一种基于扫描探针技术的定位系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米科学技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于扫描探针技术的定位系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002]在纳米尺度，量子物理学开始起重要作用，界面处的对称破缺效应也已支配着输运性质，新的物理行为也开始展现。由于维度的限制，纳米体系一个非常独特的特征就是它们的性质极其依赖于结构的细节特征。在这些诸多的性质当中，电子的输运性质至关重要，因为它与纳米材料的结构，电学、磁学、光学、力学、电化学等诸多性质强烈关联在一起。在电输运方面，除了尺寸效应的影响，电子之间的相互作用、热电子以及掺杂、缺陷等导致低维材料出现了不同于体材料的性质。因此，研究纳米材料的电学输运与纳米结构(缺陷，晶界等)在介观到原子尺度范围的耦合是至关重要的。
[0003]但是，研究纳米尺度的输运性质是极具挑战性的。首先，传统的探针或者电极对样品具有破坏性。其次，对于尺度远小于探针的样品，探针成为了主要的散射源，无法探测到样品本征的信息。而扫描隧道电子显微镜(STM)探针则可以避免对样品的损伤与影响。利用扫描隧道电子显微镜，可以获得原子级分辨的形貌与电学特征，并且采用其衍生出的扫描隧道谱(STS)也可以获得原子级的电子谱学特性。扫描隧道电子显微镜催生出了的各种不同类型的显微镜，比如原子力显微镜(AFM)，它可以用来研究绝缘样品，这类显微镜在本文中统称为扫描探针显微镜(SPM)。利用这些扫描探针显微镜，可以无损地获得样品原子级别的信息。基于传统的单探针扫描探针显微镜，人们还进一步开发出具有两个、三个或四个探针的多探针扫描探针显微镜。多探针能够用于测量样品的横向电导，测量样品表面的场效应晶体管结构，在测量时消除针尖与样品的接触电阻等。
[0004]无论是单探针扫描探针显微镜还是多探针扫描探针显微镜，样品的尺寸一般为毫米或者厘米量级，而观察所关注结构所需的分辨力需要达到纳米甚至埃的量级。因此，对于现有技术中典型的扫描探针显微镜，通常先通过粗动机制，配合光学显微镜或扫描电子显微镜等监视设备，将探针移动到所关注结构所处的大致区域，然后再利用基于扫描装置的精动机制，在几个微米的范围内对所关注的结构进行精确定位，进而获得所关注结构的各种细节信息。
[0005]然而，对于可获得原子分辨力的扫描探针，其扫描范围往往十分有限，这使得寻找所关注纳米结构的工作变得极为耗时与繁琐。例如，对于材料边界处的形貌以及电学信息的研究中，首先利用粗动机制(其移动步长为400nm)，配合光学显微镜的观察，将针尖大致移动到材料边界的上方区域，然后压低针尖，使用压电陶瓷扫描探针进行扫描，寻找表征材料边界的原子级别的台阶，如果未扫描到该台阶，则需要抬起针尖，再使用粗动机制并配合光学显微镜的观察，将针尖移动到另一个区域，接着再压低针尖，使用压电陶瓷扫描探针进行扫描。这样不断重复，直至压电陶瓷扫描探针找到表征材料边界的原子级别的台阶。众所周知，由于压电陶瓷本身特性的限制，压电陶瓷扫描探针的扫描精度和扫描范围往往不可兼得。通常情况下，探针的扫描精度越高，则扫描范围越小。对于典型的原子分辨的压电陶瓷扫描探针来说，其扫描范围通常只能达到约500nm，因此上述粗动与精动调节过程往往需要重复多次，难以对所关注纳米结构进行快速定位。尤其是，存在于样品表面的某些分子与其衬底的作用力比较弱，稍有扰动它就可能在样品表面旋转或者移动，而现有的扫描探针技术难以实现快速定位，也就难以对这类分子的旋转或者移动进行追踪。
[0006]因此，当前迫切需要一种将扫描探针快速定位到所关注纳米结构的解决方案。
【发明内容】
[0007]本发明的任务是克服现有技术的不足，提供一种将扫描探针快速定位到的所关注纳米结构的解决方案。
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种基于扫描探针技术的定位系统，包括:
[0009]第一级定位机构和由所述第一级定位机构驱动的可以在第一扫描范围内三维自由移动的第一基体；
[0010]安装在所述第一基体上的第一压电陶瓷装置，该第一压电陶瓷装置连接电驱动模块并提供一个第一安装面，该第一安装面能够在电驱动模块的作用下，在第二扫描范围内相对于所述第一基体做三维自由移动；
