專利名稱：計量型掃描探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及掃描隧道顯微鏡和納米技術(shù)領(lǐng)域。
納米技術(shù)的迅猛發(fā)展得益于80年代興起的掃描探針技術(shù)。1982年由美國IBM公司的G.Binnig等人研制成功了掃描隧道顯微鏡(STM)，它使人類能實時地觀察單個原子在物體表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學性質(zhì)。STM的研制成功被國際科學界公認為世界80年代十大成就之一，并由此引發(fā)了一場近場探測的革命。為了彌補STM只能測量導體和半導體表面電子結(jié)構(gòu)的不足，1986年G.Binnig和斯坦福大學的C.F.Quate合作，研制出世界第一臺原子力顯微鏡(AFM)，以用于絕緣材料的測量，從而擴大了STM的測量范圍。之后其他學者又先后研究出了激光力顯微鏡(LFM)，磨擦力顯微鏡(FFM)，磁力顯微鏡(MFM)，靜電力顯微鏡(EFM)，彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)，光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)，掃描電容顯微鏡(SCaM)，掃描近場光學顯微鏡(SNOM)等，形成了一整套掃描探針顯微鏡(SPM)族。從而由表面形貌的檢測發(fā)展到多種物理量的檢測。SPM族儀器的興起和發(fā)展為人們在納米尺度上的研究提供了強有力的工具。它不僅在納米測量中發(fā)揮了空前的作用，而且在納米級加工與納米級數(shù)據(jù)存儲技術(shù)中也具有巨大的研究潛力。
SPM族儀器在技術(shù)上最為成熟也最為基礎(chǔ)是STM和AFM。但是STM和以微懸臂作為測力傳感器的AFM在不同程度上都有一定的不足之處。STM由于其測試信號為探針與樣品之間所形成的隧道電流，只能直接觀察導體和半導體的表面結(jié)構(gòu)，對于非導電材料，必須在其表面復蓋一層導電膜，而導電膜的存在往往復蓋了表面的結(jié)構(gòu)細節(jié)。即使對于導電樣品STM觀察到的是對應(yīng)于表面費米能級上的態(tài)密度。當表面存在非單一電子態(tài)時，STM得到的是表面形貌和表面電子性能的綜合結(jié)果，所以對表面形貌在三維方向的納米級成像主要使用AFM。但是現(xiàn)在大量研究的以微懸臂原理的AFM，它不僅需要一個結(jié)構(gòu)復雜的微小懸臂作為力的傳感器，國內(nèi)目前還無批量制造這種微小懸臂的能力，它是一個典型的微機械部件，而且還要一個激光干涉儀或電容測微儀用于檢測微懸臂的微小位移來獲得力場的變化信息。因而結(jié)構(gòu)較為復雜，成本也很高，操作難度增大，也就造成其在應(yīng)用中局限性。同時，現(xiàn)有各種掃描探針顯微鏡掃描器的掃描都存在一個定位標準問題，在其設(shè)計和使用中單純追求高的分辨率，而沒有建立起精度的概念，因此，目前的SPM仍然只是一種定性的觀察儀器，而不能作為計量工具。瑞士非線性光學實驗室的L.M.Eng等人研究了一種集STM、AFM、FFM功能于一體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不能進行EFM和MFM的測量，且也只能作為觀察工具，另外該系統(tǒng)采用探頭掃描，探頭裝置在懸臂支架上，X、Y、Z三個方向的位移均由一個壓電陶管實現(xiàn)，相互干擾比較嚴重且懸臂支架影響系統(tǒng)的共振頻率。(見L.M.Eng，K.D.Jandt，D.Descouts.Long-range Scanning Tunneling Microscope.Rev.Sci.Instrum.，65(2)，F(xiàn)ebruary 1994，390～393)。
本實用新型的目的是提高原有掃描隧道顯微類表面儀器的精度，使之成為具有計量意義的儀器，同時簡化其結(jié)構(gòu)，改善測量的穩(wěn)定性，推進其工程化應(yīng)用。為達到該目的，本實用新型用一帶有微小針尖的晶振取代具有復雜結(jié)構(gòu)的微懸臂和激光位移檢測裝置；為了克服掃描和反饋用的壓電元件的非線性與滯回，采用兩個方向的高精度電容測微儀作為反饋檢測裝置，使測量結(jié)果具有計量意義。
