【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分所述的传感器，尤其适用于结合的原子力 显微镜，即原子力显微镜与其它扫描探针显微镜的结合。一个示例是相结合的扫描隧道和 原子力显微镜。
技术介绍
扫描探针显微镜通过如下方式工作在表面上方(在x和y方向)扫描锐利的针 尖，同时利用控制针尖的高度z的反馈电路来保持针尖和样本之间的相互作用力恒定，从 而形成图像z(x，y)。通过针尖-样本的相互作用来限定图像对比度。区分两种基本的方 法利用排斥相互作用成像和利用吸引相互作用成像。当针尖接近样本时，最初是吸引力。 一旦针尖和样本彼此“接触”，就变成排斥力。扫描隧道显微镜基于相似的原理，但是它需要 导电的针尖和样本。不是测量力，而是测量一旦施加偏压就会流动的电流(从大约100fA 至IJ大约1000nA)，并且针尖与样本之间的距离足够小(在0. 2nm与2nm之间)。通过将探针针尖安装在悬臂弹簧上来测量力。在准静态力显微镜中，测量静态弹 簧偏转。在动态力显微镜中，悬臂发生振荡并测量可观察量，例如相对于正弦驱动信号的振 荡幅度、频率或振荡相位。原则上，能够通过测量悬臂的偏转或由偏转得到的量以及在针尖 和样本之间流动的隧道电流，来同时测量力(或者由其得到的量，例如力梯度)。图1是用于同时隧道和力显微镜的传感器的示意图。传感器(刚度K)以幅度A 振荡。无扰谐振频率是fo= (k/my_5/2，并且该频率变化为f= ((k+<kts>)/nO°_5/2。 针尖_样本力梯度< kts >的影响引起如下频移A f = < kts > / (2k) f0(Gl. 1...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
2010.11.23 DE 102010052037.31的前序部分所述的传感器，尤其适用于结合的原子力 显微镜，即原子力显微镜与其它扫描探针显微镜的结合。一个示例是相结合的扫描隧道和 原子力显微镜。背景技术扫描探针显微镜通过如下方式工作在表面上方(在x和y方向)扫描锐利的针 尖，同时利用控制针尖的高度z的反馈电路来保持针尖和样本之间的相互作用力恒定，从 而形成图像z(x，y)。通过针尖-样本的相互作用来限定图像对比度。区分两种基本的方 法利用排斥相互作用成像和利用吸引相互作用成像。当针尖接近样本时，最初是吸引力。 一旦针尖和样本彼此“接触”，就变成排斥力。扫描隧道显微镜基于相似的原理，但是它需要 导电的针尖和样本。不是测量力，而是测量一旦施加偏压就会流动的电流(从大约100fA 至IJ大约1000nA)，并且针尖与样本之间的距离足够小(在0. 2nm与2nm之间)。通过将探针针尖安装在悬臂弹簧上来测量力。在准静态力显微镜中，测量静态弹 簧偏转。在动态力显微镜中，悬臂发生振荡并测量可观察量，例如相对于正弦驱动信号的振 荡幅度、频率或振荡相位。原则上，能够通过测量悬臂的偏转或由偏转得到的量以及在针尖 和样本之间流动的隧道电流，来同时测量力(或者由其得到的量，例如力梯度)。图1是用于同时隧道和力显微镜的传感器的示意图。传感器(刚度K)以幅度A 振荡。无扰谐振频率是fo= (k/my_5/2，并且该频率变化为f= ((k+<kts>)/nO°_5/2。 针尖_样本力梯度< kts >的影响引起如下频移A f = < kts > / (2k) f0(Gl. 1)其中nf是悬臂的有效质量。频移可以用作反馈信号以控制扫描样本的探针针 尖的距离。在针尖和样本都是导电的并且施加了偏压时，由振荡调制并且包括关于样本的 重要信息的隧道电流流动。对于金属针尖和样本，真空间隙的隧道电阻大致由下式给出 12. 9kQ Xexp(-2z/100pm)。期望同时测量力和电流，因为那扩展了扫描探针显微镜的适用 性。诸如qPlus 传感器(例如 DE 19633546 C2 和 F. J. Giessibl, Applied Physics Letters 73, 3956,1998 以及 F. J. Giessibl, Applied Physics Letters 76,1470, 2000)的 压电传感器和所谓的针式传感器(例如，参见K. Bartzke et al. , International Journal of Optoelectronics 8，Nos. 5/6，669-676，1993 ;T. An et al. Appl. Phys.Lett.87, 133114,2005)由石英横梁构成，利用压电效应测量该石英横梁的横向偏转(qPlus)或长度 的延伸(针式传感器)。石英横梁由为恒定偏转采集电荷并且在振荡时产生交流电的两对 电极(qPlus)或两个单独的电极(针式传感器)覆盖。图2中示意性示出的qPlus传感器10利用了横梁偏转，其中具有针尖14的可偏 转横梁12安装在静止的(in rest)基部。压电效应将由偏转造成的机械应变转换为由覆 盖石英横梁的电极所采集的表面电荷。在横梁如图2所示向上偏转时，横梁的上半部受到拉伸应变，而下半部受到压缩应变。由于压电效应，存在机械应力o meeh时出现了表面电荷密度oel，其中表面电荷密 度由下式给出o el = d12 o mech(eq. 1)前因子d12是对于石英而言具有大约2. 3pC/m的典型值的压电耦合常数。机械应 变导致了表面电荷，表面电荷由电极采集并传送给放大器。