比較大，也比較復(fù)雜，這些因素都不利于將他們集成為一體以及植入到各種極端環(huán)境中。
　　 為了克服以上的缺點(diǎn)，我們?cè)谑澜缟鲜状翁岢隽巳蛪簰呙杷淼里@微鏡的概念，發(fā)明了縱橫轉(zhuǎn)置橫向隧道結(jié)調(diào)節(jié)技術(shù)，徹底的放棄了高壓，從而避

4、免了因高壓的使用而帶來的各種缺點(diǎn)與危害。傳統(tǒng)技術(shù)利用的是壓電掃描管的軸向壓電位移（單位低壓產(chǎn)生的位移值較小）來產(chǎn)生慣性步進(jìn)（粗逼近），這就需要用高壓才能產(chǎn)生足夠大的慣性力，從而克服摩擦力，產(chǎn)生步進(jìn)。為了能在低壓（小于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低壓器件的電源電壓15V）下實(shí)現(xiàn)粗逼近，我們利用壓電掃描管切向位移遠(yuǎn)大于軸向位移的特點(diǎn)，把傳統(tǒng)掃描探針顯微鏡的探針-樣品結(jié)轉(zhuǎn)90°（橫過來）使用，在此縱橫轉(zhuǎn)置橫向隧道結(jié)調(diào)節(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上研制成功了能在低電壓（4V）下行

5、走的慣性步進(jìn)馬達(dá)，從而在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了全低壓下工作的掃描隧道顯微鏡（也適用于其它掃描探針顯微鏡），在室溫大氣條件下采用剪刀剪切的鉑銥合金探針就獲得了可與低溫超高真空條件下使用電化學(xué)腐蝕的鎢針相媲美的極清晰石墨原子圖像（原始數(shù)據(jù)）。在我主持開發(fā)的縱橫轉(zhuǎn)置掃描隧道顯微鏡基礎(chǔ)上，改進(jìn)版（由龐宗強(qiáng)完成）的慣性馬達(dá)能夠在全低壓的環(huán)境下進(jìn)行二維方向的步進(jìn)，基于此馬達(dá)的掃描探針顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍無間隙原子精度的搜索成像（可搜索樣品表面稀少但重要

6、的缺陷、器件等）。
　　 縱橫轉(zhuǎn)置橫向隧道結(jié)調(diào)節(jié)技術(shù)采用兩個(gè)掃描管并列固定在同一個(gè)基座上，二者之間的間距在一個(gè)毫米以內(nèi)。因?yàn)閮蓚€(gè)掃描管是完全相同的，因而在壓電掃描管的軸向方向的熱漂移得到極大的補(bǔ)償（抵消），同時(shí)兩個(gè)全同掃描管的并列站立的結(jié)構(gòu)也補(bǔ)償了外界的干擾對(duì)隧道結(jié)的影響。本結(jié)構(gòu)中決定熱漂移的因素是兩個(gè)掃描管之間的基座，但我們采用的是藍(lán)寶石基座，他的導(dǎo)熱性能非常好，熱脹系數(shù)也很小，同時(shí)兩個(gè)掃描管的相鄰兩面之間的間距不到1mm，因

7、而基座的熱脹冷縮效應(yīng)對(duì)隧道結(jié)的影響可以忽略，所以我們的全低壓橫向隧道結(jié)掃描隧道顯微鏡是高度熱穩(wěn)定的，非常適合于在變溫的場(chǎng)合使用。更重要的是利用本技術(shù)制作的鏡體的體積非常小，能很容易的植入到各種極端環(huán)境中?；谶@種縱橫轉(zhuǎn)置橫向隧道結(jié)調(diào)節(jié)技術(shù)，我們目前正在研制能植入到O52mm20T超強(qiáng)磁體中的世界最強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡。
　　 在掃描隧道顯微鏡領(lǐng)域，當(dāng)前有文獻(xiàn)可查的前置放大器的電流分辨率最高只有50fA，前置放大器分辨率太低限制了

