專利名稱:掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)及其測量技術(shù)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種掃描隧道顯微鏡與掃描微電極聯(lián)用測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
1982年，國際商業(yè)機器公司(IBM)蘇黎世實驗室Binnig等研制成功第一臺掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)，其基本原理是利用量子理論中的隧道效應，通過掃描微探針檢測樣品表面電子態(tài)密度分布，從而間接得到樣品表面形貌。STM的出現(xiàn)使得人們有可能在原位、實時獲得具有原子空間分辨度的表面形貌和結(jié)構(gòu)，STM又進一步激發(fā)了其它各種掃描微探針顯微(SPM)新技術(shù)的不斷推出，并極大地推動了整個納米科技的快速發(fā)展。至今，SPM已成為觀測物質(zhì)表面形貌結(jié)構(gòu)和進行表面微加工的最有力工具之一。
然而，隨著研究的深入和科技的發(fā)展，掃描微探針(SPM)技術(shù)的若干關鍵性的弊端和不足愈加顯現(xiàn)，單一的掃描微探針技術(shù)已難以滿足復雜的綜合研究，如SPM只適合于對高取向表面結(jié)構(gòu)的觀測，而對大部分多晶或非晶材料的SPM圖像解釋難度大；SPM只有表面微觀相貌的敏感性，但缺乏表面微區(qū)的化學性質(zhì)敏感性，表面微觀相貌難以與表面微區(qū)的物理化學特性相互關聯(lián)。鑒此，發(fā)展復合型的掃描微探針技術(shù)成為當今國際間竟相研究的一個重要課題。顯然，人們已不滿足于掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡等只給出的高取向結(jié)構(gòu)表面的原子形貌，而希望獲得更多的微區(qū)化學活性的信息，并使得微區(qū)形貌結(jié)構(gòu)-化學活性的綜合信息相互關聯(lián)，使得對物質(zhì)世界的認識不斷得以深化。為了從高空間分辨水平認識組分—結(jié)構(gòu)—化學活性之間的綜合信息的相互關聯(lián)，國際上已開始探索研制STM/SNOM(掃描近場光學顯微鏡，Scanning Nearfield Optical Microscope)聯(lián)用技術(shù)，試圖同時測量微區(qū)形貌結(jié)構(gòu)和化學組分；發(fā)展STM/SECM(掃描電化學顯微鏡，Scanning ElectrochemicalMicroscope)聯(lián)用，試探同時測量微區(qū)形貌結(jié)構(gòu)和化學活性；發(fā)展CFM(化學力顯微鏡，Chemical Force Microscope)與AFM(原子力顯微鏡，Atomic Force Microscope)聯(lián)用，試探同時測量微區(qū)形貌結(jié)構(gòu)和化學組分的信息，這些極具創(chuàng)新性的復合型掃描微探針聯(lián)用技術(shù)的研究雖然還只是剛剛起步，但已引起國際間極大的興趣和重視，成為一個重要的研究熱點和發(fā)展的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可同時測量具有納米分辨度的表面形貌圖像和具有微米分辨度的表面微區(qū)電化學活性分布圖像，以實現(xiàn)對表面形貌結(jié)構(gòu)—化學活性的相互關聯(lián)研究的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)及測量技術(shù)。
本發(fā)明所說的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)由4個單元組成掃描隧道顯微鏡(STM)測量平臺，掃描微探針及控制/驅(qū)動單元；隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元及測量信號的控制和處理單元。STM測量平臺是基于開放型的商用STM儀器。所說的掃描微探針及控制/驅(qū)動單元包括掃描微探針、X-Y-Z三維壓電微掃描器和步進電機驅(qū)動X-Y二維機械掃描器，其中掃描微探針為Pt-Ir合金絲，采用電化學刻蝕法或機械剪切法制備掃描微探針的尖端，采用聚甲基苯乙烯對掃描微探針尖端進行包封，該掃描微探針可同時檢測隧道電流和電化學電位信號；壓電微掃描器用于測量表面隧道電流，掃描范圍30-100μm2，步進電機驅(qū)動的X-Y二維機械掃描用于測量表面電化學電位分布信號。以隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，通過步進電機的粗調(diào)和Z軸壓電微調(diào)控制微探針尖端與樣品表面的精確距離。