專利名稱：掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡，特別涉及一種掃描探針顯微鏡所用的由單壓電掃描管驅(qū)動 的兩個方向步進(jìn)可拼圖搜索的原子精度掃描器。
技術(shù)背景掃描探針顯微鏡是唯一能工作在多種極端條件下的原子分辨率顯微鏡，其原子操縱能力 也是其它任何工具所沒有的，這使得它很快發(fā)展成為當(dāng)今納米技術(shù)的標(biāo)志，但在如下極為重 要的納米科學(xué)研究領(lǐng)域，上述優(yōu)勢形同虛設(shè)在待測樣品上的某一特定微觀區(qū)域(如特定缺 陷、雜質(zhì)原子、或指定的微器件或分子)上進(jìn)行原子成像或原子操縱，因?yàn)橐瓿蛇@一任務(wù)， 必須首先在樣品尺度(毫米范圍)進(jìn)行無間隙掃雷式搜索，直到找到待測缺陷或微器件。跳 躍地搜索不能保證搜索到，例如我們曾經(jīng)用掃描隧道顯微鏡對石墨樣品進(jìn)行過上百次的掃 描成像，雖多次清晰地觀測到原子，但沒有一次能觀測到樣品表面的缺陷，而用肉眼就能看 到在樣品上(毫米范圍)確實(shí)存在不少的臺階或缺陷。這些缺陷只有在樣品尺度內(nèi)用探針連 續(xù)無間隙地成像搜索才能找到，隨機(jī)地在樣品上成像(微米掃描范圍)恰巧找到某個缺陷的 幾率幾乎為零。能想到的一個解決辦法是用兩個壓電掃描管來構(gòu)造掃描探針顯微鏡， 一個 用于縱向粗逼近(沿樣品法向慣性滑移步進(jìn))和成像掃描，另一個用于橫向步進(jìn)搜索(沿樣 品表面慣性滑移步進(jìn))。然而該方法對于靠振動探針微桿來測力成像的掃描力顯微鏡(如原 子力顯微鏡、磁力顯微鏡等)就行不通，因?yàn)樵摲椒ㄖ刑结樅蜆悠范夹枰獞T性滑移步進(jìn)(一 個縱向、 一個橫向)，是不固定的，而我們的測量數(shù)據(jù)顯示探針微桿的振動能撼動它所處的 滑塊(滑塊有反沖)，導(dǎo)致探針微桿的振動受影響，甚至不振。該方法的其它重大缺陷包括 雙壓電掃描管的使用導(dǎo)致顯微鏡復(fù)雜性增加，不利于顯微鏡的極端條件化，且信號增多也導(dǎo) 致相互間干擾加大，不利于微弱的成像信號的精確測量。據(jù)我們調(diào)査，至今世界上仍沒有一款掃描探針顯微鏡能在探針無反沖(探針座固定)且 不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的前提下對樣品進(jìn)行毫米范圍無間隙原子分辨率成像搜索(即，各處的成 像可拼圖成完整的大圖)。 發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有掃描探針顯微鏡中所存在的重大缺陷，制造出能在探針座固定的前提下進(jìn) 行毫米以上范圍無間隙原子分辨率成像搜索的掃描探針顯微鏡掃描器。 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的技術(shù)方案是--本發(fā)明掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，包括基座、壓電掃描管、滑塊，其特征在于還包括立柱，所述壓電掃描管和立柱并排站立并固定于基座上，所述滑塊設(shè)置于壓電掃描 管和立柱的頂部，滑塊與立柱間設(shè)有凹槽以及頂在槽口或槽面的凸頂，所述凹槽是沿壓電掃 描管和立柱的排列方向的，且在該方向上滑塊與立柱間的最大靜摩擦力小于滑塊與壓電掃描 管間的最大靜摩擦力。本發(fā)明所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征也在于所述壓電掃描管與立柱的排列方向和壓電掃描管四個外電極中兩個相對電極的掃描彎曲 方向相同。所述凸頂為球形、圓錐形或圓柱形。所述的立柱與基座也可以為一體設(shè)置。所述的立柱的柱體部分可以為壓電掃描管。所述的壓電掃描管與滑塊之間可增設(shè)控制摩擦力的墊片。所述的基座上可增設(shè)固定站立于基座上的輔助壓電掃描管。