8、STM在不良導(dǎo)體或絕緣體領(lǐng)域的應(yīng)用。我們自主開發(fā)的超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器，使探針接真地以減少傳統(tǒng)探針接虛地帶來的針尖電場(chǎng)干擾問題，并采用極高輸入阻抗的二級(jí)去偏壓測(cè)量方法，配之上面提到的全低壓技術(shù)，得到了在掃描隧道顯微鏡領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)紀(jì)錄的10fA的電流分辨率，這也將有助于將掃描隧道顯微鏡向絕緣體領(lǐng)域拓展，對(duì)于利用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行不良導(dǎo)體（如生物樣品）甚至絕緣體的研究有重要的意義。電路采用兩級(jí)放大的形式，前后級(jí)電路通過電橋方

9、式連接以去除輸出信號(hào)中的偏壓分量，從而得到正確的輸出值。利用極高的二級(jí)輸入阻抗來降低二級(jí)放大對(duì)一級(jí)信號(hào)的畸變，提高整個(gè)放大器的精度。全部的測(cè)量器件均為高精度的低壓器件。
　　 我們擁有發(fā)明專利權(quán)的雙通道差分抗干擾電流放大電路采用完全對(duì)稱的電路形式，擁有極高的抗電磁干擾的能力，有效地壓制共模信號(hào)的干擾，能在完全無屏蔽的情況下測(cè)量到皮安（pA）甚至飛安（fA）級(jí)的極弱電流信號(hào)，這在國(guó)際上也未見有過報(bào)道。在微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)

10、用，也能極大的提高掃描隧道顯微鏡的抗干擾能力。
　　 在控制器方面，我們（王霽暉負(fù)責(zé)開發(fā)，我參與調(diào)試）在PXI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上使用Labview圖形化編程語言自行開發(fā)出了控制掃描探針顯微鏡的控制系統(tǒng)。和商業(yè)控制器相比，自主開發(fā)具有靈活、易用的特點(diǎn)，而且所消耗的費(fèi)用要遠(yuǎn)低于購(gòu)買商業(yè)控制器。而且，Labview的簡(jiǎn)單易學(xué)，直觀形象的特點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)化控制軟件開發(fā)的難度，加快開發(fā)的速度。
　　 在縱橫轉(zhuǎn)置掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上，我們

11、目前正在研制低溫超高真空調(diào)頻原子力顯微鏡。其鏡體主體和20T-STM大體上相似。我們放棄傳統(tǒng)的采用激光來構(gòu)建振蕩環(huán)路的機(jī)制，采用基于石英晶體的“qPlus”探針，利用石英晶體的壓電效應(yīng)來構(gòu)建振蕩環(huán)路，同時(shí)研制成功了兩種自動(dòng)增益控制電路，實(shí)現(xiàn)了“qPlus”探針的高穩(wěn)定振蕩。在頻率測(cè)量方面，我們（由同組成員施易智建成，用于我負(fù)責(zé)建造與調(diào)試的AFM上）開發(fā)出了頻率分辨率為3mHz的鎖相環(huán)（PLL），優(yōu)于世界著名的商業(yè)產(chǎn)品easyPLL。目前

12、整個(gè)AFM系統(tǒng)已經(jīng)搭建完畢，已經(jīng)進(jìn)入液氦調(diào)試階段。雖還沒有獲得原子分辨率圖像，但已經(jīng)獲得了正確而干凈的原子力梯度與探針一樣品間距的關(guān)系曲線f'=f（d）。
　　 鑒于原子級(jí)別的測(cè)量對(duì)減振、隔振的超高要求，我們參考引力波測(cè)量的超級(jí)減振裝置，自行設(shè)計(jì)了一種多層縱橫向減振與多級(jí)懸吊減振系統(tǒng)。它由較重的鋼磚和減振橡膠球?qū)盈B而成，每層的橡膠球都具有縱橫向減振的功能，桌面由穿過鋼磚疊層的吊繩吊起，多層縱橫向減振效果的疊加，達(dá)到極好的減振效果