專利名稱:一種用于掃描隧道顯微鏡的主動(dòng)式降噪方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用在掃描隧道顯微鏡上的主動(dòng)式降噪方法，及采用這種降噪方
法的掃描隧道顯微鏡。
技術(shù)背景
根據(jù)采集模式不同，掃描隧道顯微鏡測(cè)量的隧道譜分為(1)隨偏壓變化的隧道 譜，也就是我們通常所說的單點(diǎn)隧道譜；(2)隨位置變化的隧道譜，也即掃描隧道譜。這兩 種譜的采集內(nèi)容一樣，不同的是說明的問題不一樣，其中單點(diǎn)隧道譜給出的是不同能量下 的電子態(tài)密度，即在樣品表面某一點(diǎn)，采集不同偏壓下的dl/dV值，以得到dl/dV V曲線； 而掃描隧道譜給出的是同一能量下不同位置的電子態(tài)密度；這就要求在采集單點(diǎn)隧道譜 時(shí)，需要反饋開環(huán)，以便保證隧道電流隨偏壓變化的時(shí)候，探針不受反饋的控制，并保持針 尖與樣品的距離恒定，這樣采集到的才是真正的單點(diǎn)隧道譜；而采集掃描隧道譜時(shí)，則需要 反饋閉環(huán)，并保持偏壓不變。
掃描隧道譜顯微鏡在測(cè)量隧道譜時(shí)，針尖通常距離樣品表面lnm左右，由于在單 點(diǎn)隧道譜測(cè)量中，反饋處于開環(huán)狀態(tài)，即反饋此時(shí)不作為，因此，一點(diǎn)振動(dòng)或者熱漂移就會(huì) 使得針尖遠(yuǎn)離或者撞擊到樣品表面，這樣就無法得到可靠穩(wěn)定的隧道譜。通常的解決方法 包括外部的地面隔離、聲學(xué)隔離屋，空氣腿，以及內(nèi)部的彈簧減振裝置、緊湊的掃描裝置設(shè) 計(jì)，等等。然而這些結(jié)構(gòu)同時(shí)增大了設(shè)計(jì)的難度，而且降低了探針的運(yùn)動(dòng)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種主動(dòng)式降噪方法，利用該 方法，可在保持反饋開環(huán)的狀態(tài)下，使掃描隧道顯微鏡的探針與樣品距離保持恒定，特別是 在規(guī)律的噪聲環(huán)境下，能夠正常穩(wěn)定工作。本發(fā)明還進(jìn)一步提供一種應(yīng)用了上述方法的掃 描隧道顯微鏡。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種用于掃描隧道顯微鏡的主動(dòng)式降噪方法，該方法具 體為在采譜探針?biāo)诘膾呙韫苌贤瑫r(shí)并列安裝一個(gè)機(jī)械性能相同的探針作為外界噪聲采 樣探針，并將該采樣探針設(shè)置在反饋閉環(huán)狀態(tài)，工作時(shí)，使采樣探針與采譜探針同時(shí)工作在 隧流狀態(tài)，在采樣探針保持與樣品表面之間距離恒定的同時(shí)，使采譜探針一同與樣品表面 之間保持距離恒定。
進(jìn)一步，工作時(shí)，所述采樣探針的反饋信號(hào)調(diào)制到所述掃描管的Z軸方向驅(qū)動(dòng)信 號(hào)中，通過掃描管Z軸方向的伸縮，實(shí)現(xiàn)與樣品表面之間距離的恒定，并同時(shí)帶動(dòng)與掃描管 鎖定的采譜探針保持與樣品表面之間距離的恒定。
進(jìn)一步，所述采譜探針與采樣探針在Z軸方向均可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采樣探針通過其自 身Z軸方向的伸縮，實(shí)現(xiàn)與樣品表面之間距離的恒定，同時(shí)采樣探針的反饋信號(hào)被提取并 調(diào)制到采譜探針的Z軸方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，使采譜探針一同保持與樣品表面之間距離的恒 定。
