[實用新型]偏置電流型掃描隧道譜儀及掃描隧道顯微鏡

無效

• 申請號: 200620126683.6
• 申請日: 2006-10-31
• 公開（公告）號: CN200989961Y
• 公開（公告）日: 2007-12-12
• 發明（設計）人: 陸輕鈾
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G01N13/12
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 何梅生

技術領域：

本實用新型屬于掃描隧道顯微鏡技術領域，特別涉及偏置電流型掃描隧道譜儀及掃描隧道顯微鏡。

背景技術：

據美國《物理評論快報》(Physical?Review?Letters，1982年第49期57頁)以及《科學儀器評論》(Review?of?Scientific?Instrument，1987年第58期2010頁)介紹，掃描隧道顯微鏡的成像原理是：用Z定位器將探針指向并靠近樣品表面形成隧道結(探針-樣品間距Z一般小于10個納米)且在二者之間加偏壓V以產生隧道電流I，同時用XY定位器驅動探針相對樣品做掃描運動，再通過測量I在掃描過程中的變化來獲得樣品表面的原子排列圖象(此為恒高模式：constant?height?mode)或者用I通過一個反饋控制器去調節Z定位器來改變樣品-探針間距Z以使I在掃描過程中維持恒定并由Z定位器的調節信號來成像(此為恒流模式：constantcurrent?mode)。也可以用掃描隧道顯微鏡來測量隧道結的恒高I-V曲線譜和恒偏壓I-Z譜，此時即成為一臺掃描隧道譜儀。

掃描隧道顯微鏡自1982年問世以來，都是以電壓源在探針和樣品之間施加偏壓，而以隧道電流作為待測信號的。這樣做的一個重大缺點是：由于隧道電流很小(在微安以下)，特別是對于皮安以下的弱導電樣品，就必須使用高阻值電阻或低容值電容將弱隧道電流轉換成易測量的電壓信號。但是，根據《應用表面科學》雜志(Applied?Surface?Science，2001年第175-176期746頁)以及《科學儀器評論》(Review?of?Scientific?Instrument，2005年第76期23703頁)介紹，高阻值電阻的寄生電容也較大，可達皮法量級(10^-12F)，使得RC延遲增加即帶寬變小，導致測量時間長、增益提高困難、信號丟失，信噪比減小，分辨率變差；且高阻值電阻本身的電壓噪音很大，疊加到輸出信號上就進一步降低了信噪比和分辨率；如果使用低容值電容來放大弱電流，根據美國德州儀器(Texas?Instrument)的Burr?BrownACF2101型開關積分器(Switched?Integrator)1994年產品規格說明(datasheet?PDS-1078D)，漏電流的影響也會使得弱電流測量很困難。

但另一方面，隧道電流弱正說明隧道結本身具有很高的有效電阻。根據美國《物理評論快報》(Physical?Review?Letters，2001年第86期5321頁)的記載，隧道結本身的電容很小，約為10^-16F量級，遠遠低于高阻值電阻的寄生電容。這說明隧道結本身就是一個很好的放大弱電流的器件，不僅因為阻值很高能提供很高的增益，而且RC常數低，給出的帶寬很寬。

隨著納米科技的發展，出現了越來越多的將掃描隧道顯微鏡應用于生物、半導體、氧化物、多聚物等弱導電領域的需要。但現有掃描隧道顯微鏡受制于上述困難，不適用于上述弱導電領域。

實用新型內容：

本實用新型的目的是提出一種電流偏置的掃描隧道譜儀及掃描隧道顯微鏡，采取由電流源向隧道結輸入電流，而以隧道結電壓作為輸出信號或成像控制信號，以較大幅度地提高測量速度、信噪比和靈敏度，克服現有掃描隧道顯微鏡帶寬小以及在不增加測量時間的條件下增益提高困難的缺點。

本實用新型的偏置電流型掃描隧道譜儀，包括：探針架固定于Z定位器的一端、樣品架固定于基座，或探針架和樣品架的位置互換，探針固定在探針架上，Z定位器的另一端固定于所述基座或固定于另一個位置可調節的基座上使探針指向樣品架上的樣品；其特征在于：電流源的兩極分別連接探針和樣品，并將該探針和樣品間的電壓信號輸入到緩沖器的輸入端，由該緩沖器給出輸出信號。

本實用新型的偏置電流型掃描隧道顯微鏡，包括：探針架固定于XYZ定位器的一端、樣品架固定于基座，或探針架和樣品架的位置互換；探針固定在探針架上，XYZ定位器的另一端固定于所述基座或固定于另一個位置可調節的基座上使探針指向樣品架上的樣品；其特征在于：電流源的兩極分別連接探針和樣品，并將該探針和樣品間的電壓信號輸入到緩沖器的輸入端，由該緩沖器給出輸出信號。

本實用新型的偏置電流型掃描隧道顯微鏡中的所述緩沖器的輸出端還可以連接到反饋控制器的輸入端，由該反饋控制器的輸出端接所述XYZ定位器的Z定位。

本實用新型的偏置電流型掃描隧道譜儀或偏置電流型掃描隧道顯微鏡中的所述電流源可以是直流電流源或交流電流源。