本發(fā)明掃描探針顯微鏡雙步迸可拼圖掃描器的工作原理為壓電掃描管和立柱兩者并排固定于基座上，設(shè)排列方向?yàn)閆方向，定義壓電掃描管的軸 向?yàn)閅方向，與Y和Z方向皆垂直的方向?yàn)閄方向，所述滑塊設(shè)置于壓電掃描管和立柱的 頂部，滑塊與立柱間設(shè)有Z方向凹槽和頂在槽口或槽面的凸頂。此結(jié)構(gòu)在滑塊與立柱間的Z 方向最大靜摩擦力小于滑塊與壓電掃描管間的Z方向最大靜摩擦力時，僅借助上述一個壓電 掃描管就可實(shí)現(xiàn)粗逼近、細(xì)逼近、原子分辨率掃描成像和沿X方向(平行樣品表面)大尺度無間隙成像搜索四項(xiàng)功能，原理為(1) 粗逼近所述壓電掃描管沿Z方向的可控彎曲能對滑塊產(chǎn)生粗逼近所需的慣性力，只要該慣性力大于立柱與壓電掃描管對滑塊產(chǎn)生的最大靜摩擦力的合力即可產(chǎn)生Z方向慣性滑移 步進(jìn)；此時立柱與滑塊間的Z方向凹槽起導(dǎo)軌作用，保證滑塊沿Z方向步進(jìn)；若探針固定于 立柱上并指向固定于滑塊下方且面向探針的樣品(探針與樣品可對調(diào))，即可實(shí)現(xiàn)樣品與探針 間的粗逼近(或后撤)。(2) 細(xì)逼近如果所述壓電掃描管沿Z方向的彎曲控制得足夠緩慢，產(chǎn)生的慣性力小于立柱 與壓電掃描管對滑塊產(chǎn)生的最大靜摩擦力的合力，則滑塊不會相對于壓電掃描管滑移(沒有 步進(jìn))，伹由于在Z方向滑塊與立柱間的最大靜摩擦力小于滑塊與壓電掃描管間的最大靜摩擦 力，所以壓電掃描管能帶動滑塊克服滑塊與立柱間的最大靜摩擦力，產(chǎn)生z方向的無步進(jìn)可 控移動，實(shí)現(xiàn)細(xì)逼近功能；為使上述最大靜摩擦力關(guān)系得到滿足，可根據(jù)最大靜摩擦力=正 壓力x靜摩擦系數(shù)，把滑塊設(shè)計(jì)成重心靠近壓電掃描管或在滑塊與壓電掃描管之間設(shè)置彈簧 片來增加滑塊與壓電掃描管的正壓力，也可在滑塊與壓電掃描管之間增設(shè)固定在壓電掃描管上的墊片來增加滑塊與壓電掃描管之間的靜摩擦系數(shù)；(3) 原子分辨率掃描成像所述壓電掃描管沿Y方向的可控伸縮可實(shí)現(xiàn)Y掃描；而其沿X 方向的可控彎曲可實(shí)現(xiàn)X掃描，這是因?yàn)榛瑝K與立柱間的Z方向凹槽和頂在槽口或槽面的凸 頂保證了X掃描時滑塊只繞立柱轉(zhuǎn)動，不影響X掃描的精確可控性；我們已將本發(fā)明應(yīng)用于 掃描隧道顯微鏡定位器，在大氣條件下測得了清晰的石墨原子圖像(見附圖1)，證明了在原 子尺度掃描成像時滑塊只是繞立柱轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸處無滑動、搖晃或松動等不可控情況；凹槽和 凸頂只要一個在立柱上另一個在滑塊上即可，是可以調(diào)換位置的；為使凸頂在凹槽內(nèi)轉(zhuǎn)動順 利，凸頂可設(shè)計(jì)成球形、圓錐形或圓柱形。(4) 沿X方向大尺度無間隙成像搜索所述壓電掃描管沿X方向的可控彎曲能對滑塊產(chǎn)生 X方向的慣性力，只要該慣性力大于壓電掃描管對滑塊的最大靜摩擦力就可使滑塊在壓電掃 描管上沿X方向慣性滑移步進(jìn)，進(jìn)行X方向大尺度步進(jìn)搜索；這時立柱與滑塊之間因?yàn)橛胁?口或槽面與凸頂相抵，不會發(fā)生X方向移動，滑塊只是繞立柱轉(zhuǎn)動；此外，我們的數(shù)據(jù)顯示， 滑塊在壓電掃描管上沿X方向步進(jìn)的步距可以控制到小于X方向的最大掃描距離，也即，在 一次搜索(掃描成像)后步進(jìn)到下一步再搜索，兩次搜索成像的區(qū)域能夠交疊，說明X方向 步進(jìn)搜索可以是無間隙的，每一步所成的圖像可拼接成一幅完整的大圖。由上述工作原理可以看出(1)由于本發(fā)明所述立柱的柱體部分只是起一個支撐的作用， 為了讓立柱與壓電掃描管匹配以減小熱脹冷縮帶來的溫度漂移，可以將立柱柱體部分用壓電 掃描管來代替；此外，立柱與基座可以為一體設(shè)置以增加剛性，減少震動的影響；(2)為了 更容易使滑塊與立柱間的最大靜摩擦力小于滑塊與壓電掃描管間的最大靜摩擦力，所述的壓 電掃描管與滑塊之間可增設(shè)墊片；(3)立柱與滑塊之間的凸頂為球形、圓錐形或圓柱形更有 利于凸頂在凹槽內(nèi)的轉(zhuǎn)動。