专利名称：双针纳米结构研究开发系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个能够实现纳米结构的在线构筑，并对纳米结构形成的动态过程及其现象、效应、性能、功能、结构、机理和控制进行研究、检测和开发的双针纳米结构研究开发系统。
背景技术：
场发射显微术是人类第一个实现原子尺度分辨率的显微技术，并形成一套特有的针状样品的制作、修饰及清洁方法和显微分析技术。
扫描隧道显微术(STM)不仅是探测表面原子结构的工具，而且对针尖位置的精确控制和量子效应的检测具有独特的技术优势。虽然STM已经发展成包括原子力扫描隧道显微镜等十多种扫描样品的家族，但仍基本限于单个探针对样品表面形状显微和探测。尚缺少对针状样品进行研究，也没有使探针和针状样品协同工作于同一微区，利用样品针尖表面是由具有各种纳米结构和尺度的小表面组成的事实，通过它们彼此接近和接触实现纳米结构的在线动态构筑，并对所形成纳米结构进行检测、研究和开发，把研究的工具(探针)和研究对象(样品)统一起来的思路。
发明内容
将场离子显微术制作、清洁、修饰、研究针状样品与扫描隧道显微术对探针针尖位置的精确控制和量子效应检测的优势结合起来，即把扫描隧道显微镜探针与场离子显微镜针状样品结合为一体，从而把探针和针状样品两者的作用和功能合而为一，形成动态构筑和研究纳米结构的新技术和实现该技术思路的系统。
本发明的目的是提供一种由两个针状样品，其位置由系统工作站控制，按研究开发要求将其针尖送达微米至亚纳米的空间范围，甚至接触，构筑纳米结构，并同时作为施加和采集信号的探针，检测以量子效应为特征的各种信号，达到对纳米结构的动态构筑过程及其现象、效应、性能、结构、机理和控制进行观察、检测、研究和开发的新技术和实施研究开发的双针纳米结构研究开发系统。
实现本发明的目的的双针纳米结构研究开发系统(参见附图1、2)，该系统包括两个探针或针状样品(以下称作探针/样品)1-1，1-2或/和样品，探针/样品驱动系统，偏压和激发信号发生器8，信号采集放大器9，对整个工作系统的探针/样品位置，信号发生、施加和采集，信号处理、反馈控制和输出实行协调统一控制的系统工作站10，防震台5，以及探针/样品显微观测11、样品在位修饰、温度控制、环境控制辅助系统；其探针/样品驱动系统由步进驱动系统3和安装探针/样品的压电晶体支架2、步进驱动电源6、压电晶体驱动电源7组成；其所述的步进驱动系统由需要的移动驱动器、伸缩驱动器、转动驱动器和定位轨道4组成；压电晶体支架和步进驱动系统分别与压电晶体驱动电源7和步进驱动电源6相连；系统工作站10与步进驱动电源6、压电晶体驱动电源7、信号发生器8以及信号采集放大器9相连，信号发生器和采集放大器与针状/样品或/和样品相连；系统工作站10根据研究开发要求建立各个有关部分的相互关联和整个系统的关联模式，在显微观测系统11监视下，系统工作站10根据研究目的对步进驱动电源6发出指令对有关步进驱动器分别提供指定驱动，使两探针/样品尖端按设定角度和/或方位进入预定空间区域，再控制压电晶体驱动电源7驱动压电晶体支架2使两探针/样品尖逐步逼近达到预定微距离；系统工作站10同时指挥信号发生器8产生偏压信号施加于两样品探针/样品或/和样品之间，指挥信号采集放大器9采集探针或/和样品之间产生的信号，并根据检测信号对压电晶体驱动电源7发出反馈控制指令，驱动相关三维压电晶体支架2使两探针/样品针尖按要求做相对运劫，继续接近，以至接触形成纳米点结构，实现纳米点结构的现场动态构筑，并对施加和采集的各种信号记录、处理、显示和输出，实施对纳米结构的研究、检测和开发。
所述的针状探针/样品由导体，或半导体，或光纤，或磁性材料，或绝缘体，或复合材料制成，而且其尖端表面是由具有各种纳米尺度和结构的小面组成的多面体的裸露面。
所述的两个探针/样品可以是相同种类的，更可以根据需要用不同材料制作。
所述的针状样品可同时作为研究的扫描探针、研究对象或纳米点结构或器件的组成部分。
所述的两个探针/样品所承担的功能可以是相同的，也可以不同的，或复合的。
所述的两个探针/样品可以原位进行修饰和改性。