3[0008] —種應(yīng)用上述主動(dòng)式降噪方法的掃描隧道顯微鏡，該顯微鏡包括掃描管，掃描管 上并列設(shè)置有一采譜探針和一外界噪聲采樣探針，兩探針的機(jī)械性能相同，其中，采譜探針 處于反饋開環(huán)狀態(tài)，采樣探針處于反饋閉環(huán)狀態(tài)；掃描管固定兩探針一端被沿Z軸方向?qū)?稱截劈成兩部分，兩探針分別固定在所述兩部分的內(nèi)壁上。
進(jìn)一步，所述采譜探針和采樣探針均通過磁鐵被吸附固定在所述掃描管內(nèi)壁設(shè)置 的軌道上，所述軌道均沿掃描管Z軸方向設(shè)置。
本發(fā)明通過設(shè)置與采譜探針機(jī)械性能相同的噪聲采樣探針后，由于這兩個(gè)探針感 受到的是近似相同的外界噪聲，因此不論是依靠采樣探針自身的隧流恒定模式，還是利用 采樣探針的反饋信號(hào)來控制采譜探針，均可使采譜探針與樣品表面之間的距離保持恒定， 從而為掃描隧道顯微鏡在噪聲環(huán)境下可靠穩(wěn)定地采集單點(diǎn)隧道譜提供了保證，同時(shí)，本發(fā) 明掃描隧道顯微鏡具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)。


圖1為應(yīng)用本發(fā)明方法的掃描隧道顯微鏡掃描管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為Si(lll)-(7X7)的隧道譜在主動(dòng)式反饋和反饋開環(huán)下的比較圖；
圖3加到掃描管上的粗進(jìn)針驅(qū)動(dòng)電壓波形圖。
具體實(shí)施方式
圖1所示為應(yīng)用本發(fā)明方法的掃描隧道顯微鏡掃描管的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為 掃描管立體圖，(b)為掃描管的端面視圖。該掃描管里設(shè)置了兩個(gè)相同的探針，這兩個(gè)探針 共同占用一個(gè)掃描結(jié)構(gòu)，即XY掃描單元座，這樣的結(jié)構(gòu)使得兩個(gè)探針盡可能的感受到相同 的外界噪聲。掃描管安裝探針一端，通過兩個(gè)Z軸方向的缺口被截劈成兩部分Zp 4，兩個(gè) 探針分別被磁鐵吸附固定在所述兩部分掃描管ZpZ2的內(nèi)壁上，兩個(gè)探針沿掃描管Z軸方向 的移動(dòng)、驅(qū)動(dòng)均由各自所在的掃描管部分Zp ^來完成。掃描管內(nèi)側(cè)粘有提供探針沿掃描 管Z軸方向移動(dòng)的軌道，兩個(gè)探針均通過由0. 2毫米直徑的細(xì)金絲做成的彈性很小的彈簧 與各自的引出電極相連。
兩個(gè)探針沿X軸方向和Y軸方向的移動(dòng)由掃描單元座一同驅(qū)動(dòng)完成；在Z軸方向 上，則可以控制Z。、 4，其中Z。、 Z2分別對(duì)應(yīng)掃描管整體、采譜探針?biāo)诘膾呙韫懿糠?和采樣探針?biāo)诘膾呙韫懿糠郑结樠豘軸方向的移動(dòng)是靠加在Z工或Z2和Z。上的驅(qū)動(dòng)電 壓信號(hào)和他們之間的配合來實(shí)現(xiàn)的。
工作時(shí)，首先通過控制Z。、Z^^使兩個(gè)探針均進(jìn)入隧流工作狀態(tài)，然后利用處于隧
流恒定工作狀態(tài)的采樣探針來使采譜探針與樣品表面之間的距離保持恒定。
將兩個(gè)探針調(diào)節(jié)到隧流狀態(tài)，可按如下方式進(jìn)行