此外，也可在基座上增設(shè)站立并固定于基座的輔助壓電掃描管，用于獨(dú)立地相對于滑塊上的樣品或探針進(jìn)行掃描成像。根據(jù)上述原理可以看出，與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在-(1) 可以沿樣品表面(X方向)實(shí)現(xiàn)毫米量級的大范圍步進(jìn)搜索成像，各步所成圖像能夠 拼成完整的、無縫隙的大圖，且成像具有高清晰原子分辨率(見附圖l)。(2) 整個裝置僅使用了一個壓電掃描管，沒有增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，且結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)妥，非常 方便在極低溫、極強(qiáng)磁場等極端環(huán)境下使用。(3) 在相同電壓下，探針-樣品間距的可調(diào)節(jié)范圍高于現(xiàn)有技術(shù)給出的可調(diào)節(jié)范圍，因?yàn)楝F(xiàn) 有技術(shù)中掃描探針顯微鏡的探針-樣品間距調(diào)節(jié)是沿壓電掃描管的軸向，而該方向的伸 縮距離遠(yuǎn)小于本發(fā)明沿壓電掃描管橫向彎曲的距離。(4) 由于滑塊的縱、橫向慣性步進(jìn)皆通過壓電掃描管的切向彎曲來實(shí)現(xiàn)，其單位電壓彎曲距離較大，我們的數(shù)據(jù)顯示，用4V控制電壓就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，完全不需要大于18V的高 電壓就可制成全套顯微鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)粗逼近和對大起伏表面的成像，可使用價(jià)格低、 性能高、質(zhì)量好的低壓器件制作全部電路。 (5)探針-樣品間距具有高度的溫度穩(wěn)定性，因?yàn)榭墒褂门c所述壓電掃描管熱膨脹系數(shù)相近 的材料制作立柱，進(jìn)行溫漂補(bǔ)償。


圖1是用本發(fā)明制成的大氣掃描隧道顯微鏡對高序石墨(H0PG)樣品所成的圖像。圖2是本發(fā)明掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的滑塊基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明含有墊片的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明附加獨(dú)立壓電掃描管的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號l基座、2壓電掃描管、3立柱、4滑塊、5探針、6樣品、7凹槽、8凸頂、9墊片、IO輔助壓電掃描管。以下通過具體實(shí)施方式
和結(jié)構(gòu)附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:基本型掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器本發(fā)明基本型掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，包括基座l、壓電掃描管2、立柱3、滑塊4，其特征在于所述壓電掃描管2和立柱3并排站立并固定于基座 l上，其排列方向設(shè)為Z方向，所述滑塊4設(shè)置于壓電掃描管2和立柱3的頂部，滑塊4與 立柱3之間設(shè)有沿Z方向的凹槽7以及頂在槽口或槽面的凸頂8，在Z方向上，滑塊4與立 柱3間的最大靜摩擦力小于滑塊4與壓電掃描管2間的最大靜摩擦力。 