本发明涉及扫描隧道显微镜，具体涉及一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置及控制方法。
背景技术：
1、扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,stm)自1981年由binnig和rohrer发明以来，凭借其原子级空间分辨能力，革新了表面科学、材料物理及纳米技术领域的研究范式。其核心原理基于量子力学中的隧穿效应：当金属针尖与导电样品表面间距缩小至纳米量级时，在外加偏压驱动下，电子可穿越能量势垒，形成隧穿电流。通过压电陶瓷驱动的三维纳米定位系统，针尖可沿样品表面进行原子级精度的扫描，实时反馈的隧穿电流变化经算法处理后可重构出表面形貌与局域电子态密度(ldos)分布(binnig et al.,physical review letters,1982)。然而，这一经典技术框架在物理机制与工程实现上存在固有局限，严重制约了其终极分辨能力的发挥。
2、传统扫描隧道显微镜(stm)的核心矛盾源于纳米级针尖与宏观样品表面的尺度不匹配。尽管针尖末端经过精细加工(曲率半径约5-50纳米，相当于数十个原子构成的微凸起)，但其探测范围却覆盖了样品表面远超原子尺度的区域(通常为平方微米量级)。这种"纳米探针-宏观视野"的物理特性导致：当针尖靠近样品时，其下方约1-3纳米范围内的数十个样品原子会同时参与隧穿过程(chen,c.j.,introduction to scanning tunnelingmicroscopy,1993)。
3、具体而言，即使针尖是一个末端为单原子的信号收集器，针尖仍会与其下方样品表面相应区域内的多个原子形成并联的电子通道。例如在金属表面成像时，针尖下方可能同时覆盖样品表面的多个相邻原子，这些原子的电子云共同向针尖发射隧穿电子，导致测量信号本质上是多个原子贡献的总体平均值(tersoff et al.,phys.rev.lett,1985)。更严重的是，由于样品表面原子排列的周期性，针尖在扫描时会周期性地触发不同原子组的协同响应，造成图像中出现本不存在的"超晶格条纹"(hofer et al.,science,2003)。这种因探测区域非局域性引发的信号混叠，已成为限制stm实现真正单原子分辨率的核心障碍。
4、现有尝试一般在针尖制备与系统架构两方面。在针尖优化方面，场离子显微镜(fieldion microscopy,fim)技术可通过场蒸发原理制备出末端仅含单个原子的理想针尖(nakamura et al.,ultramicroscopy,2012)。然而，此类针尖在实际操作中极易因机械振动、热漂移或意外接触而损坏，依赖于超高真空互联系统，对单原子成像的问题也仅仅是改善，因为其仍依赖于针尖-样品的传统构型，无法避免针尖原子与样品区域的多原子相互作用。在系统架构改造方面，stm裂结法(stm-bj)通过针尖与样品的机械撞击形成接触，提拉针尖形成金属原子线，与样品之间形成导电通道，可直接测量单原子尺度下的量子电导特性，但并非反映实空间原子位置，目前仍无法应用于成像领域。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置及控制方法，提出了一种针尖-隧道结-针尖结构，通过双针尖动态间距反馈控制与原子级精度调控，实现精准隧道结区构建和高重复性，在技术层面，此设计兼具高可控性、高效率构建优势和普适扩展能力，制备和控制方法简单，针尖材料的可选范围大。这一有关单原子成像的探测手段和实验平台，将有利于单原子相互作用的研究、极端条件下的物性探索和量子输运现象的研究。
2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置，包括：框架、粗逼近马达、xyz三维扫描器以及第一探针；
4、所述粗逼近马达固定于框架上，所述xyz三维扫描器一端固定于粗逼近马达自由端，并与粗逼近马达驱动方向共轴，所述第一探针固定于xyz扫描器的自由端，形成粗逼近马达推动第一探针向前运动的结构；
5、其特征在于，还包括第二探针；所述第二探针固定于框架上背离粗逼近马达的另一端，其针尖能够与第一探针针尖相对对准。
6、在其中一个实施例中，所述xyz三维扫描器与粗逼近马达为一体设置，形成驱动与扫描单元，安装在框架上，能够带动第一探针进行空间范围移动和在平面内进行扫描动作，使得第二探针的针尖与第一探针的针尖间距小至允许隧穿效应发生，通过施加偏置电压形成针尖-隧道结-针尖结构，且能够实时调控隧道结的几何参数和势垒特性，并能通过反馈控制维持隧穿效应的动态稳定状态。