本實用新型的計量型掃描探針顯微鏡，由機械部分和包括計算機的控制電路部分組成，機械部分包括隔震墊及其上帶立柱的底座、底座立柱前端的壓電陶管以及遮蔽整個機械部分的屏蔽罩，控制電路部分和機械部分通過導線聯(lián)接，其特征為(1)套管嵌入底座立柱前端V形槽內(nèi)，通過齒輪齒條傳動嚙合，底座立柱上安裝有調(diào)節(jié)套管垂直運動的粗調(diào)手輪和細調(diào)手輪，(2)壓電陶管上端緊固在套管內(nèi)、下端懸伸并裝設(shè)有桿狀晶振作為工作晶振，工作晶振末端采用粘接或化學沉積方法制備的微小細針、針尖曲率半徑小于1μm，(3)套管內(nèi)安設(shè)有與所述工作晶振性能指標相同的桿狀晶振、作為參考晶振，(4)底座上固定有框架式彈性工作臺，它由一個平面內(nèi)兩層柔性鉸支結(jié)構(gòu)組成，外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)由與框架為一體的四個柔性鉸支聯(lián)接支承，并由Y向壓電晶體微位移器經(jīng)在框架上形成的兩級杠桿驅(qū)動；內(nèi)層柔性鉸支結(jié)構(gòu)由與外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)為一體的四個柔性鉸支聯(lián)接支承，并由X向壓電晶體微位移器經(jīng)在外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)上形成的兩級杠桿驅(qū)動，兩層柔性鉸支結(jié)構(gòu)被驅(qū)動方向互相垂直，(5)在底座或框架式彈性工作臺的框架上固定兩個成90°置放的電容測微儀，電容測微儀與外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)間隙小于200μm，(6)控制電路部分的計算機控制信號分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、高壓放大電路控制壓電陶管和彈性工作臺，工作晶振輸出經(jīng)前置放大電送入反饋電路、參考晶振輸出經(jīng)另一前置放大電路亦送入反饋電路、反饋電路輸出分兩路，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入計算機、再經(jīng)顯示電路進行圖象顯示，另一路直接送高壓放大電路、經(jīng)過高壓放大控制壓電陶管。
上述計量型的掃描控針顯微鏡，所述壓電陶管可以由四片弧形壓電陶瓷相鄰90°粘接成管狀，內(nèi)壁為一整體電極接地，管表面為相鄰90°的四個電極分別接四個驅(qū)動電源±Vx、±Vy，由計算機發(fā)出的X、Y、Z三個方向的信號通過一個分配器分配給四個驅(qū)動電源的輸入端，工作晶振通過引出線焊接固定在壓電陶管的中心線上。
上述計量型掃描探針顯微鏡，所述機械部分的屏蔽罩可以由分開的薄鐵罩構(gòu)成，下部分為一圓筒與其下方矩形立方盒體相貫、上部分為一封頂圓筒。
上述計量型掃描探針顯微鏡，其反饋電路可由差分電路、放大電路和比例積分電路(PID)級成，差分電路輸出信號經(jīng)放大電路放大后再送比例積分電路輸出。
本實用新型中工作晶振帶動其末端的微小細針以其固有頻率振動，針尖曲率半徑小于1μm時，空氣中氣體的動態(tài)阻力可以忽略，細針主要受遠場力如范德華力作用，當針尖離樣品表面距離發(fā)生變化時，晶振的振動特性也相應(yīng)地發(fā)生變化，可以通過一個檢測電路測得這個變化信號，經(jīng)過計算機采樣，便可以得到樣品表面的形貌特征，即可進行AFM模式的測量。
類似同樣原理，所述計量型掃描探針顯微鏡裝設(shè)在工作晶振末端的所述微小細針為導電體時，可進行EFM模式的檢測、測得樣品表面局部電場的變化。
所述計量型掃描探針顯微鏡裝設(shè)在工作晶振末端的所述微小細針為經(jīng)磁化的鎳針或鐵針時，可進行MFM模式的檢測，測得樣品表面局部磁場的變化。
所述計量型掃描探針顯微鏡裝設(shè)在工作晶振末端的所述微小細針為針尖曲率半徑小于0.1μm的鎢針時，可進行STM模式的檢測，對導電材料進行超高分辨率的測量，橫向分辨率0.1μm，縱向分辨率0.01μm。