[0011]安装在所述第一安装面上的第二压电陶瓷装置，该第二压电陶瓷装置也连接电驱动模块并提供一个第二安装面，该第二安装面能够在电驱动模块的作用下，在第三扫描范围内相对于所述第一安装面做三维自由移动；以及
[0012]固定在所述第二安装面上的探针；
[0013]所述第二扫描范围的量级界于所述第一扫描范围和所述第三扫描范围之间，所述第一压电陶瓷装置的定位精度量级界于第一级定位机构和第二压电陶瓷装置的定位精度量级之间。
[0014]其中，所述第一级定位机构是机械定位机构，所述第一基体是一个刚性基体。
[0015]其中，所述第一或第二压电陶瓷装置是压电陶瓷管、三脚架型压电扫描装置、十字架配合单管型压电扫描装置或者堆栈型压电扫描装置。
[0016]其中，所述第一扫描范围是毫米量级至厘米量级的扫描范围，所述第一级定位机构的定位精度为微米或亚微米尺度。
[0017]其中，所述第二扫描范围在微米尺度，所述第一压电陶瓷装置的定位精度达到团簇尺度。
[0018]其中，所述第三扫描范围在亚微米尺度，所述第二压电陶瓷装置的定位精度达亚原子或埃的量级。
[0019]其中，所述探针为SPM探针或者光纤探针。
[0020]根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述基于扫描探针技术的定位系统的使用方法，包括下列步骤:
[0021]I)利用第一级定位机构驱动第一基体，使探针移动到所关注纳米结构附近；
[0022]2)利用第二级定位机构在第二扫描范围内对样品表面进行压电扫描，根据所关注纳米结构的外貌轮廓将探针对准所述所关注纳米结构；
[0023]3)利用第三级定位机构在第三扫描范围内对样品表面进行压电扫描，对所述所关注纳米结构的细节信息进行探测。
[0024]根据本发明的又一个方面，还提供了另一种利用上述基于扫描探针技术的定位系统的使用方法，包括下列步骤:
[0025]I)在所述定位系统安装第一光纤并将其作为所述探针，利用第一级定位机构驱动第一基体，探测样品表面的发光区域；
[0026]2)将所述第一光纤替换为第二光纤，所述第二光纤接收光信号的截面面积小于所述第一光纤，利用第二级定位机构在步骤I)所得发光区域内对样品表面进行压电扫描，将发光结构锁定在对应于所述第二光纤的区域内；
[0027]3)将所述第二光纤替换为光纤探针，利用第三级定位机构在步骤2)所得到的对应于所述第二光纤的区域内对样品表面进行压电扫描，得到所述发光结构的细节信息。
[0028]其中，所述发光结构的细节信息包括所述发光结构的形状。
[0029]与现有技术相比，本发明具有下列技术效果:
[0030]1、本发明能够快速地定位所关注纳米结构。
[0031 ] 2、本发明能够对纳米结构的移动进行跟踪。
【附图说明】
[0032]以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中:
[0033]图1示出了本发明的一个实施例的基于扫描探针技术的定位系统的结构示意图；
[0034]图2示出了基于本发明的一个实施例的定位系统快速寻找样品表面精细纳米结构的过程的示意图；
[0035]图3示出了本发明一个实施例的基于双探针的定位系统，对纳米线的电学输运性质进行测量的过程的示意图；
[0036]图4示出了本发明一个实施例中对样品表面的发光纳米结构进行精确探测并精确收集发光信息进行分析的过程的示意图；
[0037]图5示出了本发明中具有不同探针朝向的另外两种类型的定位系统的示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
[0039]图1示出了本发明的一个实施例的基于扫描探针技术的定位系统的结构示意图。参考图1，该定位系统包括:第一基体4，第一压电陶瓷扫描平台3，第二压电陶瓷扫描平台2和探针I。所述第一基体4由第一级定位机构驱动(图中未示出)，所述第一级定位机构驱动可以驱动所述第一基体4在第一扫描范围内三维自由移动。本实施例中，第一级定位机构是机械定位机构，第一基体4是一个刚性基体，由不锈钢材料制作。优选地，第一扫描范围是毫米或者厘米量级，第一级定位机构的定位精度为微米或亚微米尺度，其移动方式为步进方式。当然，在其它实施例中，第一级定位机构也可以采用螺杆与簧片结合方式等其它机械调节方式，或者是能够提供上述扫描范围和定位精度的其它驱动方式。在一个例子中，采用Scienta Omicron公司的MS5型压电陶瓷滑动器作为第一级定位机构。第一基体为长方体形，第一基体与第一级定