所述显微系统可以亚微米分辨率监视两探针/样品的工作情况。
本平台两个探针/样品的研究区域，可以被控制到微米、亚微米、纳米的小尺度空间范围，以至逐步逼近接触。
所述的针状探针/样品驱动系统可以是两个探针/样品其中的一个或者两个同时具有压电晶体或/和全部或部分步进驱动系统。
所述的信号发生器可产生机械或者电、磁、光、热、量子、粒子及混合激发，并按指定方式施加到探针/样品的一定部位。
所述的研究开发系统可应用于纳米结构的现场动态构筑，并对动态构筑的过程、现象、效应、性能、结构和机理进行观察、检测、研究，对其功能和控制进行开发。
所述的纳米结构包括被控制两探针/样品之间的间隙在内的纳米结构。
探针/样品步进驱动系统、步进驱动电源和控制驱动的系统工作站构成样品步进定位系统。步进驱动系统包括确定探针/样品1-1，1-2空间位置的步进驱动器3(包括确定样品位置需要的移动驱动器、伸缩驱动器、转动步进驱动器和定位导轨)。具体过程是由系统工作站10根据探针/样品的初始位置和研发要求指挥平台步进驱动电源6对有关移动步进驱动器提供指定驱动，对样品长度伸缩步进驱动器提供指定驱动使样品尖到达要求位置；必要时再驱动样品自旋转角步进驱动器使相应样品尖到达要求的轴方位角。以上过程均在显微观测系统11的监视下完成。
探针/样品压电晶体驱动系统的构成，包括固定样品的三维压电晶体支架2，压电晶体驱动电源7，信号发生器8，信号采集放大器9和控制样品精确位置的系统工作站10。系统工作站指挥信号发生器8产生偏压施加于压电晶体支架的X和Y轴使两探针/样品尖端相互对准，对压电晶体支架Z方向施加一定偏压使两探针接近，同时指挥信号采集放大器9采集两样品/探针之间的隧道电流，并根据采集的信号和研究要求对压电晶体驱动电源7发出反馈控制指令，调节对压电晶体有关轴向施加的电压，使得探针/样品尖端以亚纳米精粒度进入预定研究区域和距离，协同工作，达到研究开发的要求。
对所述探针/样品或通过它们对研究对象施加由信号发生器8产生的力、热、电、磁、光、量子、粒子及混合各种作用。
对所述探针/样品进行激发，经由采集放大器9检测采集激发所产生的力学、热、光、电、磁等各种量子或结构变化效果的各种信号，并送给系统工作站进行处理，实行反馈控制和进行研究。
本发明的双针纳米结构研究开发系统可用于动态或静态构筑纳米结构，并对纳米结构或器件构筑的过程和纳米结构或器件的现象、效应、性能、结构、机理、效能进行观察、检测和研究，对纳米器件和机构进行开发、控制和操作。
运用已有温控技术、真空技术、表面修饰改性技术等，能使本平台在需要的温度和环境——真空、气体、液体等不同环境下工作。
图1双针纳米结构研究开发系统方框图。
图2探针/样品压电晶体驱动系统示意图。
图3两探针/样品形成纳米结示意图。
图4两个探针/样品与一个样品形成三极纳米结构的示意图。
图中标识表示1、1-1、1-2探针/样品，2、2-1、2-2、2-3探针/样品和样品台压电晶体支架，3、3-1、3-2和3-3分别为探针/样品和样品台的步进驱动器，3-1-1和3-2-1分别为探针/样品1-1和1-2的伸缩步进驱动器，3-1-2和3-2-2分别为探针/样品1-1和1-2的纬度步进驱动器，3-1-3和3-2-3分别为探针/样品1-1和1-2的经度步进驱动器，3-3-1和3-3-2是样品台的步进驱动器，4、4-1、4-2、4-3分别为两探针和样品台的定位导轨，5、减震台，6、步进驱动电源，7、压电晶体驱动电源，8、信号(包括偏压)发生系统，9、信号采集放大系统，10、系统工作站，11、显微观测系统，12、样品，13、样品台。
图1中两个探针/样品1-1，1-2，探针/样品定位系统(由压电晶体驱动器2、步进驱动器3、定位导轨4等组成)，防震台5，步进驱动电源6，压电晶体驱动电源7，信号发生器8，采集放大器9和统一控制探针/样品位置，协调工作，指挥信号产生、采集处理和反馈控制的系统工作站10和显微观测系统11等主要部分，组成双针纳米结构研究开发系统。
