专利名称：扫描隧道显微镜多元探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及扫描隧道显微镜装置，特别是用于样品测试的探头。
IBM公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·雷罗尔博士于1982年共同研制成功了世界第一台扫描隧道显微镜[Phys.Rev.Lett.49(1)，57(1982)]，使人类第一次能够实时地观察到原子在物质表面的排列状态。该装置的问世立即得到了世界科技界的高度重视，美国、西欧、加拿大和日本等国的不少公司和大学都投入了许多的人力物力和财力开展这一项研究。在短短几年时间里，实验室仪器已经历了四代变化，有几家公司现已推出了第二代商品仪器(Digital公司的NanoscopeⅡ，W.A.TECHNOLOGY的ScanningTunnelingMicroscope)。尽管如此，在这个新兴领域里，不论在该装置本身的技术方面，还是在其应用方面均有大量问题有待系统深入研究。
历来的扫描隧道显微镜探头[VG公司的STM2000(1987)，MCALLISTERTECHNICALSERVICES的ScanningTunnelingMicroscope(1988)]都是在固定的一对探针和样品座上，通过重新搬运安装探针和样品来实现探针与样品组合，而进行扫描隧道显微镜测试的，这样通过一次搬运拆装之后，一般说探针在上次测试中的那种锋芒已不复存在，很难保证探针条件的重复性;而且每次安装探针和样品，都要用手工操作，在放大镜下调准等，多有不便;尤其在真空中，需要通过操纵机械手做传递安装探针和样品操作，显得更加不易。至于用历来的探头在深冻的低温腔内去做样品与探针间任意组合下的扫描隧道显微镜测试，就很难办到了。
本发明为了克服上述缺点，研制出一种新型多元探头，其特征在于具有能安多个探针的探针台和能安多个样品的样品台，而台与台座之间呈随转动(或移动)随固紧的连接方式，从而保证了台与台座之间运动和固紧动作的平稳性，为保持在同一气氛中，方便迅速地实现探针与样品间(相同或不同材质的探针对相同或不同材质的样品)任意组合下的扫描隧道显微镜测试，提供了一种工具，加上这种探头能保持探针的锋芒，不会因其探针的调位而损坏，可以重复轮翻使用，所以扫描隧道显微镜多元探头很适于系统的研究。真空下使用这种探头，能直接通过样品台动作可使样品处于做表面处理位置或处于做他种表面分析测试位置上，比用历来的扫描隧道显微镜探头做同类工作，可省去探针和样品的转运台、处理台，省去传递安装探针和样品的机械手。通过探针台动作，能使探针处于被处理位置上(例如通过场离子显微镜单元)可以有控制地制造探针锋芒的尖锐程度，直到尖端只有一个原子，为直接使用具有这种锋芒的探针做扫描隧道显微镜测试提供了可能。
扫描隧道显微镜多元探头可以采用一般扫描隧道显微镜逼近调节机构以两个相对逼近元件作台座，分别在其上面添加能安多个探针的探针台和能安多个样品的样品台，使台与台座间呈随转动(或移动)随固紧连接的方法制造;此外也可以采用把探针台和样品台的调位，予调节和逼近调节三者的固紧机构合而为一，以下面实施例的方法制造。
实施例本发明扫描隧道显微镜多元探头的实施例见
图1(装置示意图)、图2(样品部分示意图)和图3(探针部分示意图)。该装置包括用作探针(7)与样品(6)相对逼近调节的差动滑行部件、用作样品(6)的安置和调位的样品台部件、用作探针(7)的安置，调位并兼作予置位调节的探针台部件以及用作随转动(或移动)随固紧连接的施力元件四个部分。
差动滑行部件由差动螺杆(14)、带有不同螺纹的滑块(2)和滑块(10)以及滑轨(1)组成;差动螺杆(14)采用单杆双螺纹式，与滑块(2)和滑块(10)螺纹连接，其差动螺纹螺距的差为0.001-0.05毫米，本例为0.007毫米。滑轨(1)为直线移动型导轨，本例为90°单V槽接触式。滑块与滑轨间的摩擦系数不大于0.25。