如圖3所示，在一個(gè)周期的前部分是緩慢變化的波形，在驅(qū)動(dòng)電壓作用下，掃描管 連同探針緩慢向前伸或后縮，然后在后邊部分是迅速變化的波形，即在很短的時(shí)間內(nèi)，由于 驅(qū)動(dòng)電壓突然加大或減小，掃描管隨之突然后縮或前伸，由于慣性的原因，這時(shí)候探針不隨 掃描管一同移動(dòng)而保持不動(dòng)，只有掃描管發(fā)生位移，這樣在一個(gè)周期結(jié)束后，探針就相對(duì)掃 描管向前或向后移動(dòng)了一段距離，即走了一步。在粗進(jìn)針時(shí)，為了避免針尖撞到樣品表面， 先將Z。往前伸大于單步粗進(jìn)針的距離，如果這時(shí)候沒有檢測(cè)到隧流，接著就將Z?；乜s大于單步的距離，這時(shí)候往前單步走一步，就完成了 一次自動(dòng)進(jìn)針。當(dāng)探針還需要再走一步就可 以接觸到樣片表面的時(shí)候，此時(shí)Z。的伸長就可以檢測(cè)到隧流，這時(shí)候就完成了進(jìn)針，保證針 尖不會(huì)撞到樣品表面上。
經(jīng)過粗進(jìn)針后，再將兩個(gè)探針調(diào)節(jié)到隧流狀態(tài)。調(diào)節(jié)時(shí)可以采取兩種方法，一種是 犧牲一個(gè)提取噪聲的探針而保全另一個(gè)采譜探針，即先將提取噪聲的探針進(jìn)到隧流狀態(tài)， 然后再進(jìn)采譜的探針，這時(shí)雖然前者會(huì)撞到樣品表面，但并沒有影響到它提取噪聲的功能。 另一種方法是先將提取噪聲的探針進(jìn)到隧流狀態(tài)后，再安全地向后退一定的距離，然后再 進(jìn)采譜的探針，在前進(jìn)到位以后，同樣向后退一定的距離。循環(huán)往復(fù)，可以將后退距離一點(diǎn) 點(diǎn)減少，最終可以安全地將兩個(gè)探針同時(shí)進(jìn)到隧流狀態(tài)，并不破壞樣片表面。與前一種方法 相比，后者操作時(shí)間略長。
利用處于隧流恒定工作狀態(tài)的采樣探針來使采譜探針與樣品表面之間的距離保 持恒定可以有兩種方式。 一是將采樣探針的反饋信號(hào)調(diào)制到Z。的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)中，通過控 制Z。使采樣探針處于隧流恒定狀態(tài)，同時(shí)將采譜探針與Z。鎖定，使采譜探針與采樣探針一 同移動(dòng)，在采樣探針與樣品表面之間距離保持恒定的同時(shí)，連帶采譜探針也與樣品表面之 間距離保持恒定。第二種方式是，將采樣探針的反饋信號(hào)調(diào)制到其自身的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)中， 通過其自身即Z2實(shí)現(xiàn)隧流恒定工作狀態(tài)，與此同時(shí)，將采樣探針的反饋信號(hào)調(diào)制到采譜探 針的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)中，以使采譜探針與樣品表面之間的距離同樣保持恒定。在第二種方式 種，因采譜探針與采樣探針的機(jī)械性能相同，并均處于隧流狀態(tài)，因此，可實(shí)現(xiàn)近似閉環(huán)反 饋的工作效果。
圖2為Si(lll)-(7X7)的隧道譜在主動(dòng)式反饋和反饋開環(huán)下的比較圖。圖中左 邊的是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲下的單點(diǎn)隧道譜，右邊的是在另加10Hz沿Z方向的噪聲環(huán)境下的單 點(diǎn)隧道譜。圖中上方的是普通開環(huán)反饋下給出的數(shù)值dl/dV曲線，信噪比很低，出現(xiàn)大幅度 的振蕩，特別是對(duì)外界噪聲很敏感，如10Hz噪聲下振蕩幅度大大增加。圖中下方的是采用 本發(fā)明主動(dòng)式降噪方法后的dl/dV曲線，該曲線很平滑。測(cè)試結(jié)果顯示，本發(fā)明主動(dòng)式降噪 技術(shù)大大提高了隧道譜的信噪比，其效果甚至可以和加了兩級(jí)內(nèi)部減振裝置的掃描隧道顯 微鏡相匹敵。
權(quán)利要求