本實用新型相對于微懸臂結(jié)構(gòu)的SPM，在測量分辨率相當?shù)臈l件下，結(jié)構(gòu)簡單，免去復雜的中間轉(zhuǎn)換元件，成本大大下降，由于采用高精度的電容測微儀分別監(jiān)視掃描器X、Y方向位移，構(gòu)成閉環(huán)反饋，消除了壓電元件的非線性和滯回，保證本實用新型具有計量意義的標準。只要更換帶有不同微小細針的晶振模塊，就可實現(xiàn)AFM、MFM、EFM和STM模式的檢測，可以綜合優(yōu)化考慮，實現(xiàn)了一機多能，極大地擴大其使用范圍，在不移動樣品的條件下實現(xiàn)不同模式的測量，又可以進行不同類型的探針顯微測量結(jié)果之間的對比，克服了樣品移動帶來的誤差影響。采用參考晶振和基于差分原理的反饋電路改善了測量的穩(wěn)定性，減小或消除溫度、濕度變化等環(huán)境的影響。


圖1為本實用新型機械部分的示意圖。
圖2A為本實用新型機械部分局部正視圖；圖2B為圖2A的側(cè)視圖。
圖3為框架式彈性工作臺示意圖。
圖4表示一個方向的兩級杠桿驅(qū)動原理示意圖。
圖5為控制電路部分的電路框圖。
圖6為壓電陶管示意圖。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的結(jié)構(gòu)進行說明圖1中，以車胎作為隔震墊1，上面放有一塊膠木板2，其上放置帶立柱的底座3，底座上固定框架式彈性工作臺4，整個機械部分由可分開的屏蔽罩進行電磁屏蔽和聲音隔離，5為屏蔽罩上部分，6分屏蔽罩下部分。
根據(jù)圖2A和圖2B，套管7嵌入底座3立柱前端V形槽內(nèi)，通過齒輪齒條傳動嚙合，底座立柱上安裝有調(diào)節(jié)套管垂直運動的粗調(diào)手輪8和細調(diào)手輪9，壓電陶管10上端可用一個精密螺釘緊固在套管內(nèi)、下端懸伸并裝設(shè)有末端帶有微小細針的桿狀晶振11，套管7內(nèi)安放有與桿狀晶振11性能指標相同的桿狀晶振作為參考晶振，兩個晶振均不帶封裝殼，工作頻率為1MHz。在底座3或框架式彈性工作臺4的框架上固定兩個成90°置放的電容測微儀12，型號可為BHCWY-1型，被測樣品13置于框架式彈性工作臺4上。
圖3進一步描述了框架式彈性工作臺的結(jié)構(gòu)，它由一個平面框架內(nèi)兩層柔性鉸支結(jié)構(gòu)組成，外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)15由與框架16為一體的四個柔性鉸支17聯(lián)接支承，18為安放Y向壓電晶體微位移器的空間，Y向壓電晶體微位移器經(jīng)在框架16上形成的外層第一級杠桿19和外層第二級杠桿20驅(qū)動外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)在Y向運動；內(nèi)層柔性鉸支結(jié)構(gòu)21由與外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)15為一體的四個柔性鉸支22聯(lián)接支承，23為安放X向壓電晶體微位移器的空間，X向壓電晶體微位移器經(jīng)在外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)15上形成的內(nèi)層第一級杠桿24和內(nèi)層第二級杠桿25驅(qū)動內(nèi)層柔性鉸支結(jié)構(gòu)在X向運動。壓電晶體微位移器的型號可為WTDS-IB型。
圖4表明兩級杠桿驅(qū)動的原理示意，設(shè)壓電晶體微位移器在b點輸出一個微小位移Δd，經(jīng)第一級杠桿ac和第二級杠桿eg放大后，在h點輸出放大的位移d，驅(qū)動工作臺運動。輸出位移為d=(1+L2L1)·(1+L4L3)·Δd]]>其中第一級杠桿機構(gòu)放大比
第二級杠桿機構(gòu)放大比
圖6所示PZT壓電陶管，其長度為32mm，外徑16mm，壁厚1mm，先將壓電陶管一分為四，然后再粘接成管狀，內(nèi)壁為一整體電極接地，管表面為相鄰90°的四個電極，分別接四個驅(qū)動電源±Vx、±Vy，由計算機發(fā)出的X、Y、Z三個方向的信號通過一個分配器分配給四個驅(qū)動電源的輸入端。