本實(shí)施例的工作原理如下粗逼近時只要使壓電掃描管2沿Z方向的可控彎曲對滑塊4產(chǎn)生的慣性力大于立柱3 與壓電掃描管2對滑塊4的最大靜摩擦力的合力，即可產(chǎn)生Z方向可控慣性滑移步進(jìn)，若探 針5固定于立柱3上并指向固定于滑塊4下方且面向探針5的樣品6 (探針5與樣品6的位 置可對調(diào))，即可實(shí)現(xiàn)樣品6與探針5間的粗逼近(或后撤)。當(dāng)粗逼近至探針5探測到來自樣品6的作用(如隧道電流、原子力、磁力等)后，即可 進(jìn)行細(xì)逼近或掃描成像。細(xì)逼近時，讓壓電掃描管2沿Z方向重新緩慢彎曲，以至產(chǎn)生的慣 性力小于立柱3與壓電掃描管2對滑塊4的最大靜摩擦力的合力，此時滑塊4不會相對于壓 電掃描管2滑移，但由于在Z方向滑塊4與立柱3間的最大靜摩擦力小于滑塊4與壓電掃描 管2間的最大靜摩擦力，所以壓電掃描管2能帶動滑塊4克服滑塊4與立柱3間的最大靜摩擦力，產(chǎn)生Z方向的可控移動，實(shí)現(xiàn)探針5與樣品6的細(xì)逼近，獲得預(yù)先設(shè)定的探針5與樣 品6的相互作用。為使上述最大靜摩擦力關(guān)系得到滿足，可根據(jù)最大靜摩擦力=正壓力x 靜摩擦系數(shù)，把滑塊4設(shè)計(jì)成重心靠近壓電掃描管2或在滑塊4與壓電掃描管2之間設(shè)置彈 簧片來增加滑塊4與壓電掃描管2的正壓力，也可以在滑塊4與壓電掃描管2之間增設(shè)固定 在壓電掃描管2上的墊片來增加滑塊4與壓電掃描管2之間的靜摩擦系數(shù)。掃描成像時，讓壓電掃描管2沿Y方向的可控伸縮實(shí)現(xiàn)Y掃描，而其沿X方向的可控 彎曲實(shí)現(xiàn)X掃描；此時，滑塊4與立柱3間的Z方向凹槽7和頂在槽口或槽面的凸頂8保證 了X掃描時滑塊4只繞立柱3轉(zhuǎn)動，不影響X掃描的精確可控性；附圖l中清晰的石墨原子 圖像也證明了在原子尺度掃描成像時滑塊4只是繞立柱3轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸處無滑動、搖晃或松動 等不可控情況。凹槽7和凸頂8只要一個在立柱3上另一個在滑塊4上即可，是可以調(diào)換位 置的。當(dāng)需要沿X方向進(jìn)行大范圍無間隙成像搜索來尋找某種待測的特征結(jié)構(gòu)時，只要讓壓 電掃描管2沿X方向的可控彎曲對滑塊4產(chǎn)生大于壓電掃描管2對滑塊4的最大靜摩擦力的 慣性力，便可使滑塊4在壓電掃描管2上沿X方向慣性滑移步進(jìn)，該步進(jìn)的步距可以控制到 小于成像的X方向掃描范圍，使得各步搜索所成的像能拼接出無縫隙的完整大圖，實(shí)現(xiàn)X方 向大尺度無間隙搜索。實(shí)施例2:電極沿Z方向的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器在上述實(shí)施例l中，壓電掃描管2必須能受控在Z方向和X方向彎曲。壓電掃描管2的 電極方向任意設(shè)置均能使得壓電掃描管2必須能受控在Z方向和X方向彎曲，只是其各個電 極上的電壓信號之間的配合變得復(fù)雜。最簡單的電極方向設(shè)置為壓電掃描管2與立柱3的 排列方向和壓電掃描管四個外電極中兩個相對電極的掃描彎曲方向相同。實(shí)施例3:含有墊片的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器在上述實(shí)施例中，為了更容易使滑塊4與立柱3間的最大靜摩擦力小于滑塊4與壓電掃描管2間的最大靜摩擦力，在本發(fā)明所述的壓電掃描管2與滑塊4之間可增設(shè)墊片9(見圖3)。 實(shí)施例4:立柱與基座為一體設(shè)置的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器 上述實(shí)施例中，為了使本發(fā)明掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加簡潔穩(wěn)定，增加抗震能力，所述立柱3也可以與基座1為一體設(shè)置。