用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法。一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置包括：电路模块，包括电路单元和数据采集卡，电路单元包括P型晶体管和N型晶体管，P型晶体管的源极接收来自数据采集卡的第一输出端子的电源电压，P型晶体管的漏极连接到N型晶体管的漏极和待蚀刻的针尖，P型晶体管的栅极连接到N型晶体管的栅极，N型晶体管的源极连接到地电势，电路单元还包括比较器，比较器的正极输入接收来自数据采集卡的第二输出端子的参考电压，比较器的负极输入接收来自阴极电极的蚀刻电压，比较器的输出被提供给P型晶体管和N型晶体管二者的栅极；以及控制模块，其连接到数据采集卡以控制数据采集卡的各个输出。

The devices and methods used to etch the tip of the scanning tunneling microscope

The present invention relates to a device and method for etching the tip of a scanning tunneling microscope. An apparatus for etching a scanning tunneling microscope tip includes a circuit module includes a circuit unit and a data acquisition card, circuit includes a P transistor and a N transistor, P transistor power source receiving voltage from the first output terminal of data acquisition card, P type transistor has a drain connected to a N type the transistor and the drain to be etched, gate P transistor connected to the gate of the N transistor, N transistor, the source electrode is connected to the ground potential unit also includes a comparator circuit, a reference voltage comparator second output positive input terminal receives from the data acquisition cards, negative input comparator receives the voltage from the etching the cathode electrode, a gate comparator output is supplied to the P transistor and N transistor two; and a control module, which is connected to the data acquisition card to Control the output of the data acquisition card.

【技术实现步骤摘要】
用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法
本专利技术总体上涉及扫描隧道显微镜领域，更特别地，涉及一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法，其能够精确地控制针尖蚀刻过程，从而能够制造具有期望形状的扫描隧道显微镜针尖。
技术介绍
扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，缩写为STM)是一种扫描探针显微术工具，它利用了隧穿电流十分灵敏地依赖于扫描探针与样品表面之间的间距这一原理。当扫描探针以设定的高度扫描样品表面时，样品表面的高低变化引起探针与样品表面之间的间距的变化，从而使得隧穿电流的大小也随之改变。通过使扫描探针在样品表面上来回扫描，并且记录每一扫描点对应的隧穿电流值，即可得到样品表面的高低形貌。扫描隧道显微镜使得能够在原子级的高分辨率上观察样品表面，并且还能在低温(例如，4K)下利用扫描探针来精确地操纵原子，因此它在表面科学、材料科学、生命科学等研究领域中有着重大的意义和广泛的应用。探针是扫描隧道显微镜最重要的部件之一，探针针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。