样品台部件由样品台(5)、样品台座(4)、样品(6)、样品托(16)，螺母(17)和压电陶瓷管(15)组成。压电陶瓷管(15)为三维扫描控制器件，其外径6.5毫米，内径5毫米，长15毫米，它的一端固定在样品台(5)上，另一端固定有螺母(17)[样品台(5)，螺母(17)与压电陶瓷管(15)上诸电极均电绝缘]。
样品(6)和样品托(16)可以胶接或弹性片夹持，本例采用导电胶粘接。安装样品时先将样品(6)固定在样品托(16)上，再把样品托(16)以其上M2.5螺纹旋紧在螺母(17)上去。
本例样品台(5)为园柱形，在其上部园柱面上水平地均布着多个样品，本例为三个样品(6)，园柱面下部有对应三个压电陶瓷管(15)的诸电极和螺母(17)、并与之电连接的三组触点;这三组电触点与样品台座(4)中固定的一组电触点，随样品台(5)所处的方位不同而或离或合。样品台(5)顶端，有供拨动样品台(5)旋动的开口槽。
探针台部件是由探针台(11)、探针台座(8)、探针(7)、探针座(18)、绝缘套(19)、螺母(20)、予调节螺杆(13)和小支架(12)组成。小支架固定在滑块(10)的外端面上，予调节螺杆(13)与小支架螺纹连接而与探针台座(8)铰接。绝缘套(19)固定在探针台(11)上，套(11)内固定螺母(20)。本例采用的探针(7)是由直径0.5毫米的钨丝制做的。安装探针时，将探针(7)紧插在探针座(18)中心孔中，再将探针座(18)以其上M2.5螺纹旋紧在螺母(20)上去。
本例探针台(11)亦为园柱形，在上部园柱面上水平地均布有多个探针，本例为6个探针(7)，在园柱面下部有对应于6个探针(7)、并通过螺母(20)与之电连接的6个触点，这6个电触点与探针台座(8)中的一个固定的触点，随探针台(11)所处的方位不同，或离或合。探针台(11)顶端有供拨动探针台(11)旋动的开口槽。
施力元件(3)和施力元件(9)可以是磁性元件或弹性金属片，本例为永磁元件，施力元件(3)和施力元件(9)可以分别固定在滑块(2)和滑块(10)的上面，本例则采用将施力元件(3)固定在样品台座(4)的底部，它一方面把样品台(5)和样品台座(4)拉紧在一起，同时把置于样品台座(4)下面的滑块(2)夹紧在滑轨(1)上，其夹紧力约为滑块重力的20倍;将施力元件(9)固定在探针台座(8)的底部，一方面把探针台(11)和探针台座(8)拉紧在一起，同时把置于探针台座(8)下面的滑块(10)夹紧在滑轨(1)上，其夹紧力约20倍于滑块重力。
操作过程拨动装好了探针(7)的探针台(11)和装好了样品(6)的样品台(5)转动，把希望组合在一起做扫描隧道显微镜测试的探针(7)和样品(6)调位到差动螺杆(14)正上方的相向位置上，也只有处在这个位置上的探针(7)和样品(6)才能通过电触点，接通隧道电流和控制扫描电路。驱动予调节螺杆(13)旋转，带动探针台座(8)在滑块(10)上做滑动，粗调节探针(7)接近样品6到0.02-0.1毫米，且随即被固紧在滑块(10)上。驱动差动螺杆(14)旋转，通过滑块在滑轨(1)上相对移动[可以是双滑块移动，也可以是固定一个滑块让另一个滑块移动。本例为固定住滑块(2)使滑块(10)移动]，以带动探针台(11)与样品台(5)做相对逼近调节。从而在探针(7)与样品(6)之间获得所需大小的隧道电流以进行扫描隧道显微镜测试。待这一个组合的扫描隧道显微镜测试完毕之后，驱动差动螺杆(14)旋转，使探针(7)离开样品(6)0.02-0.1毫米;驱动予调节螺杆(13)旋转退开探针台(11)，使探针离开样品(6)到2-8毫米。至此可以进行下一个组合的扫描隧道显微镜测试调节过程。
此种扫描隧道显微镜多元探头，经实空下对石墨样品测试证明，操作灵活方便，可稳定地进行探针与样品间任意组合的扫描隧道显微镜测试，得到具有原子级分辨率的清晰图象。
权利要求
1.一种扫描隧道显微镜多元探头，其特征在于具有能安多个探针(7)的探针台(11)和能安多个样品(6)的样品台(5)，样品台(5)与样品台座(4)、探针台(11)与探针台座(8)呈随转动(或移动)随固紧的方式连接，该探头包括作探针(7)与样品(6)相对逼近调节用的差动滑行部件、作样品(6)的安置和调位用的样品台部件、作探针(7)的安置和调位并兼作予置位调节用的探针台部件以及作随转动(或移动)随固紧用的施力元件四个部分。