图2中探针/样品1固定在X-Y-Z三维压电晶体支架2上。在系统工作站10通过指挥步进驱动系统使探针/样品1在显微观测系统11的监视下使样品到达要求方位后，指令平台信号发生系统8产生偏压施加于样品/探针的三维压电晶体支架的X和Y轴，直至探针/样品尖准确到达指定方位，再对压电晶体支架Z轴施加一定偏压使探针接近目标，同时指令信号采集放大器9所采集的两个探针/样品之间之间的检测信号，根据采集信号和要求对压电晶体驱动电源7发出反馈控制指令，分别调节施加到样品或/和样品台压电晶体支架X、Y、Z三个轴的电压，实现样品尖端位置的亚纳米精度精确控制。
图3中沿定位导轨4上移动的驱动器3-1-3和3-2-3分别确定探针/样品1-1和1-2的空间指向；探针/样品驱动器3-1-1和3-2-1分别确定样品探针/样品1-1和1-2的伸缩长度；各步进驱动器均由系统工作站10发出指令，控制步进驱动电源6提供指定驱动，使各样品到达要求的方位和位置。
探针/样品固定在压电晶体支架2-1或/和2-2上，由系统工作站10控制平台压电晶体驱动电源7，分别调节其对压电晶体支架2的X、Y、Z三维施加的电压，控制样品尖端位置达到亚纳米精度的空间范围。
探针/样品及其驱动定位系统均安置在防震减震台5上。
系统工作站10控制步进驱动电源6对两探针/样品1-1、1-2的“经度”步进驱动器3-1-3或/和3-2-3驱动，使两探针/样品相向处于同一条直线上；再对两探针/样品的伸缩步进驱动器3-1-1或/和3-2-1驱动，使两尖端接近至亚微米距离；系统工作站10再指挥压电晶体驱动电源7对两样品压电晶体支架2-1或/和2-2提供驱动电压，同时指令信号发生系统8产生偏压加到两个探针/样品之间，指令信号采集放大系统9同时采集两探针/样品之间的隧道电流，根据检测信号的大小及其随探针/样品移动的变化，对压电晶体驱动电源8发出反馈控制指令，使两样品尖对面接近，以至接触形成纳米结。
图4中由两个探针/样品与一个放置在样品台13上的样品12组成三极研究开发对象。系统工作站10通过指挥步进驱动电源6分别驱动探针/样品的经度步进驱动器3-1-3，3-2-3，或/和纬度步进驱动器3-1-2，3-2-2，或/和伸缩步进驱动器3-1-1或/和3-2-1，或/和样品台步进驱动器3-3-1，3-3-2，在显微系统11监视下使两个样品1-1和1-2尖分别与样品台13上的样品12的预定部位进入亚微米区域；系统工作站10再通过压电晶体驱动电源7分别驱动探针/样品压电晶体支架2-1，2-2或/和样品台压电晶体支架2-3，同时指令信号发生系统8产生偏压，使两探针/样品尖与样品12分别产生隧道效应，同时指令信号采集放大系统9采集探针/样品1-1，1-2与样品12之间的隧道电流，根据检测信号对压电晶体驱动电源7和信号发生系统8发出反馈控制指令，使两探针/样品1-1，1-2和样品12之间的预定部位进一步接近，甚至接触形成三极纳米结或纳米结构。
具体实施例方式
实施例1图1表示了本发明的双针纳米结构研究开发系统使两个分别用N型和P型半导体制作的探针/样品1-1，1-2的针尖相互接近，以至接触，形成一维纳米结(参见附图3)的一个实例。
系统工作站10指令步进驱动电源6对探针/样品1-1，1-2的步进驱动器3-1或/和3-2驱动，使之处于一直线上，并在显微系统11的监视下两针尖接近至亚微米距离；系统工作站10再指挥压电晶体驱动电源7对样品压电晶体支架2-1或/和2-2提供驱动电压，同时指令信号发生系统8产生偏压施加到两个探针/样品之间，指令信号采集放大系统9采集两探针/样品之间的隧道电流，根据检测隧道电流大小对压电晶体驱动电源7和信号发生系统8发出反馈控制指令，使两样品尖对面接近，以至接触形成纳米结。通过对探针/样品信号的施加和采集、处理、记录、显示和输出，实现对纳米结构的研究、检测和开发。
采用精密步进电机，例如日本ORIENTAL MOTOR Co.Ltd.生产的VEXTA stepping motorPXC43-03AA型步进电机，实现对探针位置的亚微米的精度控制。
用远工作距离显微镜，如美国HIROX公司生产的MX-10C配OL-350型物镜，以亚微米分辨率观察样品尖和样品的位置及工作过程。
1、本实例是利用样品的尖端是一个具有多种纳米微结构的多面体的裸露面，两样品尖对面接近以至接触，形成一维半导体纳米结的结构，并进行研究、检测和开发。