實(shí)施例5:立柱柱體部分為壓電掃描管的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器 在上述實(shí)施例中，由于所述立柱3的柱體部分只是起一個支撐的作用，為了讓立柱3與壓電掃描管2匹配以減小由于熱脹冷縮帶來的溫度漂移，也可以將立柱3柱體部分用額外一個壓電掃描管來代替。實(shí)施例6:圓形凸頂?shù)膾呙杼结橈@微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器在上述實(shí)施例中，為了更有利于凸頂8在凹槽7內(nèi)的轉(zhuǎn)動，立柱3與滑塊4之間的凸頂 8可為球形、圓錐形或圓柱形。實(shí)施例7:增設(shè)輔助壓電掃描管的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器在上述實(shí)施例中，也可在基座上增設(shè)站立并固定于基座的輔助壓電掃描管用于獨(dú)立地相 對于滑塊4上的樣品或探針進(jìn)行掃描成像。
權(quán)利要求
1、一種掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，包括基座、壓電掃描管、滑塊，其特征在于還包括立柱，所述壓電掃描管和立柱并排站立并固定于基座上，所述滑塊設(shè)置于壓電掃描管和立柱的頂部，滑塊與立柱間設(shè)有凹槽以及頂在槽口或槽面的凸頂，所述凹槽是沿壓電掃描管和立柱的排列方向的，且在該方向上滑塊與立柱間的最大靜摩擦力小于滑塊與壓電掃描管間的最大靜摩擦力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征在于所述壓電掃描管 與立柱的排列方向和壓電掃描管四個外電極中兩個相對電極的掃描彎曲方向相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征在于所述凸頂為球形、 圓錐形或圓柱形。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征在于所述的立柱與基 座可為一體設(shè)置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征在于所述的立柱的柱 體部分可以為壓電掃描管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4或5所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征在于 所述的壓電掃描管與滑塊之間可增設(shè)控制摩擦力的墊片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，其特征在于所述基座上可增 設(shè)站立并固定于基座的輔助壓電掃描管。
全文摘要
本發(fā)明掃描探針顯微鏡雙步進(jìn)可拼圖掃描器，屬掃描探針顯微鏡領(lǐng)域，包括基座(1)、壓電掃描管(2)、滑塊(4)，還包括立柱(3)，所述壓電掃描管和立柱并排站立并固定于基座上，滑塊設(shè)置于所述壓電掃描管和立柱的頂部，滑塊與立柱間設(shè)有凹槽(7)以及頂在槽口或槽面的凸頂(8)，所述凹槽是沿壓電掃描管和立柱的排列方向的，且在該方向上滑塊與立柱間的最大靜摩擦力小于滑塊與壓電掃描管間的最大靜摩擦力。本發(fā)明不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，僅需一個壓電掃描管就能使探針在無反沖的前提下進(jìn)行毫米以上范圍原子分辨率成像搜索，其結(jié)構(gòu)極為簡單、緊湊，方便其在各種極端環(huán)境下使用，能大大地降低控制信號間的干擾，并能減少溫漂，提高穩(wěn)定性。
文檔編號G01N13/10GK101403679SQ20081019486
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月21日
發(fā)明者龐宗強(qiáng), 王霽暉, 陸輕鈾 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)