一種用于掃描隧道顯微鏡的主動(dòng)式降噪方法，該方法具體為在采譜探針?biāo)诘膾呙韫苌贤瑫r(shí)并列安裝一個(gè)機(jī)械性能相同的探針作為外界噪聲采樣探針，并將該采樣探針設(shè)置在反饋閉環(huán)狀態(tài)，工作時(shí)，使采樣探針與采譜探針同時(shí)工作在隧流狀態(tài)，在處于隧流恒定工作模式中的采樣探針保持與樣品表面之間距離恒定的同時(shí)，使采譜探針與樣品表面之間的距離保持恒定；所述采譜探針與采樣探針在Z軸方向均可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采樣探針通過其自身Z軸方向的伸縮，實(shí)現(xiàn)與樣品表面之間距離的恒定，同時(shí)采樣探針的反饋信號(hào)被提取并調(diào)制到采譜探針的Z軸方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，使采譜探針一同保持與樣品表面之間距離的恒定。
2. 如權(quán)利要求
1所述用于掃描隧道顯微鏡的主動(dòng)式降噪方法，其特征在于，工作時(shí)，所述采樣探針的反饋信號(hào)調(diào)制到所述掃描管的Z軸方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，通過掃描管Z軸方向的伸縮，實(shí)現(xiàn)與樣品表面之間距離的恒定，并同時(shí)帶動(dòng)與掃描管鎖定的采譜探針保持與樣品表面之間距離的恒定。
3. —種權(quán)利要求
1或2中所述主動(dòng)式降噪方法的掃描隧道顯微鏡，該顯微鏡包括掃描管，其特征在于，所述掃描管上并列設(shè)置有一采譜探針和一外界噪聲采樣探針，兩探針的機(jī)械性能相同，其中，采譜探針處于反饋開環(huán)狀態(tài)，采樣探針處于反饋閉環(huán)狀態(tài)；掃描管固定兩探針一端被沿Z軸方向?qū)ΨQ截劈成兩部分，兩探針分別固定在所述兩部分的內(nèi)壁上。
4. 如權(quán)利要求
3所述的一種掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述采譜探針和采樣探針均通過磁鐵被吸附固定在所述掃描管內(nèi)壁設(shè)置的軌道上，所述軌道均沿掃描管Z軸方向設(shè)置。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于掃描隧道顯微鏡的主動(dòng)式降噪方法，該方法具體為在采譜探針?biāo)诘膾呙韫苌贤瑫r(shí)并列安裝一個(gè)機(jī)械性能相同的探針作為外界噪聲采樣探針，并將該采樣探針設(shè)置在反饋閉環(huán)狀態(tài)，工作時(shí)利用采樣探針保持與樣品表面之間距離恒定的同時(shí)，使采譜探針一同與樣品表面之間保持距離恒定。本發(fā)明還同時(shí)公開了一種應(yīng)用上述主動(dòng)式降噪方法的掃描隧道顯微鏡。本發(fā)明通過設(shè)置機(jī)械性能相同的采樣探針后，利用采樣探針的反饋信號(hào)對(duì)采譜探針進(jìn)行控制，從而使其與樣品表面之間的距離保持恒定，為掃描隧道顯微鏡在噪聲環(huán)境下可靠穩(wěn)定地采集單點(diǎn)隧道譜提供了保證，同時(shí)，本發(fā)明掃描隧道顯微鏡具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01Q60/10GKCN101202125 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200710120253
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2007年8月14日
發(fā)明者劉慧 , 孟洋, 趙宏武, 陳東敏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (2),