隧道電流信號和微區(qū)電位信號的測量單元包括隧道電流的前置信號轉(zhuǎn)換/放大和反饋電路和微區(qū)電位信號的前置信號轉(zhuǎn)換/放大電路，隧道電流的前置信號轉(zhuǎn)換/放大和反饋電路與商用STM隧道電流測量電路相同。微區(qū)電位信號的前置信號轉(zhuǎn)換/放大電路的前置放大器由阻抗變換和差分放大二級電路組成，信號首先經(jīng)二個高輸入阻抗的跟隨緩沖放大器，其輸出信號再經(jīng)儀用放大器作減法處理而獲得電位相對差值，即由參考探針測得表面的平均電位，由掃描微探針測得樣品表面不同區(qū)域的局部電位，二者的相對電位差值作為微區(qū)電位測量信號。測量信號的控制和處理單元為16位ADC處理器，經(jīng)隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元獲取的微區(qū)電位測量信號和STM測量信號均通過一個電子開關，直接送16位ADC處理變換為數(shù)值信號，隨后進一步將信號放大、處理和分析。
所說的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量技術(shù)為基于掃描隧道顯微鏡測量原理和掃描微電極測量表面電化學電位原理相結(jié)合而建立的聯(lián)用測量技術(shù)，通過同一只掃描微探針同時檢測表面隧道電流和電化學電位分布信號，以測量到的隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，定量控制掃描微電極尖端與樣品表面的距離。通過測量到的表面隧道電流和電化學電位分布信號獲取納米分辨度的表面形貌圖像和表面微區(qū)電化學活性分布圖像，實現(xiàn)對表面形貌結(jié)構(gòu)—化學活性的相互關聯(lián)研究。
由于掃描隧道顯微鏡和掃描微電極兩種技術(shù)的測量原理不同掃描隧道顯微鏡測量原理是根據(jù)量子力學中的隧道效應，通過掃描微探針檢測樣品表面的隧道電流，實現(xiàn)表面形貌圖像的測量；而掃描微電極的測量是基于電化學原理，通過掃描微電極檢測電極/溶液界面電場分布，從而獲得表面電位分布圖像。二者測量的分辨度也顯然不同，前者分辨度為原子或納米量級，后者分辨度一般為微米量級。本發(fā)明利用同一只掃描微探針同時檢測表面隧道電流和測量表面電位分布，以壓電微掃描和步進電機機械掃描進行兩種掃描測量模式的互換，并利用隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，從而克服了傳統(tǒng)掃描微電極法測量表面微區(qū)電化學腐蝕電位分布時，難以定量控制掃描微電極尖端與樣品表面距離的技術(shù)難題，實現(xiàn)了掃描微電極尖端與樣品表面距離的定量控制，可顯著提高測量表面微區(qū)電化學電位分布的空間分辨度。該系統(tǒng)可同時測量同一區(qū)域的具有納米分辨度的表面形貌圖像和表面微區(qū)電化學活性分布圖像，實現(xiàn)對表面形貌結(jié)構(gòu)—化學活性的相互關聯(lián)研究，為多種表面空間分辨測量技術(shù)提供一種能夠相互結(jié)合、優(yōu)勢互補、關聯(lián)研究的開放平臺，對于促進表面物理化學的研究具有重要的科學意義，而且該掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)可成為一種商用的科學儀器，具有廣泛的應用前景。



圖1為掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)的示意框圖。
圖2為STM前置放大器和電化學微區(qū)電位信號前置放大器工作原理圖。
圖3為掃描微探針示意圖。
圖4為應用本發(fā)明聯(lián)用測量系統(tǒng)獲得的2205雙相不銹鋼表面STM形貌圖。
圖5為應用本發(fā)明聯(lián)用測量系統(tǒng)實際測量的18/8奧氏體不銹鋼暴露在5％ FeCl3溶液中表面電化學腐蝕電位的分布圖像。
圖6為應用本發(fā)明聯(lián)用測量系統(tǒng)實際測量的18/8奧氏體不銹鋼暴露在5％ FeCl3溶液中表面電化學腐蝕電位的分布圖像(a)和腐蝕活性點的STM形貌圖(b)。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明做詳細說明。
掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)由4個單元組成掃描隧道顯微鏡(STM)測量平臺，掃描微探針及控制/驅(qū)動單元隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元及測量信號的控制和處理單元。STM測量平臺為開放式的商用STM儀器，見圖1，掃描微探針及控制/驅(qū)動單元包括掃描微探針21、X-Y-Z三維壓電微掃描器22和步進電機驅(qū)動X-Y二維機械掃描器23，其中掃描微探針為直徑為0.3mm的Pt-Ir合金絲(見圖3)，采用機械剪切法制備掃描微探針尖端，尖端直徑為納米量級，采用聚甲基苯乙烯對掃描微探針尖端進行包封，該掃描微探針可同時檢測隧道電流和電化學電位信號；壓電微掃描器用于測量表面隧道電流，掃描范圍30-100μm2，步進電機機械掃描用于測量表面電化學電位分布信號。以隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，通過步進電機的粗調(diào)和Z軸壓電微調(diào)控制微探針尖端與樣品表面的精確距離。隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元包括隧道電流的前置信號轉(zhuǎn)換/放大和反饋電路31和微區(qū)電位信號的前置信號轉(zhuǎn)換/放大電路32，參見圖2，隧道電流的前置信號轉(zhuǎn)換/放大和反饋電路同商用STM隧道電流測量電路。微區(qū)電位信號的前置信號轉(zhuǎn)換/放大電路的前置放大器由阻抗變換和差分放大二級電路組成，信號首先經(jīng)二個高輸入阻抗的跟隨緩沖放大器，其輸出信號再經(jīng)儀用放大器作減法處理而獲得電位相對差值，即由參考探針測得表面平均電位，由掃描微探針測得樣品表面局部電位，二者的相對電位差值作為微區(qū)電位測量信號。測量信號的控制和處理單元4為16位ADC處理器，經(jīng)隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元獲取的微區(qū)電位測量信號和STM測量信號均通過一個電子開關，直接送16位ADC處理變換為數(shù)值信號，隨后進一步將信號放大、處理和分析。
圖4和圖5為應用掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)實際測量2205雙相不銹鋼暴露在不同環(huán)境中的表面STM形貌圖像和18/8奧氏體不銹鋼暴露在5％ FeCl3溶液中表面電化學腐蝕電位的分布圖像。STM測試的主要條件為It＝1nA，Vbias＝0.08V。實驗樣品選用2205雙相不銹鋼和18-8奧氏體不銹鋼。樣品用水磨砂紙由粗到細打磨至2000#，再分別用1μm和0.3μm的Al2O3粉拋光至鏡面，用乙醇和去離子水清洗，自然干燥后待用。2205雙相不銹鋼樣品預先在1.5mol/L HNO3+0.1mol/L NaCl體系中進行動電位掃描以獲得明顯的兩相形貌差異。首先對樣品進行空氣中STM表面形貌的測量，結(jié)果如圖4(a)所示，表明本聯(lián)用測量系統(tǒng)可清楚指示雙相不銹鋼表面微觀形貌結(jié)構(gòu)。然后在樣品表面滴加0.1mol/LNaCl溶液，并在同一掃描測量位置進行原位STM表面形貌的測試。結(jié)果如圖4(b)所示。表明本聯(lián)用測量系統(tǒng)可用于測量水溶液中的材料表面結(jié)構(gòu)形貌，有利于進行STM原位測量，研究表面結(jié)構(gòu)形貌的動態(tài)行為及影響因素。
以Pt-Ir合金電極為掃描微探針測量18/8奧氏體不銹鋼在5％FeCl3溶液中表面電化學腐蝕電位分布圖像。與STM測量過程一樣，首先使掃描微探針自動逼近樣品表面，直至檢測到隧道電流后停止進針，然后通過計算機程序?qū)呙栉⑻结樝蛏?Z方向)移動5μm，即實現(xiàn)對于測量表面電化學電位分布時，掃描微電極尖端與樣品表面的距離定量自動控制。然后再加入5％FeCl3溶液，進行微區(qū)電化學電位的掃描測量，掃描面積為5mm×5mm。表面電化學電位分布圖測量結(jié)果示于圖5。5(a)為灰度等電位圖，圖5(b)為對應的三維立體電位分布圖。結(jié)果表明本發(fā)明掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)不僅可測量STM表面結(jié)構(gòu)形貌，而且還可以檢測表面微區(qū)電化學腐蝕電位的分布圖像。
圖6為應用本發(fā)明聯(lián)用測量系統(tǒng)實際測量的18/8奧氏體不銹鋼暴露在5％ FeCl3溶液中表面電化學腐蝕電位的分布圖像(a)和腐蝕活性點的STM形貌圖(b)。首先使掃描微探針自動逼近樣品表面，直至檢測到隧道電流后停止進針，然后通過計算機程序?qū)呙栉⑻结樝蛏?Z方向)移動5μm。然后再加入5％FeCl3溶液，進行微區(qū)電化學電位的掃描測量，掃描面積為5mm×5mm。表面電化學電位分布測量結(jié)果以三維立體圖的形式示于圖6(a)。從圖6(a)可見不銹鋼表面有多個腐蝕活性點，選擇其中一個最明顯的腐蝕活性點，再將掃描微探針移到該位置，進行STM掃描測量，STM形貌測量結(jié)果示于圖6(b)。圖6(b)可見在腐蝕活性點位置有小孔腐蝕凹坑，凹坑周邊有腐蝕產(chǎn)物的堆積。由此證明了本發(fā)明掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)可同時測量同一樣品表面的結(jié)構(gòu)形貌和表面微區(qū)電化學腐蝕電位的分布圖像，實現(xiàn)對表面形貌結(jié)構(gòu)—化學活性的相互關聯(lián)研究。
權(quán)利要求
