[發明專利]三維微驅四電極可置換探頭

有效

• 申請號: 201210330923.4
• 申請日: 2012-09-07
• 公開（公告）號: CN102866266A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 劉燦華;葛劍峰;賈金鋒
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01Q60/16
• 分類號: G01Q60/16
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及一種電極探頭，特別是一種用于超高真空環境中的三維微驅四電極探頭。

背景技術

晶體材料的表面最外層原子結構與電子態往往表現出與其體態相異的特性，成為許多物理，材料和化學等學科在基礎與應用兩方面的研究熱點。掃描隧道顯微鏡是這一科研領域的重要的研究儀器。

鑒于許多材料表面易被大氣污染，絕大多數的掃描隧道顯微鏡工作在超高真空當中；將一個有尖銳針頭的單探針插入到一個三維微驅單電極探頭上，實現原子尺度的形貌觀測與電子態密度測量。如果要獲取材料表面的電子輸運特性，則需要植入四探針技術：將四探針接觸到材料表面，外側兩探針間通入恒流電流，通過測量內側兩探針的電勢差，從而算出該材料的表面電阻來。

為了將材料表面的原子形貌及電子態與其電導特性直接聯系起來研究，可將微米四探針與掃描隧道顯微鏡融合到一臺儀器上去。具體實現方案是設計一種新的三維微驅探頭，一方面在插入單電極探針后它能繼續維持掃描隧道顯微鏡的功能；另一方面在插入四電極探針后能實現四探針輸運測量。這種新的三維微驅探頭需要接出四個電極來，且在實用當中，須能方便插入或移除單電極探針或四電極探針，以實現單電極探針與四電極多探針的隨意置換。目前的四探針測試設備，四根探針的距離均在毫米級別左右，對于材料表面它的敏感性遠遠不夠，這樣的測量會導致表面的電導特性被材料體電子特性信息淹沒。微米四探針，由于其微米級的間距，本質上幾乎不會受體電子影響。而目前的掃描隧道顯微鏡，其掃描管都是設計成型的，只能使用單探針測量，它的探針底座不能安裝四探針。因此設計兼容四探針以及單探針的探針底座，并依此設計相應的掃描管，對于材料表面物理性質研究實驗是巨大的創新和突破。本發明所設計的三維微驅四電極可置換探頭，可將這兩套系統融合在一起，實現對表面及薄膜材料的原子結構與電子態的原位表征以及電子輸運的原位測量的一體化。

發明內容

針對以上提到的現有技術的不足，提出本發明。

本發明的目的是提供一種兼容掃描隧道顯微鏡單電極探針與四探針輸運測量的四電極探針的三維微驅可置換探頭。

本發明的三維微驅四電極可置換探頭包括：四電極探針座；與探針座配套的三維微驅四電極底座。

四電極探針座進一步包括：頂部中心留有四電極探針插槽的針尖架；固定在銅制針尖架底部的螺紋桿尾端的三個用陶瓷片絕緣隔離的環形中空銅電極。此三個電極通過用導電膠粘在內壁上的銅線分別連接到四電極探針的第一探針、第二探針、第三探針；針尖架上部及螺紋桿則通過銅導線連接到第四探針。

三維微驅四電極底座主要由三維粗驅動的壓電陶瓷步進電機和三維微驅動的壓電陶瓷掃描管組成。掃描管的內壁被陶瓷層絕緣隔離成四段銅電極，最上一段銅電極即第四電極帶內螺紋，與四電極探針座的針尖架下部的螺紋桿相匹配。單電機探針的針尖架螺紋桿與此螺紋桿尺寸相同，從而此處內螺紋與掃描隧道顯微鏡的單電極探針的針尖架匹配；其余三段銅電極內壁上安裝有鈦合金彈簧片，用于保證分別與四電極探針座下部的第一電極、第二電極、第三電極的電路導通。這四段銅電極分別與四束銅導線相連，以此引出作為測量時的輸入輸出四電極端子。

本發明的優越性在于：

(1)將螺紋固定法與耳塞式直插直入型電極接觸法相結合，不但保證了四電極電流電壓的穩定通路；且實現了對四電極探針座的簡單插拔；

(2)最上部電極保留螺紋，可與掃描隧道顯微鏡的單電極探針相兼容。只需簡單的旋轉插拔，便可方便實現對單電極與四電極探針的更換。

(3)整個四電極探頭置于三維驅動壓電陶瓷之上，既可實現四電極輸運測量時需要的垂直運動的細微驅動，也可實現掃描隧道顯微鏡工作時需要的三維運動的細微驅動。

以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發明的三維微驅四電極可置換探頭的結構的示意圖

具體實施方式

下面結合附圖說明本發明的三維微驅四電極可置換探頭。

本發明的三維微驅四電極可置換探頭如圖1所示，包括：四電極探針座1；與四電極探針座配套的三維微驅四電極底座12。