2.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜多元探头，其特征在于所说的差动滑行部件是由差动螺杆(14)、具有不同螺纹的滑块(2)和滑块(10)以及滑轨(1)组成，差动螺杆(14)采用单杆双螺纹式，与滑块(2)和滑块(10)螺纹连接，其差动螺纹的螺距差为0.001-0.05毫米，所说的滑轨(1)是直线移动型导轨，滑块与滑轨间的摩擦系数不大于0.25。
3.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜多元探头，其特征在于所说的样品台部件是由样品台(5)、样品台座(4)、样品(6)、样品托(16)、螺母(17)和压电陶瓷管(15)所组成，压电陶瓷管(15)作为三维扫描控制器件，它的一端固定在样品台(5)上，另一端固定螺母(17)，安装样品时，先将样品6固定在样品托(16)上，再把样品托(16)旋紧在螺母(17)上去。
4.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜多元探头，其特征在于所说的探针台部件是由探针台(11)、探针台座(8)、探针(7)、探针座(18)、绝缘套(19)、螺母(20)、予调节螺杆(13)和小支架(12)组成，小支架(12)固定在滑块(10)上，予调节螺杆(13)与小支架(12)螺纹连接而与探针台座(8)铰接，绝缘套(19)固定在探针台(11)上，套内固定螺母(20)，安装探针时，将探针(7)紧插在探针座(18)中，再将探针座(18)旋紧在螺母(20)上去。
5.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜多元探头，其特征在于所说的施力元件(3)和施力元件(9)为磁性元件(或金属弹性元件)，分别固定在滑块(2)和滑块(10)的上面[或分别固定在位于滑块(2)上面的样品台座(4)的底部和位于滑块(10)上面的探针台座(8)的底部]，通过施力元件的作用，一方面把滑块(2)和滑块(10)夹持在滑轨(1)上，致使滑块和滑轨呈随移动随固紧的连接方式，另一方面又把样品台(5)和探针台(11)拉紧在对应的样品台座(4)和探针台座(8)上，致使台与相应的台座之间呈随转动(或移动)随固紧的连接方式。
6.根据权利要求1所述的扫描隧道显微镜多元探头，其特征在于探头的测试调节步骤是转动(或移动)装好了探针的探针台(11)和装好了样品的样品台(5)，把希望组合在一起的探针(7)和样品(6)调到差动螺杆(14)正上方的相向位置上，驱动予调节螺杆(13)旋转，带动探针台座(8)在滑块(10)上滑动，粗调节探针(7)接近样品(6)到0.02-0.1毫米，驱动差动螺杆(14)旋转，通过滑块在滑轨(1)上的移动，带动探针台(11)与样品台(5)做相对逼近调节，从而在探针(7)和样品(6)之间获得所需大小的隧道电流以进行扫描隧道显微镜测试，待这一个组合的测试完毕之后，驱动差动螺杆(14)旋转，使探针(7)离开样品(6)0.02-0.1毫米，驱动予调节螺杆(13)旋转，退回探针台(11)使探针(7)离开样品(6)到2-8毫米，至此可以进行下一个组合的扫描隧道显微镜测试调节过程。
全文摘要
本发明的扫描隧道显微镜多元探头由能安多个探针(7)的探针台(11)、探针台座(8)、能安多个样品(6)的样品台(5)、样品台座(4)、施力元件(3)、(9)以及台座(4)和台座(8)的逼近调节机构[(1)、(2)、(10)、(14)]组成。该装置可在同一气氛中方便而迅速地实现探针与样品间任意组合下的扫描隧道显微镜测试，并且探针的锋芒不会因调换位置而损坏，可反复使用，尤其对样品以及样品与探针关系的系统研究颇为适宜。经实空下对石墨样品测试表明，可稳定地得到具有原子级分辨率的清晰图象。
文档编号G02B21/00GK1040442SQ8910445
公开日1990年3月14日 申请日期1989年7月8日 优先权日1989年7月8日
发明者陈增波, 白春礼, 戴长春, 黄桂珍, 宋传风, 罗常红, 阮理科 申请人:中国科学院化学研究所