權(quán)利要求1.一種計量型掃描探針顯微鏡，由機械部分和包括計算機的控制電路部分組成，機械部分包括隔震墊及其上帶立柱的底座、底座立柱前端的壓電陶管以及遮蔽整個機械部分的屏蔽罩，控制電路部分和機械部分通過導線聯(lián)接，其特征為(1)套管嵌入底座立柱前端V形槽內(nèi)、通過齒輪齒條傳動嚙合，底座立柱上安裝有調(diào)節(jié)套管垂直運動的粗調(diào)手輪和細調(diào)手輪，(2)壓電陶管上端緊固在套管內(nèi)、下端懸伸并裝設(shè)有桿狀晶振作為工作晶振，工作晶振末端采用機械粘接或化學沉積方法制備的微小細針、針尖曲率半徑小于1μm，(3)套管內(nèi)安設(shè)有與所述工作晶振性能指標相同的桿狀晶振、作為參考晶振，(4)底座上固定有框架式彈性工作臺，它由一個平面內(nèi)兩層柔性鉸支結(jié)構(gòu)組成，外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)由與框架為一體的四個柔性鉸支聯(lián)接支承，并由Y向壓電晶體微位移器經(jīng)在框架上形成的兩級杠桿驅(qū)動；內(nèi)層柔性鉸支結(jié)構(gòu)由與外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)為一體的四個柔性鉸支聯(lián)接支承，并由X向壓電晶體微位移器經(jīng)在外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)上形成的兩級杠桿驅(qū)動，兩層柔性鉸支結(jié)構(gòu)被驅(qū)動方向互相垂直，(5)在底座或框架式彈性工作臺的框架上固定兩個90°置放的電容測微儀，電容測微儀與外層柔性鉸支結(jié)構(gòu)間隙小于200μm，(6)控制電路部分的計算機控制信號分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、高壓放大電路控制壓電陶管和彈性工作臺，工作晶振輸出經(jīng)前置放大電路送入反饋電路、參考晶振輸出經(jīng)另一前置放大電路亦送入反饋電路，反饋電路輸出分兩路、一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入計算機、再經(jīng)顯示電路進行圖象顯示，另一路直接送高壓放大電路、經(jīng)過高壓放大控制壓電陶管。
2.如權(quán)利要求1所述的計量型掃描探針顯微鏡，其特征為所述壓電陶管由四片弧形壓電陶瓷相鄰90°粘接成管狀，內(nèi)壁為一整體電極接地，管表面為相鄰90°的四個電極分別接四個驅(qū)動電源±VX、±VY、由計算機發(fā)出的X、Y、Z三個方向的信號通過一個分配器分配給四個驅(qū)動電源的輸入端，工作晶振通過引出線焊接固定在壓電陶管的中心線上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的計量型掃描探針顯微鏡，其特征為所述機械部分的屏蔽罩由可分開的薄鐵罩構(gòu)成，下部分為一圓筒與其下方矩形立方盒體相貫、上部分為一封頂圓筒。
4.如權(quán)利要求1或2所述的計量型掃描探針顯微鏡，其特征為所述反饋電路由差分電路、放大電路和比例積分電路(PID)組成，差分電路輸出信號經(jīng)放大電路放大后再送比例積分電路輸出。
5.如權(quán)利要求4所述的計量型掃描探針顯微鏡，其特征為裝設(shè)在工作晶振末端的所述微小細針為導電體。
6.如權(quán)利要求4所述的計量型掃描探針顯微鏡，其特征為裝設(shè)在工作晶振末端的所述微小細針為經(jīng)磁化的鎳針或鐵針。
7.如權(quán)利要求4所述的計量型掃描探針顯微鏡，其特征為裝設(shè)在工作晶振末端的所述微小細針為針尖曲率半徑小于0.1μm的鎢針。
專利摘要計量型掃描探針顯微鏡,機械部分包括隔震墊、底座、框架式彈性工作臺、套管內(nèi)下懸的壓電陶管及帶有微小細針的晶振,并由屏蔽罩遮蔽;控制電路部分包括計算機、反饋電路及放大電路;利用電容測微儀監(jiān)測X、Y方向掃描位移構(gòu)成閉環(huán)控制,采用參考晶振進行差分探測,消減環(huán)境影響,只需更換掃描探針部分即可進行STM、AFM等多種模式檢測,儀器結(jié)構(gòu)簡單、掃描范圍寬、測量穩(wěn)定,具有計量意義的標準。
文檔編號G01N21/00GK2383063SQ9923777
公開日2000年6月14日 申請日期1999年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月26日
發(fā)明者張鴻海, 徐龍, 汪學方, 王生, 范細秋, 江福祥, 馬如震, 曾靈丹 申請人:華中理工大學