[實用新型]全面相消抗溫漂掃描探針顯微鏡探頭

無效

• 申請號: 200720130842.4
• 申請日: 2007-12-10
• 公開（公告）號: CN201210412Y
• 公開（公告）日: 2009-03-18
• 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: G12B21/24
• 分類號: G12B21/24;G12B21/02;G01N13/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及掃描探針顯微鏡探頭及其制造方法，具體說是一種以并排站立并固定于基座的左右或左中右壓電管作為探針支撐、樣品支撐和探針相對于樣品的XYZ三維定位裝置，并通過匹配各壓電管的長度及其與基座的對稱性來全面抵消熱脹冷縮對探針-樣品間距的影響，最大程度地抑制溫度漂移的掃描探針顯微鏡探頭，屬掃描探針顯微鏡技術領域。

背景技術

掃描探針顯微鏡(SPM)的最重要技術指標之一是其溫度漂移(簡稱溫漂)或稱熱穩定性。以掃描隧道顯微鏡(STM)為例：最關鍵的成像信號是隧道電流，它是按指數關系依賴于探針-樣品間距的，一般探針-樣品間距每改變0.1納米，則隧道電流要相應地改變10倍。如果探針與樣品構成的隧道結是由XYZ壓電掃描管、不銹鋼支架、基座一起構成的機械環路而支撐起來的，且假設XYZ壓電掃描管的長度為3厘米，其熱膨脹系數為5×10^-6/℃，不銹鋼(真空用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼)支架長度為4厘米，其熱膨脹系數為16×10^-6/℃，忽略基座的影響，那么，環境溫度變化一度就導致探針-樣品間距變化490納米，也即溫度漂移系數為490納米/℃。如果一天(1440分鐘)之內有一度的溫度變化，則相當于每分鐘探針-樣品間距變化0.34納米。也就是說，每分鐘隧道電流要變化超過1000倍！這是非常不穩定的，根本無法成像。類似情況也可發生在原子力顯微鏡身上，甚至更顯著，因為在排斥力模式(較常見的工作模式)下工作時，原子力顯微鏡測量的原子力是非常短程的力。

現有的幾種減少溫度漂移的技術包括：(1)減少支撐探針與樣品的機械環路(包括XYZ壓電掃描管、外支架、基座)的長度，例如：減少XYZ壓電掃描管和外支架的長度，這種方法只能很有限地減小溫度漂移，不能消除，因為環路長度再小也不能為零，而且減小XYZ壓電掃描管長度將直接犧牲掃描范圍和Z調節靈敏度；

(2)將一個壓電管共軸地放入另一個壓電管內部并共同固定于基座，探針與樣品設置在這兩個壓電管的自由端之間，這其實也不能很好地消除溫度漂移，原因是：內外壓電管共軸嵌套結構雖然在橫方向是同心圓結構，如果探針和樣品設置在圓心(即對稱軸上)則探針-樣品間距的橫向分量不會因熱脹冷縮而變化，但探針-樣品間距的縱向分量受熱脹冷縮的影響會非常大，因為外界溫度變化對應的熱輻射被外壓電管阻擋而不能直接、快速地到達內壓電管，這使得內外壓電管所受的熱輻射程度不同，所以它們縱向熱脹冷縮的程度也不同，而且還有延遲；另外，由于外壓電管的表面積必然大于內壓電管，這種不對等又進一步加大了內外壓電管的吸熱散熱的差別，增加了內外壓電管的縱向熱脹冷縮差距；

所以，壓電管共軸嵌套結構不能很好地抵消內外壓電管的縱向熱脹冷縮而獲得恒定的探針-樣品間距；需要強調的是：縱向熱脹冷縮穩定性遠比橫向熱脹冷縮穩定性重要得多，因為前者對成像信號的影響是指數性的、短程的；

(3)使用熱膨脹系數小的材料制作支架，與XYZ壓電掃描管一個支撐探針一個支撐樣品，這也不能很好地消除縱向熱漂移，因為即使該材料的熱膨脹系數為0，但由于XYZ壓電掃描管的熱膨脹系數不為0(一般在10^-6/℃量級)，所以探針與樣品不能在縱向同步等量地熱脹冷縮，故不能消除縱向熱漂移；

(4)使用與XYZ壓電掃描管的縱向熱脹冷縮相同的材料制作支架，但這也是難以實現的，因為這不僅要求該支架與XYZ壓電掃描管的縱向熱膨脹系數相同，而且也要求它們的導熱系數和熱容量必須相同，否則它們雖處于相同的熱環境，但它們吸放熱的速度不同將導致它們的溫度不相同，依然不能獲得相同的縱向熱脹冷縮；

(5)加快掃描速度以減少成像時間，這顯然是治標不治本，而且加快掃描速度也會大大犧牲分辨率，因為輸出成像信號的放大電路的帶寬是非常有限的，不能很好地響應快速變化的探針信號；(6)減少外界溫度的變化，這是非常困難的，需要復雜昂貴的精確控溫系統，而且很多情況下就是專門要在變溫過程中成像來研究溫度對某個樣品或效應的影響。

目前還沒有一項技術能較理想地消除掃描探針顯微鏡探針-樣品間距的縱向溫度漂移。更沒有一種在變溫過程中依然能獲得穩定圖像的掃描探針顯微鏡。

發明內容

為了克服現有技術中掃描探針顯微鏡探針-樣品間距縱向分量熱穩定性低的缺點，提供一種抗溫度漂移掃描探針顯微鏡探頭。

本實用新型抑制溫度漂移這一技術問題所采用的技術方案是：