一种振动样品的扫描隧道显微镜及其测量方法技术

本发明专利技术提供了一种振动样品的扫描隧道显微镜及其测量方法，包括扫描头（１）、前置放大器（２）、扫描隧道显微镜控制器（４），所述扫描头（１）设有探针（１－１），前置放大器（２）设置有电流／电压转换器（２－１）、低通电压放大器（２－２）和带通电压放大器（２－３），还设置有相位检测器（３），所述相位检测器（３）分别连接带通电压放大器（２－３）和扫描隧道显微镜控制器（４），且相位检测器（３）还设置有电压信号发生器（３－１），电压信号发生器（３－１）与设置在探针（１－１）下方的压电激振器（１－３）连接。本发明专利技术提供一种在通常ＳＴＭ的基础上，通过对被测样品施加微小的机械振动，在测量隧道电流的同时测量样品在纳米或原子尺度的特性的装置，以及实现原子或分子的种类识别，或得到材料的微区弹性等物理性质的测量方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于扫描探针显微镜
，特别是涉及一种可实现对被测样品的原子 或分子种类进行识别的扫描隧道显微镜，及采用该显微镜的测量方法。技术背景扫描探针显微镜(SPM)主要包括两大类型基于隧道效应的扫描隧道显微镜 (STM)和基于原子间作用力的原子力显微镜(AFM)。在STM中样品通常是固定不动的。当金属探针与被测导电样品间的距离被调节到 纳米尺度以下时，所施加的直流偏压导致探针与被测样品间有隧道电流发生。通过反馈电 路，保持探针与被测导电样品间的距离不变(恒高度模式)扫描时，通常得到的是被测样品 表面的态密度二维图象；通过反馈电路，保持恒定隧穿电流模式扫描时(恒流模式)，得到 的是表面浮凸图象-原子排列的二维图象。现有的扫描隧道显微镜不能识别被观测到的是 何种原子或分子。STM探测原子间的隧穿电流，具有原子尺度的分辨率；而AFM探测探针尖端原子和 被测物表面一定范围内原子间的相互作用力，其分辨率通常比STM要低。另一方面，目前 STM的功能和测量模式较少，而在AFM基础上则已发展了许多新的功能和测量模式，如磁力 测量、静电力测量、压电响应测量模式、样品振动与声学模式等。故而在STM上实现一种与 AFM中类似的振动样品的测量方式，以利用STM的高分辨率测量得到样品表面更多的、纳米 或原子尺度的特性细节，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在通常STM的基础上，通过对 被测样品施加微小的机械振动，在测量隧道电流的同时测量样品在纳米或原子尺度的特性 的装置。本专利技术的另一目的在于根据该装置提供一种可以在完成常规的STM形貌扫描的 同时实现样品表面不同组成原子的种类辨别，或反映样品在纳米尺度的弹性性质的方法。为了实现专利技术目的一，采用的技术方案如下一种振动样品的扫描隧道显微镜，包括扫描头、前置放大器、扫描隧道显微镜控制 器，所述扫描头设有导电金属探针，前置放大器设置有电流/电压转换器、低通电压放大器 和带通电压放大器，本专利技术还设置有相位检测器，所述相位检测器分别连接带通电压放大 器和扫描隧道显微镜控制器，且相位检测器还设置有电压信号发生器，电压信号发生器与 设置在探针下方的压电激振器连接。本专利技术不影响原来的STM测量功能。在进行测量时，电压信号发生器产生的电压 信号施加在压电激振器上，使之产生机械振动。压电激振器与被测样品紧密地粘合在一起， 因而会带动被测样品振动。振动的方向为样品表面的法线方向，即为探针的长度方向。振 动的频率选定在通常STM反馈回路的响应带宽以上，且振动幅度与隧道结间距相比很小， 因此，该振动对隧道电流的常规成像没有影响。4上述技术方案中，所述低通电压放大器和带通电压放大器并联，其共同输入端连 接电流/电压转换器的输出端，低通电压放大器的输出端连接扫描隧道显微镜控制器，带 通电压放大器的输出端连接相位检测器。振动所引起的、微小的隧道电流交流分量经过前 置放大器中的电流/电压转换器和带通电压放大器放大后由相位检测器测量，可测量得到 其振幅和相位。该振幅和相位信号反映被测样品在纳米或原子尺度上的局域性质，可以用 来成像。因此，在探针的一次扫描中，可同时获得被测物表面的二维形貌图、交变电流振幅 图和相位图。在交变电流振幅图和相位图上，可得到与二维形貌图所未能显示出的细节，这 些细节能够反映出被测原子的元素种类差异，可用于原子或分子种类的识别，或反映出被 测材料在纳米微区内的物理性质的差异，如粘弹性质。