2、本实例由两个探针/样品现场构筑一维纳米结，经历动态接近以至接触的全过程。可以对一维纳米结形成的动态过程进行全程控制和检测，从而实现对这一过程及其各种效应、性能、机理、控制等进行研究和开发。
3、采用其它不同的材料制作探针/样品，施加不同的激发信号，例如微波或激光，用上述同样的方法可以构筑不同功能的一维纳米结构，并对一维纳米结构所形成的动态过程及其现象、效应、性能、结构、机理、控制，以及它和制作材料和形成纳米结接触面的结构的关系等进行研究、检测和开发。
4、所发明研究开发系统的特征是两个针尖工作时互为探针和样品，它可以通过对现有的各种扫描隧道显微镜进行适当的改造而实现，并简化驱动定位系统。
实施例2用超导材料制作探针/样品，且控制两探针/样品接近但不接触，并通过温度控制系统使两探针/样品进入超导状态，可以实现约瑟夫逊效应的动态研究。通过对高温超导约瑟夫逊效应等的研究，可以获得有关高温超导机理的信息。
实施例3两个探针/样品1-1，1-2还可以与第3个样品12构筑三极纳米结或结构并对其进行动态和静态的研究。图4即该实例示意图。方案中探针和样品的驱动定位分别由各自的定位轨道系统、步进驱动系统和压电晶体驱动系统三个部分组成。样品位置由放置它的样品台的位置确定。为了现场构筑三极纳米结，样品台13有驱动器2-1，3-3-1，3-3-2，定位导轨4-3，两个探针/样品1-1，1-2各有确定其方位的经度定位导轨4-1和纬度定位导轨4-2，以及相应的压电晶体驱动器2-1、2-2，步进驱动器3-1-1、3-1-2、3-1-3和3-2-1、3-2-2、3-2-3。
经度定位导轨4-1可以是一个圆，纬度定位导轨4-2可以是略长于1/4圆周的圆弧。经度导轨和样品纬度导轨在同一个球面上，并按同心的要求固定，置于减震台5上。以求探针/样品与纬度定位导轨4-2垂直时，其方向总是指向轨道系统的圆心。
方案中样品定位采用步进驱动定位技术与压电晶体定位技术相结合，实现样品方位及其尖端位置的亚纳米级精度精确控制1)方案中探针和样品步进驱动(例如使用日本ORIENTAL MOTOR Co.Ltd.生产的VEXTAstepping motorPXC43-03AA型步进电机)系统包括(1)每个探针/样品有确定它在其经度定位导轨上位置的步进驱动器3-n-3(n＝1、2)实现对探针/样品经度的精确控制。
(2)每个探针/样品有确定它在其纬度或定位导轨上位置的步进驱动器3-n-2(n＝1、2、3，下同)，实现对探针纬度和样品位置的精确控制。
(3)每个探针和样品或有控制其伸长度和自转角度的步进驱动器3-n-1。
(4)由系统工作站10通过控制步进驱动电源6确定对各样品步进驱动器3-n，提供指定驱动，使其所控制的探针或/和样品到达要求方位和位置。
2)方案中样品压电晶体驱动系统包括(1)安装探针或/和样品架的三维压电晶体支架2-n，(2)压电晶体驱动电源7，(3)信号(包括偏压)发生系统8，(4)信号采集放大系统9，(5)系统工作站10。
3)系统工作站10指挥压电晶体驱动电源7驱动各个样品压电晶体支架，同时指挥平台信号发生系统8产生偏压施加于探针/样品和样品之间，并同时指挥平台信号采集放大器9采集探针之间或/和探针与样品之间所产生效应的检测信号，根据采集的信号和研究要求对平台压电晶体驱动电源7发出反馈控制指令，分别调节对样品压电晶体支架X-Y-Z三维施加的电压，使样品尖进入亚纳米级的小尺度空间范围，实现对样品1-1或/和1-2尖端相对位置的精确控制。
权利要求
1.一种双针纳米结构研究开发系统，其特征是该系统包括以下称作探针/样品的两个探针或针状样品(1-1，1-2)或/和样品，探针/样品驱动系统，偏压和激发信号发生器(8)，信号采集放大器(9)，对整个工作系统的探针/样品位置，信号发生、施加和采集，信号处理、反馈控制和输出实行协调统一控制的系统工作站(10)，防震台(5)，以及探针/样品显微观测(11)、样品在位修饰、温度控制、环境控制辅助系统；其探针/样品驱动系统由步进驱动系统(3)和安装探针/样品的压电晶体支架(2)、步进驱动电源(6)、压电晶体驱动电源(7)组成；其所述的