高穩(wěn)定掃描隧道顯微鏡的研制與應(yīng)用.pdf

1、掃描隧道顯微鏡(STM)是掃描探針顯微鏡家族中的重要成員，它利用量子隧穿效應(yīng)對樣品的表面形貌和電子態(tài)密度進(jìn)行研究，以其超高的實(shí)空間分辨能力被廣泛的應(yīng)用在材料物性表征、電化學(xué)測量、生物成像等科研領(lǐng)域。
　　STM技術(shù)發(fā)展至今，已衍生出諸如超高真空低溫STM、電化學(xué)STM等許多具有特殊功能的種類。然而，現(xiàn)有STM穩(wěn)定性依然不足，大多數(shù)仍然需要借助隔音減震裝置才能維持正常工作。為提高STM的穩(wěn)定性，我們首先從其核心部件粗步進(jìn)馬達(dá)著手，對

2、STM進(jìn)行改進(jìn)研究。
　　STM的粗步進(jìn)馬達(dá)大多是以壓電陶瓷作為驅(qū)動器的壓電馬達(dá)，當(dāng)前在STM中使用的壓電馬達(dá)都存在缺陷，不能滿足提高STM穩(wěn)定性的要求。因此，我們自主研制了一款全新原理和結(jié)構(gòu)的壓電馬達(dá)——壁虎壓電馬達(dá)。壁虎壓電馬達(dá)應(yīng)用簡單的“兩個(gè)摩擦力之和大于第三個(gè)”的原理，具有大步長、小尺寸、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、控制容易、工作溫度區(qū)間大、對機(jī)械加工精度要求低等其他壓電馬達(dá)不能同時(shí)具備的優(yōu)點(diǎn)。該工作已在SCI收錄的儀器類具有國際影響力

3、的雜志Review of Scientific Instruments上發(fā)表（在合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，在該期刊上發(fā)表的論文可等同于SCI-Ⅱ區(qū)刊物論文），并得到了審稿人的好評:“The design and idea is new.”
　　通過一段時(shí)間的應(yīng)用，我們對壁虎壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅改進(jìn)，制成了具有較強(qiáng)剛性的高剛性壁虎壓電馬達(dá)。管式高剛性壁虎壓電馬達(dá)的組成簡單，包括一根壓電陶瓷管、兩個(gè)完整全同金屬環(huán)、一根剛性滑桿

4、和一個(gè)彈簧片，制作與調(diào)節(jié)更加容易。改進(jìn)后的壓電馬達(dá)穩(wěn)定性更高，負(fù)載能力更強(qiáng)，更易于小型化和集成化。該工作也已在Review of Scientific Instruments上發(fā)表。此外，壁虎壓電馬達(dá)的相關(guān)研制工作已申請國家發(fā)明專利4項(xiàng)（其中2項(xiàng)已授權(quán)），國際發(fā)明專利2項(xiàng)。
　　利用管式高剛性壁虎壓電馬達(dá)，我們研制出了一款穩(wěn)定性較高的STM。自制STM使用一根尺寸為8×0.5×7mm(外徑×壁厚×長度，EBL＃3，EBLProdu

5、cts Inc.)的小壓電陶瓷管做為掃描管，壓電馬達(dá)同掃描管在一端共軸固定，探針同壓電馬達(dá)滑桿相連。掃描管使用全低電壓控制(-10 V～+10 V)，工作時(shí)，帶動壓電馬達(dá)及探針一起進(jìn)行掃描運(yùn)動。該STM具有較高的穩(wěn)定性，使用其對高定向熱解石墨(HOPG)進(jìn)行測量，得到了質(zhì)量較高的原子分辨率圖像。這套STM的成功研制使我們更加確信，低電壓控制和小尺寸的掃描頭結(jié)構(gòu)可以提高STM的穩(wěn)定性。
　　為去除需使用高電壓驅(qū)動的壓電馬達(dá)對STM穩(wěn)

6、定性造成的影響，我們設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了全低電壓控制獨(dú)立微小掃描頭型掃描隧道顯微鏡。這種全新結(jié)構(gòu)的STM與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，負(fù)責(zé)在樣品表面進(jìn)行掃描運(yùn)動的掃描頭同負(fù)責(zé)粗步進(jìn)的壓電馬達(dá)是相互獨(dú)立的，掃描頭進(jìn)行掃描成像時(shí)，壓電馬達(dá)同掃描頭之間空間隔離，由外部震動、聲音、熱漂移、電子噪音等引起的壓電馬達(dá)的波動干擾不能傳遞到掃描頭中，保護(hù)了掃描頭的穩(wěn)定性。獨(dú)立掃描頭采用兩端鉗緊結(jié)構(gòu)，掃描頭中使用的壓電掃描管尺寸更小3.2×0.5×7mm（外徑×壁厚×長度），

7、制作掃描管的壓電材料為穩(wěn)定性更高的EBL＃4型（EBL Products Inc.，相當(dāng)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的PZT-8型），確保了自身的穩(wěn)定性。整個(gè)掃描頭使用全低電壓控制掃描成像，避免了高電壓引入的高電子噪音，提高了STM的穩(wěn)定性。全低電壓控制獨(dú)立微小掃描頭型STM具有很高的穩(wěn)定性，對HOPG樣品的測量中獲得了清晰的原子分辨率圖像，甚至在無隔音減震系統(tǒng)的輔助下依然能保持優(yōu)異的成像質(zhì)量。在無任何輔助調(diào)節(jié)設(shè)備（如軟件反饋、環(huán)境溫度控制等）的室溫大

8、氣環(huán)境下，STM在X-Y方向的漂移速率約為22.6 pm/min，Z方向漂移速率優(yōu)于35.5 pm/min，遠(yuǎn)超商業(yè)STM相同條件下的性能水平。全低電壓控制獨(dú)立微小掃描頭型STM的相關(guān)研制工作已在Review of Scientific Instruments上發(fā)表論文1篇，申請國家發(fā)明專利2項(xiàng)。
　　本論文在開始簡要介紹了STM的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，隨后闡述了幾種我們應(yīng)用的比較成熟的探針制作方法和工藝，論文的后半部分詳細(xì)說明了我們自主研