7、在其中一个实施例中，所述第一探针、第二探针以及粗逼近马达驱动方向为同轴设置；当所述框架是管型框架时，管型框架、第一探针、第二探针以及粗逼近马达驱动方向均为同轴设置。
8、在其中一个实施例中，还包括第二探针架和夹持弹簧片；所述框架内设置有卡槽和开口；所述第二探针架放置在卡槽内；所述夹持弹簧片放置在第二探针架和卡槽壁之间、用于夹持所述第二探针架；所述第二探针的非针尖端与第二探针架固定连接，并通过所述开口伸出卡槽。
9、在其中一个实施例中，还包括电极接口，所述电极接口用于信号的接入和信号的读出，将外部控制器的驱动信号传递给所述驱动与扫描单元，向针尖-隧道结-针尖结构传递偏置电压，将相应的隧穿电流传出到采集设备。
10、在其中一个实施例中，所述框架的材料采用钛、钽、蓝宝石、氧化锆中的一种或者多种；所述第二探针、第一探针的材料采用钨、金、银、铂铱合金中的一种或多种，或者采用硅、锗、砷化镓中的一种或多种，或者采用修饰有co单分子的材料，或者采用在任何针尖形状基底上生长的纳米级薄膜，所述第二探针、第一探针的尖端可以修饰有碳纳米管，或者直接使用碳纳米管作为针尖。
11、第二方面，本发明提供了一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置的控制方法，具体包括：
12、在光学显微镜下，拨动第二探针架，使得第二探针、第一探针在垂直方向重合，并将两个探针的针尖的距离控制设定数值内；通过电极接口向驱动与扫描单元输出驱动信号，使得第一探针沿第二框架轴线方向行走，与第二探针在纵向的距离接近，使用光学显微镜观察，通过驱动信号调整第一探针的针尖在平面内的位置，两个探针的针尖距离接近，输出扫描信号使第一探针做扫描动作，如果未得到隧穿电流信号，则驱动信号使得第一探针沿轴向前进一步或者调整平面内位置，如果得到隧穿电流信号，则构建隧道结过程停止。
13、在其中一个实施例中，通过动态调节驱动信号输出，控制第一探针的针尖偏转，或者调整两个探针的针尖之间间距和相对构型，维持第二探针、第一探针始终处于隧穿效应可发生的距离内。
14、在其中一个实施例中，还包括隧穿电流—距离隧道谱的获取过程，具体包括：打开隧道结反馈回路，通过设定偏置电压和目标隧穿电流的大小，调整第二探针、第一探针的针尖的间距并稳定在所需要的大小；关闭反馈回路，在确定的偏置电压下，通过控制驱动与扫描单元来线性改变两探针的针尖之间的间距，同时检测隧穿电流的变化，以获得两个探针的针尖对准后隧穿电流随两个探针的针尖的间距变化的隧穿电流—距离隧道谱。
15、在其中一个实施例中，还包括隧穿电流—偏置电压隧道谱的获取过程，具体包括：打开隧道结反馈回路，通过设定初始隧穿电流和初始偏置电压的大小，调整第二探针、第一探针的针尖之间的间距稳定在设定的位置；关闭隧道结反馈回路，在确定的第二探针、第一探针的针尖之间的间距下，外部控制器改变对隧道结的偏置电压的同时检测隧穿电流的变化，以获得两个探针的针尖对准后的隧穿电流—偏置电压隧道谱。
16、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
17、(1)使用夹持弹簧片固定第二探针架，提供长程作用的弹力，在室温大气和低温环境中都能安全工作，同时可预先调整针尖位置，操作便捷。
18、(2)框架结构设计合理，保持高刚性的同时，整体尺寸较小，可以工作在狭窄的低温强磁场空间中，也可以移植到任何光学桌上，容易预留功能拓展接口，可以放置到微纳加工腔体中。
19、(3)本发明的一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置：基于量子隧穿效应的工作原理，使用驱动与扫描单元，可以动态反馈和调整双针尖间距，从而快速将针尖间距调整到合适大小，又不伤害针尖针尖，该单元以原子级的扫描精度，精准隧道结区构建，这一过程具备高重复性、高效率的特点，同时对环境依赖很小。
20、(4)本发明的一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置：控制器系统与基本的普通扫描隧道显微镜无区别，需要一个前置放大电路连接针尖，将隧穿电流放大为电压信号，被控制器采集，软件层面，仅需要监控隧穿电流信号，并指令驱动与扫描单元及时做出反应，可直接应用现成的商业控制器设备。
21、(5)本发明的一种针尖对针尖成像的扫描探针测量装置：整体结构简单，能够实现少数原子参与贡献隧穿电子以得到隧道电流的目的，从而实现少数或者单原子成像，通过改变针尖、隧道结间距、偏置电压，可应用于多种研究，并且为人们深刻理解纳米电子器件底层理论有指导意义。