理想的针尖应满足如下要求：1)具有较小的曲率半径，最理想的情况下是针尖的尖端只有一个原子；2)有规则的形状，因为扫描隧道显微镜成像要求针尖有很好的稳定性并且输出的电场是对称并且规则的。制作STM针尖的常用方法有研磨、剪切、场致静电发射、离子铣削、电子束沉积和电化学腐蚀等。其中，剪切法得到的针尖末端粗糙，可能存在许多微型探针，造成测量结果失真，而另一些方法一般需要比较复杂的设备和工艺，因此目前最广泛使用的方法是电化学腐蚀方法。图1是常规电化学腐蚀装置10的示意图。如图1所示，将针尖材料12和阴极材料14插入到腐蚀溶液16中，针尖材料12可以为例如常用的钨丝，阴极材料14可以为例如铜或钽，腐蚀溶液16可以是强碱溶液，例如NaOH或KOH等。针尖材料12和阴极材料14分别连接到电源18的正极和负极，以进行蚀刻。在腐蚀过程中，由于钨酸根离子的比重较大，它会沿着腐蚀溶液中的钨丝向下流动，从而保护了钨丝的下端部分，使得在液面附近的钨丝被更快地腐蚀，形成凹部。随着腐蚀的进行，该凹部不断变细，最终断裂。电化学腐蚀过程的难点之一就是掌握在钨丝断裂时断开电源18的时机。如果过早地断开电源，则钨丝还未被蚀刻到足够细；如果过晚地断开电源，如图1所示，由于腐蚀溶液具有凹液面，在钨丝断裂后液面仍与钨丝的上部分接触，因此会继续腐蚀针尖，从而使得所形成的针尖比较平钝，不满足前面对针尖的要求。因此，需要一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法，其能够在针尖材料被蚀刻断裂时及时地终止蚀刻，从而获得具有所需形状的扫描隧道显微镜针尖。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法，其能够精确地控制针尖蚀刻过程，从而能够制造具有期望形状的扫描隧道显微镜针尖。根据本专利技术一示范性实施例，一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置可包括：电路模块(110)，包括电路单元(114)和数据采集卡(116)，所述电路单元(114)包括第一P型晶体管(220)和第二N型晶体管(230)，所述第一P型晶体管(220)的源极接收来自所述数据采集卡(116)的第一输出端子(AO0)的电源电压，所述第一P型晶体管(220)的漏极连接到所述第二N型晶体管(230)的漏极，并且连接到待蚀刻的针尖(132)，所述第一P型晶体管(220)的栅极连接到所述第二N型晶体管(230)的栅极，所述第二N型晶体管(230)的源极连接到地电势，所述电路单元(114)还包括比较器(240)，所述比较器(240)的正极输入接收来自所述数据采集卡(116)的第二输出端子(AO1)的参考电压(Vref)，所述比较器(240)的负极输入接收来自阴极电极(134)的蚀刻电压(Vetch)，所述比较器(240)的输出被提供给所述第一P型晶体管(220)和所述第二N型晶体管(230)二者的栅极；以及控制模块(120)，其连接到所述数据采集卡(116)以控制所述数据采集卡(116)的各个输出。在一些实施例中，在蚀刻期间所述蚀刻电压(Vetch)大于所述参考电压(Vref)，在所述针尖被蚀刻断裂时所述蚀刻电压(Vetch)变得小于所述参考电压(Vref)。在一些实施例中，所述装置还包括放大器(210)，所述放大器(210)配置为将所述数据采集卡(116)的第一输出端子(AO0)的电源电压放大后提供给所述第一P型晶体管(220)的源极。在一些实施例中，来自所述阴极电极(134)的蚀刻电压(Vetch)还被提供给所述数据采集卡(116)的第一输入端口(AI0)，所述蚀刻电压(Vetch)和所述参考电压(Vref)满足如下公式：其中，表示在时刻i的参考电压，表示在时刻i之前的一个时刻的参考电压，表示在时刻i之前的一个时刻的蚀刻电压，β表示滤波常数，Δt表示时间变量，A表示参考电流控制百分比。在一些实施例中，所述数据采集卡(116)的第一输出端口(AO0)的输出电流IAO0满足如下公式：其中，Iset表示设置电流，其是蚀刻过程中的最小蚀刻电流，表示在时刻i的蚀刻电流，表示在时刻i之前的一个时刻的蚀刻电流，σ表示反馈系数。在一些实施例中，所述滤波常数β在1-20的范围，所述时间变量Δt的计时周期为1-1000ms，所述设置电流Iset为3-4mA，所述反馈系数σ在0.001-0.1的范围，所述参考电流控制百分比A在1％-99％的范围。所述滤波常数β、所述时间变量Δt的计时周期、所述设置电流Iset、所述反馈系数σ和所述参考电流控制百分比A能在所述控制模块(120)处设置。在一些实施例中，所述装置还包括三维平移台(130)，所述针尖(132)安装在所述三维平移台(130)上以插入到蚀刻溶液中。在一些实施例中，所述装置还包括成像模块(140)，其用于对所述针尖(132)成像以控制所述针尖插入到蚀刻溶液中的深度。