步进驱动系统由需要的移动驱动器、伸缩驱动器、转动驱动器和定位轨道(4)组成；压电晶体支架和步进驱动系统分别与压电晶体驱动电源(7)和步进驱动电源(6)相连；系统工作站(10)与步进驱动电源(6)、压电晶体驱动电源(7)、信号发生器(8)以及信号采集放大器(9)相连，信号发生器和采集放大器与针状/样品或/和样品相连；系统工作站(10)根据研究开发要求建立各个有关部分的相互关联和整个系统的关联模式，在显微观测系统(11)监视下，系统工作站(10)根据研究目的对步进驱动电源(6)发出指令对有关步进驱动器分别提供指定驱动，使两探针/样品尖端按设定角度和/或方位进入预定空间区域，再控制压电晶体驱动电源(7)驱动压电晶体支架(2)使两探针/样品尖逐步逼近达到预定微距离；系统工作站(10)同时指挥信号发生器(8)产生偏压信号施加于两样品探针/样品或/和样品之间，指挥信号采集放大器(9)采集探针或/和样品之间产生的信号，并根据检测信号对压电晶体驱动电源(7)发出反馈控制指令，驱动相关三维压电晶体支架(2)使两探针/样品针尖按要求做相对运劫，继续接近，以至接触形成纳米点结构，实现纳米点结构的现场动态构筑，并对施加和采集的各种信号记录、处理、显示和输出，实施对纳米结构的研究、检测和开发。
2.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是其针状探针/样品由导体，或半导体，或光纤，或磁性材料，或绝缘体，或复合材料制成。
3.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是其探针/样品尖端表面是由具有各种纳米尺度和结构的小面组成的多面体的裸露面。
4.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是针状样品同时作为研究的扫描探针、研究对象或纳米点结构或器件的组成部分。
5.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是两个探针/样品所承担的功能可以是相同的，不同的，或复合的。
6.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是两个探针/样品可以原位进行修饰和改性。
7.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是所述的针状探针/样品驱动系统可以是两个探针/样品其中的一个或两个同时具有压电晶体和需要的步进驱动定位系统。
8.如权利要求1所述的研究开发系统，其特征是所述的信号发生器可产生机械或者电、磁、光、热、量子、粒子及混合激发，并按指定方式施加到探针/样品的一定部位。
9.权利要求1所述的研究开发系统的应用，其特征是可用于纳米结构的现场动态构筑，并对动态构筑的过程、现象、效应、性能、结构和机理进行观察、检测、研究，对其功能和控制进行开发。
10.如权利要求9所述的研究开发系统的应用，其特征是所述的纳米结构包括被控制两探针/样品之间的间隙在内的纳米结构。
全文摘要
本发明提出了一种双针纳米结构研究开发系统。该系统两个针状样品的针尖由系统工作站控制，按研究开发要求实现亚纳米空间范围精度的控制，甚至接触，形成纳米结构，并同时作为施加和采集信号以及检测量子效应为特征的各种信号的探针，协同工作达到对纳米结构的在线动态构筑及对其过程、现象、效应、性能、结构、机理、控制等进行观察、检测、研究和开发。所述针状样品或探针由导体，或半导体，或光纤，或磁性材料，或绝缘体，或复合材料制成，而且其尖端是一个由具有各种纳米尺度和结构的小面组成的裸露面。两个探针 或/和样品可以是相同种类的，更可以根据需要用不同材料制作，针状样品可同时作为研究对象、构筑纳米点结构或器件的组成部分和对其进行研究的探针。
文档编号B82B3/00GK1733595SQ200410060680
公开日2006年2月15日 申请日期2004年8月3日 优先权日2004年8月3日
发明者刘武, 李志扬, 唐成春, 刘晓东, 杨河林, 马宁, 黄光明 申请人:华中师范大学