选择电极的几何布置，以使得对 于给定的弯曲对称性提供最大的电荷，从而在偏转测量中获得最大的信噪比。基本上正弦 的偏转转换为基本上正弦的交流电。当想要并联测量隧道电流时，需要将导电针尖连接到外边。现有技术 (F. J. Giessibl, Applied Physics Letters 76,1470, 2000)利用石英横梁的一个电极将隧 道偏压引导到针尖。在样本处采集隧道电流。该布置的一个缺点在于需要在样本处采集 隧道电流，而偏转信号以及偏转信号和隧道电流之间的电流分离不可实现。样本需要与扫 描探针显微镜的主体电绝缘。这显然是不利的，尤其是对于低温显微镜而言，因为样本需要 良好地热接到冷却槽以允许低的样本温度。正如威德曼_弗朗兹定律所述，好的电连接将 确保好的热连接，反之亦然。而且样本和样本支架通常远大于隧道针尖，因此它们相对于地 具有较大的电容(通常为几十皮法)。对地的大电容具有限制隧道电流测量的带宽和增大 其噪声指数的缺点。DE19513529A1涉及一种针式传感器，其包括位于横梁的相对面上的驱动电极以驱 动横梁产生谐振。其中一面包括连接到针尖的附加电极以允许测量隧道电流。发明内容本发明的目的是构造一种适用于扫描力和扫描隧道显微镜的传感器，该传感器消 除了上述缺陷，并且生产简单且具有成本效益，该传感器允许原子方式(atomic regime)的 高空间分辨率，并且操作可靠。根据本发明，通过如权利要求1中限定的传感器来实现该目的。本发明的有益之处在于通过包含除了偏转电极之外的一个或多个电极的横梁， 可以实现附加的功能。例如，可以电接触针尖以允许测量隧道电流。补充的电极位于横梁 上在偏转期间包含较低表面电荷密度的区域中，以便确保在偏转测量和隧道电流之间小的 串扰，以便在偏转信号和隧道电流之间实现电流分离，以及以便使样本能够接地。而且，该 补充的电极传感器能够以简易可靠的方式安装在传感器上，简化了传感器的制造过程。这 进一步使得能够以高带宽和低噪声来测量隧道电流。该传感器不但可以应用在相结合的扫 描隧道和扫描力显微镜中，而且还可以应用在与测温法相结合的力显微镜中、与磁性信息 的高度局部化记录相结合的力显微镜中以及与测磁法相结合的力显微镜中。本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。附图说明在下文中，将通过参考附图来介绍本发明的示例，其中图1是用于同时扫描隧道和扫描力显微镜的传感器的示意图；图2是qPlus-传感器的示意性透视图；[0021]图3是根据本发明的传感器的一个实施例的示意图；图4A-图4C是图3中所示的传感器沿着A-A横截面具有一个(图4A)、两个(图 4B)以及四个补充电极(图4C)的示意性截面图；以及图5A-图是根据图3中所示的本发明的传感器的视图，其中具有相结合的力和 隧道电流传感器的电气接线图的示例的示意性表示(图5A)，一种集合了针尖加热的方案 和一种能够生成局部高度受限的磁场的方案(图5B)，一种具有相结合的力和温度传感器 的方案(图5C)以及最后的一种具有相结合的力和霍尔传感器以测量磁场的方案(图5D)。具体实施方式图2示出所发明的传感器10的示例，该传感器包括由压电材料制成的振荡横梁， 在其自由端固定电连接的针尖14并且该振荡横梁指向横向方向。横梁12是U形音叉结构 的一股，而横梁16用于将传感器10安装到扫描单元上(参见图5)，该扫描单元跨越样本 22的表面20扫描传感器10。单元18包括驱动横梁12和其具有针尖14的自由端横向振 荡(参见针尖15)的驱动器24。根据图4，横梁12的横截面是矩形的，并且两个水平侧边固定两个偏转电极之一 的第一部分26A和第二部分26B,即两个电极部分26A、26B —起构成了第一偏转电极(在下 文中，我们将横梁12的与振荡方向对齐的那些侧面表示为垂直的，例如平行于振动平面的 侧面，而我们将横梁12的垂直于振荡，即垂直于振动平面对齐的那些侧面表示为水平的)。 两个垂直面包括偏转电极的第一部分28A和第二部分28B和28C,该偏转电极具有与第一偏 转电极相反的振荡相位。第二电极的第二部分分割为28B和28C两部分，在两者之间留下 足够的空间以容纳可以用于传送隧道电流的补充电极30A。隧道电流电极30A在横梁12的 两个垂直面中的至少一个的中心以轴向方向延伸(偏转电极28C也可以类似于电极28A和 28B进行分割，以留出用于附加的补充电极30B的空间，参见图4B)。而且，可以进一步对 补充电极30A和30B进行分割以提供如图4C中所示的四个补充电极30A、30B、30C和30D。在图3所示的示例中，补充电极30在靠近针尖14的区域32中比在远离针尖14 的区域中在侧面的更宽的部分上延伸，其中补充电极位于偏转电极28B、28C之间。偏转电 极部分28B、28C(以及第二偏转电极28的部分28A和第一偏转电极26的部分26A、26B)没 有延伸到靠近针尖22的区域，在该区域中增大了隧道电流电极30的垂直延伸程度。除了接近针尖的区域33以外，隧道电流电极30不在横梁的设置了第一偏转电极 26的两个部分26A和26B的水平面上延伸。因为针尖14位于顶部的水平面上，隧道电流电 极30需要在靠近针尖的水平面上延伸。第一偏转电极26的两个部分26A、26B优选跨越横梁12的两个水平面的整个区域 延伸(除了如上所述的靠近针尖的区域)，其中第二偏转电极28的部...
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