为了实现专利技术目的二，采用的技术方案如下一种振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，采用扫描隧道显微镜测量被测样品 的隧道电流，同时通过电压信号发生器产生的电压信号施加在压电激振器上，使之带动被 测样品振动，再由相位检测器测量振动所引起的隧道电流交流分量的振幅和相位。所述电压信号发生器产生的电压信号施加在压电激振器上，使之产生机械振动， 振动的方向为与压电激振器紧密地粘合在一起的样品表面的法线方向，也是探针的长度方 向，振动的频率大于扫描隧道显微镜反馈回路的响应带宽，且振动幅度小于隧道结间距。本专利技术通过扫描隧道显微镜同时获得被测样品表面的二维形貌图、交变电流振幅 图和相位图。通过获得的交变电流振幅图和相位图，能够反映出被测样品原子的元素种类差 异，进行原子或分子种类的识别，或反映出被测样品在纳米微区内的物理性质的差异。获得的交变电流振幅图和相位图进行原子或分子种类的识别的具体操作如下首先根据隧道电流公式I = I0exp(-2K · z)，其中K为隧道电流的衰减常数，ζ 为隧道结间距，设振动引起的隧道结间距的变化为z = z0+Acos(2 π f *t)，其中A表示被测 样品的机械振动幅度，f表示振动频率，t为时间，得出归一化电流的对数形式为=In(IAtl) =-2 κ ζ0-2 κ Acos (2 π f · t)。由于隧道电流的交变分量Iac相对总的隧道电流来说很小， 因而可得Ia。~ κ ·Α。在二维分布图上，交变电流分量Ia。所对应的图像反映的是隧道电 流的衰减常数κ的空间分布的差异。由于不同种类的原子的κ值存在差异，因而能够辨 别或识别不同的元素种类。该操作主要针对被测样品与压电激振器结合很紧密且被测样品 的机械特性差异不大的情况。获得的交变电流振幅图和相位图反映出被测样品在纳米微区内的物理性质的差 异具体操作如下首先根据隧道电流公式I = I0exp(-2K ·ζ)，其中κ为隧道电流的衰减常数，ζ为 隧道结间距，设振动引起的隧道结间距的变化为z = Z(l+AC0S(2Jif · t)，其中A表示被测 样品的机械振动幅度，f表示振动频率，t为时间，得出归一化电流的对数形式为=In(IAtl) ="2 κ ζ0-2 κ Acos (2 π f · t)。在二维分布图上，交变电流分量Ia。所对应的图像将反映有 效振动幅度A的空间分布。由于有效振动幅度A主要与材料的物理性质有关，因而能够用 来表征物理特性。该操作主要针对被测样品的微观机械特性存在较大的差异的情况。本专利技术在STM装置中对样品进行微小的机械振动激发不会影响原有的STM测量功 能。通过施加这一激发并且同时测量隧道电流中的相应交流分量的振幅和相位，可以得到更多的与材料特性有关的纳米或原子微区的信息。在具体应用实例中，用样品振动的方法 实现了不同元素的辨别和多相合金材料中不同相的分辨。附图说明图1为本专利技术的结构原理图；图2为交变响应信号的振幅和相位随频率变化的曲线图；图3为实施例一的结果图；图4为实施例二的结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。本专利技术的结构示意图如附图1所示，包括设有探针1-1的扫描头1，设置有电流/ 电压转换器2-1、低通电压放大器2-2、带通电压放大器2-3的前置放大器2，相位检测器3， 以及扫描隧道显微镜控制器4，所述低通电压放大器2-2和带通电压放大器2-3并联，其共 同输入端连接电流/电压转换器2-1的输出端，低通电压放大器2-2的输出端连接扫描隧 道显微镜控制器4，带通电压放大器2-3的输出端连接相位检测器3，相位检测器3还设置 有电压信号发生器3-1，电压信号发生器3-1与设置在探针1-1下方的压电激振器1-3连 接，被测样品1-2与压电激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动样品的扫描隧道显微镜，包括扫描头（１）、前置放大器（２）、扫描隧道显微镜控制器（４），所述扫描头（１）设有探针（１－１），前置放大器（２）设置有电流／电压转换器（２－１）、低通电压放大器（２－２）和带通电压放大器（２－３），其特征在于还设置有相位检测器（３），所述相位检测器（３）分别连接带通电压放大器（２－３）和扫描隧道显微镜控制器（４），且相位检测器（３）还设置有电压信号发生器（３－１），电压信号发生器（３－１）与设置在探针（１－１）下方的压电激振器（１－３）连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁喜冬，张进修，曾荣耀，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[]