在一些实施例中，所述控制模块120是计算机装置，其通过USB接口连接到所述数据采集卡。根据本专利技术另一示范性实施例，一种使用上述装置来蚀刻扫描隧道显微镜针尖的方法可包括：将待蚀刻的针尖和阴极材料插入到蚀刻溶液中；通过所述数据采集卡(116)的第一输出端子(AO0)向所述针尖施加电流IAO0，所述电流IAO0满足公式其中Iset表示设置电流，其是蚀刻过程中的最小蚀刻电流，表示在时刻i的蚀刻电流，表示在时刻i之前的一个时刻的蚀刻电流，σ表示反馈系数；监视所述阴极材料处的蚀刻电压(Vetch)，并且将所述参考电压(Vref)配置为满足公式其中表示在时刻i的参考电压，表示在时刻i之前的一个时刻的参考电压，表示在时刻i之前的一个时刻的蚀刻电压，β表示滤波常数，Δt表示时间变量，A表示参考电流控制百分比；以及由所述比较器比较所述蚀刻电压(Vetch)和所述参考电压(Vref)，当所述蚀刻电压(Vetch)大于所述参考电压(Vref)时，所述比较器输出低电平，所述第一P型晶体管导通，所述第二N型晶体管截止，对所述针尖的蚀刻继续进行，当所述蚀刻电压(Vetch)小于所述参考电压(Vref)时，所述比较器输出高电平，所述第一P型晶体管截止，所述第二N型晶体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置，包括：电路模块(110)，包括电路单元(114)和数据采集卡(116)，所述电路单元(114)包括第一P型晶体管(220)和第二N型晶体管(230)，所述第一P型晶体管(220)的源极接收来自所述数据采集卡(116)的第一输出端子(AO0)的电源电压，所述第一P型晶体管(220)的漏极连接到所述第二N型晶体管(230)的漏极，并且连接到待蚀刻的针尖(132)，所述第一P型晶体管(220)的栅极连接到所述第二N型晶体管(230)的栅极，所述第二N型晶体管(230)的源极连接到地电势，所述电路单元(114)还包括比较器(240)，所述比较器(240)的正极输入接收来自所述数据采集卡(116)的第二输出端子(AO1)的参考电压(Vref)，所述比较器(240)的负极输入接收来自阴极电极(134)的蚀刻电压(Vetch)，所述比较器(240)的输出被提供给所述第一P型晶体管(220)和所述第二N型晶体管(230)二者的栅极；以及控制模块(120)，其连接到所述数据采集卡(116)以控制所述数据采集卡(116)的各个输出。

【技术特征摘要】
1.一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置，包括：电路模块(110)，包括电路单元(114)和数据采集卡(116)，所述电路单元(114)包括第一P型晶体管(220)和第二N型晶体管(230)，所述第一P型晶体管(220)的源极接收来自所述数据采集卡(116)的第一输出端子(AO0)的电源电压，所述第一P型晶体管(220)的漏极连接到所述第二N型晶体管(230)的漏极，并且连接到待蚀刻的针尖(132)，所述第一P型晶体管(220)的栅极连接到所述第二N型晶体管(230)的栅极，所述第二N型晶体管(230)的源极连接到地电势，所述电路单元(114)还包括比较器(240)，所述比较器(240)的正极输入接收来自所述数据采集卡(116)的第二输出端子(AO1)的参考电压(Vref)，所述比较器(240)的负极输入接收来自阴极电极(134)的蚀刻电压(Vetch)，所述比较器(240)的输出被提供给所述第一P型晶体管(220)和所述第二N型晶体管(230)二者的栅极；以及控制模块(120)，其连接到所述数据采集卡(116)以控制所述数据采集卡(116)的各个输出。2.如权利要求1所述的装置，其中，在蚀刻期间所述蚀刻电压(Vetch)大于所述参考电压(Vref)，在所述针尖被蚀刻断裂时所述蚀刻电压(Vetch)变得小于所述参考电压(Vref)。3.如权利要求1所述的装置，还包括放大器(210)，所述放大器(210)配置为将所述数据采集卡(116)的第一输出端子(AO0)的电源电压放大后提供给所述第一P型晶体管(220)的源极。4.如权利要求1所述的装置，其中，来自所述阴极电极(134)的蚀刻电压(Vetch)还被提供给所述数据采集卡(116)的第一输入端口(AI0)，所述蚀刻电压(Vetch)和所述参考电压(Vref)满足如下公式：其中，表示在时刻i的参考电压，表示在时刻i之前的一个时刻的参考电压，表示在时刻i之前的一个时刻的蚀刻电压，β表示滤波常数，Δt表示时间变量，A表示参考电流控制百分比。5.如权利要求4所述的装置，其中，所述数据采集卡(116)的第一输出端口...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健梅，孙丽欢，唐向前，陆兴华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11