1.掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)，其特征在于所說的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)由4個單元組成掃描隧道顯微鏡(STM)測量平臺，掃描微探針及控制/驅(qū)動單元；隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元及測量信號的控制和處理單元，STM測量平臺為商用儀器；所說的掃描微探針及控制/驅(qū)動單元包括掃描微探針、X-Y-Z三維壓電微掃描器和步進電機驅(qū)動X-Y二維機械掃描器，掃描微探針用于檢測隧道電流和電化學電位信號，壓電微掃描器用于測量表面隧道電流，步進電機機械掃描用于測量表面電化學電位分布信號；隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元包括隧道電流的前置信號轉(zhuǎn)換/放大和反饋電路和微區(qū)電位信號的前置信號轉(zhuǎn)換/放大電路，隧道電流的前置信號轉(zhuǎn)換/放大和反饋電路同商用STM隧道電流測量電路，微區(qū)電位信號的前置信號轉(zhuǎn)換/放大電路的前置放大器由阻抗變換和差分放大二級電路組成，信號首先經(jīng)二個高輸入阻抗的跟隨緩沖放大器，其輸出信號再經(jīng)儀用放大器作減法處理而獲得電位相對差值，即由參考探針測得表面平均電位，由掃描微探針測得樣品表面局部電位，二者的相對電位差值作為微區(qū)電位測量信號；測量信號的控制和處理單元為16位ADC處理器，經(jīng)隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元獲取的微區(qū)電位測量信號和STM測量信號均通過一個電子開關，直接送16位ADC處理變換為數(shù)值信號，隨后進一步將信號放大、處理和分析。
2.如權(quán)利要求
1所述的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)，其特征在于掃描微探針為Pt-Ir合金絲，采用電化學刻蝕法或機械剪切法制備掃描微探針尖端，采用聚甲基苯乙烯對掃描微探針尖端進行包封。
3.如權(quán)利要求
2所述的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)，其特征在于Pt-Ir合金絲的直徑為0.3mm。
4.如權(quán)利要求
1所述的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)，其特征在于壓電微掃描器的掃描范圍為30-100μm2。
5.如權(quán)利要求
1所述的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)，其特征在于步進電機機械掃描以隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，通過步進電機的粗調(diào)和Z軸壓電微調(diào)控制微探針尖端與樣品表面的距離。
6.掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量技術(shù)，其特征在于所說的掃描隧道顯微鏡和掃描微電極聯(lián)用測量技術(shù)為基于掃描隧道顯微鏡測量原理和掃描微電極測量表面電化學電位原理相結(jié)合而建立的聯(lián)用測量技術(shù)，通過同一只掃描微探針同時檢測表面隧道電流和電化學電位分布信號，以測量到的隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，定量控制掃描微電極尖端與樣品表面的距離，通過測量到的表面隧道電流和電化學電位分布信號獲取納米分辨度的表面形貌圖像和表面微區(qū)電化學活性分布圖像，實現(xiàn)對表面形貌結(jié)構(gòu)—化學活性的相互關聯(lián)研究。
專利摘要
涉及一種掃描隧道顯微鏡與掃描微電極聯(lián)用測量系統(tǒng)及技術(shù)，由掃描隧道顯微鏡(STM)測量平臺，掃描微探針及控制/驅(qū)動單元；隧道電流信號和微區(qū)電位信號測量單元及測量信號的控制和處理單元組成。利用掃描微探針同時檢測表面隧道電流和表面電位分布，以壓電微掃描和步進電機機械掃描進行掃描測量模式互換，并利用隧道電流作為掃描微電極到達樣品表面的指示，實現(xiàn)了掃描微電極尖端與樣品表面距離的定量控制，可顯著提高表面微區(qū)電化學腐蝕電位的分布測量的空間分辨度。該系統(tǒng)可同時測量納米分辨度的表面形貌圖像和表面微區(qū)電化學活性分布圖像，實現(xiàn)對表面形貌結(jié)構(gòu)—化學活性的相互關聯(lián)研究。為多種表面空間分辨測量技術(shù)提供相互結(jié)合、優(yōu)勢互補、關聯(lián)研究的開放平臺。
文檔編號G01Q60/14GKCN1683917SQ200510052314
公開日2005年10月19日 申請日期2005年2月5日
發(fā)明者林昌健, 李彥, 卓向東, 胡融剛 申請人:廈門大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan