CN1963452B - 偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜，特征是探针架固定于Z***或XYZ***一端、样品架固定于基座，探针架和样品架位置可互换，固定在探针架上的探针指向样品架上的样品，电流源连接探针和样品构成的隧道结，该隧道结电压信号输入到缓冲器，由该缓冲器给出输出信号。调节样品-探针间距Z时可测V-Z谱；用交流电流源时可测dV/dI谱；用XYZ***时可测等高电压图像。如接入反馈控制器则可测样品恒流等电压图像。本发明利用了隧道结本身既有高阻特性可放大弱电流，且又寄生电容较小可提高带宽，使测量带宽和增益同时获得提高，并能改善灵敏度和信噪比；测量V-Z谱也比现有扫描隧道显微镜更简单、精确。

Description

偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜

技术领域：

本发明属于扫描隧道显微镜技术领域，特别涉及偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜。

背景技术：

据美国《物理评论快报》(Physical Review Letters，1982年第49期57页)以及《科学仪器评论》(Review of Scientific Instrument，1987年第58期2010页)介绍，扫描隧道显微镜的成像原理是：用Z***将探针指向并靠近样品表面形成隧道结(探针-样品间距Z一般小于10个纳米)且在二者之间加偏压V以产生隧道电流I，同时用XY***驱动探针相对样品做扫描运动，再通过测量I在扫描过程中的变化来获得样品表面的原子排列图象(此为恒高模式：constant height mode)或者用I通过一个反馈控制器去调节Z***来改变样品-探针间距Z以使I在扫描过程中维持恒定并由Z***的调节信号来成像(此为恒流模式：constantcurrent mode)。也可以用扫描隧道显微镜来测量隧道结的恒高I-V曲线谱和恒偏压I-Z谱，此时即成为一台扫描隧道谱仪。

扫描隧道显微镜自1982年问世以来，都是以电压源在探针和样品之间施加偏压，而以隧道电流作为待测信号的。这样做的一个重大缺点是：由于隧道电流很小(在微安以下)，特别是对于皮安以下的弱导电样品，就必须使用高阻值电阻或低容值电容将弱隧道电流转换成易测量的电压信号。但是，根据《应用表面科学》杂志(Applied Surface Science，2001年第175-176期746页)以及《科学仪器评论》(Review of Scientific Instrument，2005年第76期23703页)介绍，高阻值电阻的寄生电容也较大，可达皮法量级(10^-12F)，使得RC延迟增加即带宽变小，导致测量时间长、增益提高困难、信号丢失，信噪比减小，分辨率变差；且高阻值电阻本身的电压噪音很大，叠加到输出信号上就进一步降低了信噪比和分辨率；如果使用低容值电容来放大弱电流，根据美国德州仪器(Texas Instrument)的Burr Brown ACF2101型开关积分器(Switched Integrator)1994年产品规格说明(datasheet PDS-1078D)，漏电流的影响也会使得弱电流测量很困难。

但另一方面，隧道电流弱正说明隧道结本身具有很高的有效电阻。根据美国《物理评论快报》(Physical Review Letters，2001年第86期5321页)的记载，隧道结本身的电容很小，约为10^-16F量级，远远低于高阻值电阻的寄生电容。这说明隧道结本身就是一个很好的放大弱电流的器件，不仅因为阻值很高能提供很高的增益，而且RC常数低，给出的带宽很宽。

随着纳米科技的发展，出现了越来越多的将扫描隧道显微镜应用于生物、半导体、氧化物、多聚物等弱导电领域的需要。但现有扫描隧道显微镜受制于上述困难，不适用于上述弱导电领域。

发明内容：

本发明的目的是提出一种电流偏置的扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜，采取由电流源向隧道结输入电流，而以隧道结电压作为输出信号或成像控制信号，以较大幅度地提高测量速度、信噪比和灵敏度，克服现有扫描隧道显微镜带宽小以及在不增加测量时间的条件下增益提高困难的缺点。

本发明的偏置电流型扫描隧道谱仪，包括：探针架固定于Z***的一端、样品架固定于基座，或探针架和样品架的位置互换；探针固定在探针架上，Z***的另一端固定于所述基座或固定于另一个位置可调节的基座上使探针指向样品架上的样品；其特征在于：探针与样品构成隧道结，电流源的两极分别通过导线连接探针和样品，并将该探针和样品间的电压信号输入到缓冲器的输入端，由该缓冲器给出输出信号。

本发明的偏置电流型扫描隧道显微镜，包括：探针架固定于XYZ***的一端、样品架固定于基座，或探针架和样品架的位置互换；探针固定在探针架上，XYZ***的另一端固定于所述基座或固定于另一个位置可调节的基座上使探针指向样品架上的样品；其特征在于：探针与样品构成隧道结，电流源的两极分别通过导线连接探针和样品，并将该探针和样品间的电压信号输入到缓冲器的输入端，由该缓冲器给出输出信号。

本发明的偏置电流型扫描隧道显微镜中的所述缓冲器的输出端还可以连接到反馈控制器的输入端，由该反馈控制器的输出端接所述XYZ***的Z定位。

本发明的偏置电流型扫描隧道谱仪或偏置电流型扫描隧道显微镜中的所述电流源可以是直流电流源或交流电流源。

本发明的偏置电流型扫描隧道谱仪或偏置电流型扫描隧道显微镜中的所述Z***或XYZ***可以使用任何类型的***；但如果使用压电材料制成的***就可以更容易精确地控制、调节探针与样品的相对位置，获得更稳定、更可靠的数据。

本发明的偏置电流型扫描隧道谱仪及偏置电流型扫描隧道显微镜中，所述缓冲器的输出阻抗以不大于隧道结阻抗为佳，缓冲器的增益可正可负，其绝对值可以等于1，小于1，大于1，但设成高于10^-5为佳。

本发明的偏置电流型扫描隧道谱仪及偏置电流型扫描隧道显微镜所述电流源可以使用任何类型的电流源；但为提高精度需，选用能使隧道结电压信号强于1微伏的电流源为佳。

使用时，通过Z***调节探针与样品的间距Z，而隧道结在电流源作用下的输出电压就是恒定隧道电流下的随Z而变的隧道结电压，该隧道结电压信号经过缓冲器缓冲之后信号内阻被调节到适合于驱动下一级电路或各种记录装置，即可测出V-Z曲线，这是传统扫描隧道显微镜所不易测量的。将该V-Z曲线对Z求导，即可得dV/dZ谱。如果使用交流电流源作用于隧道结，还可很容易地测量到隧道结上的交变电压同Z的关系曲线，即dV/dI-Z谱。在这个基本结构的基础上，可以把Z***换成XYZ***，通过XY扫描信号驱动XY***使得探针相对于样品表面做扫描，这样，隧道结在电流源作用下产生的电压V随XY的分布就是一张样品的三维等高恒流电压图像。该隧道结电压信号经过缓冲器缓冲之后，可驱动下一级电路或记录装置。在此基础上，再在缓冲器与XYZ***的Z定位之间添加一个反馈控制器，就可以用经过缓冲的隧道结电压信号通过反馈控制器去调节Z***来改变样品-探针间距Z以使隧道结电压在扫描过程中维持恒定，并由Z***的调节信号来成像，这就得到了样品的三维恒偏流等电压图像。而传统扫描隧道显微镜测量的是样品的三维恒偏压等电流图像。二者是类似的，都应是原子分辨率，但本发明的带宽却要高一个量级以上，这样就可以在不损失测量时间的情况下进一步提高放大倍数，克服了传统扫描隧道谱仪及其扫描隧道显微镜中用电压源在探针与样品之间加偏置电压这一做法的需要使用高阻值电阻(寄生电容大，RC常数高)或低容值电容(漏电流影响大)的缺点。

本发明在探针对样品表面扫描过程中，由于在不同测量点处由探针-样品构成的隧道结的等效电阻阻值不同，使得隧道结在电流源的作用下产生不同的电压。由于隧道结的等效电阻的阻值较高(＞1兆欧姆)，所以隧道结上的电压也较大(＞1微伏，依赖于隧道电流的大小)，是个经过放大了的、易测量或处理的电压信号。这其实是利用了隧道结本身具有高阻值的特性，将其作为放大弱电流所需的高阻值电阻以获得较高的增益，且利用了隧道结的等效电容至少比高阻值电阻的寄生电容小一个数量级的特性(一般情况下二者的数量级分别为10^-16F和10^-12F，视样品和电阻类型而定)，使得本发明的RC常数要比传统的扫描隧道谱仪及其扫描隧道显微镜中的RC常数至少小一个量级；这就大大提高了带宽，并且使得在不损失测量时间的前提下进一步提高增益成为可能，从而可以测量更弱的隧道电流，提高了测量的灵敏度。这在测量如生物样品、弱半导体或氧化物样品等弱导电样品时尤具优势。此外，本发明的另一个优势为：比传统的扫描隧道显微镜更容易测量恒定隧道电流I下的V-Z谱，因为传统扫描隧道显微镜的探针信号是电流信号，是探针-样品间距Z的函数，必须借助于反馈控制器才能在改变Z时维持I恒定，且其维持电流恒定的能力和精度不如电流源好；而本发明中的电流源已经确保了隧道电流为恒定，Z的改变直接导致V变化，不需使用反馈控制器即可测量出恒定隧道电流I下的V-Z谱。

随着纳米科技的发展，出现了越来越多的将扫描隧道显微镜应用于生物、半导体、氧化物、多聚物等弱导电领域的需要，这必须使用很高增益和信噪比的扫描隧道显微镜。现有技术不能在不延长测量时间的前提下来大幅提高对弱电流测量的增益。本发明利用了隧道结可同时具备高电阻和低寄生电容的特性，所以可同时提高隧道电流测量的增益和带宽，适用于弱导电样品的研究。

附图说明：

图1是本发明偏置电流型扫描隧道谱仪的固定样品式V-Z谱、dI/dV谱测量的结构原理示意图。

图2是本发明偏置电流型扫描隧道谱仪的固定探针式V-Z谱、dI/dV谱测量的结构原理示意图。

图3是在图1基础上用XYZ***取代Z***后构成扫描隧道显微镜的结构示意图，用于三维等高恒流电压成像。

图4是在图3基础上添加反馈控制***的扫描隧道显微镜的结构示意图，用于三维恒流等电压成像。

图5是本发明偏置电流型扫描隧道谱仪的一个电流源与缓冲器合而为一的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：偏置电流型扫描隧道谱仪的一种基本结构

本实施例采用将样品固定、通过移动探针来实现探针与样品之间相对位置的调节。

图1给出了本实施例偏置电流型扫描隧道谱仪的结构原理示意图：将样品3固定在样品架4上，探针1固定在探针架2上，探针架2固定在Z***6的一端，样品架4固定在基座5上，Z***6的另一端固定于所述基座5或固定于另一个位置可调节的基座上使探针指向样品架上的样品，探针1与样品3构成隧道结J。将电流源7的两极分别通过导线连到隧道结J的探针和样品上，电流源7的极性可以对调。隧道结J上的电压信号通过导线连接到缓冲器8的输入端。电流源7采用直流电流源，也可以采用交流电流源。

使用时通过Z***6调节探针-样品的间距Z，而隧道结J在电流源7作用下的输出电压就是恒定隧道电流下的随Z而变的隧道结电压，该隧道结电压信号经过缓冲器8缓冲之后驱动能力提高，可驱动下一级电路或各种记录装置，从而测出V-Z曲线谱。这是传统扫描隧道显微镜不容易测量的，因为传统扫描隧道显微镜的探针信号是电流信号，是探针-样品间距Z的函数，必须借助于反馈控制器等其它设备才能在改变Z时维持隧道电流恒定，且其维持电流恒定的能力不如电流源好；而本发明中的电流源7已经确保了隧道电流不变，Z的改变直接导致V变化，经缓冲后很容易测量。该V-Z曲线对Z求导可得dV/dZ谱。如果使用交流电流源作用于隧道结J，还可很容易地测量到隧道结上的交变电压同Z的关系曲线，即dV/dI-Z谱。

本发明抛弃了现有技术中用电压源在探针1与样品3之间加偏置电压这一做法，而改用电流源7在探针1与样品3之间加偏置电流；这里真正起放大作用的是隧道结本身，利用的是隧道结本身的高阻值和低寄生电容的特性。如果隧道结在某一偏压V₀作用下产生的隧道电流为弱电流I₀，则反过来也可以认为是隧道结本身的高阻值(＝V₀/I₀)可以将隧道电流从I₀放大到V₀，而且这种放大的速度也比现有技术快，因为本发明中用于放大的隧道结的寄生电容远远小于现有技术中用于放大电流的高阻值电阻的寄生电容，导致本发明的RC常数比现有技术的RC常数至少小一个数量级。这样，本发明在不损失测量速度的前提下可以进一步提高放大倍数，提高信噪比和灵敏度。

实施例2：偏置电流型扫描隧道谱仪的另一种基本结构

本实施例中的偏置电流型扫描隧道谱仪采取固定探针，通过移动样品来调节样品与探针之间的相对位置得到隧道结的电压信号。本实施例与实施例1相比，其探针-探针架组合体同样品-样品架组合体的位置进行了对调。

图2给出了本实施例偏置电流型扫描隧道谱仪的结构示意图：样品架4固定在Z***6的顶端，样品3固定在样品架4上，探针1固定在探针架2上，探针架2固定在基座5上，Z***6的另一端固定于基座5或另一个一个位置可调节的基座上使得探针指向样品架上的样品。电流源7可采用直流电流源或交流电流源。其余部分同实施例1。

使用方法及原理、测定步骤也与实施例1相同。

实施例3：等高扫描模式下的偏置电流型扫描隧道显微镜

本实施例是将本发明的偏置电流型扫描隧道谱仪用于等高扫描模式下成像，构成等高扫描模式下的偏置电流型扫描隧道显微镜的实施方式，图3为该实施方式的结构示意图：将实施例1或实施例2中的Z***6用XYZ***6B取代。其余部分同实施例1或实施例2。这样做可以用XYZ***6B的XY定位使得探针在样品表面上扫描，在保持探针高度不变的情况下，驱动XY***扫描的XY扫描信号加上缓冲器8输出的电压信号即给出了三维等高恒流电压图像。

本实施例中，探针1在样品3表面上扫描时，由于在不同测量点处由探针-样品构成的隧道结J的等效电阻阻值不同，使得隧道结J在电流源7的作用下产生不同的电压；由于隧道结J的等效电阻的阻值较高(＞1兆欧姆)，所以隧道结J上的电压也较大(＞1微伏，依赖于隧道电流的大小)。这其实是利用了隧道结J本身具有的高阻值等效电阻作为放大弱电流所需的高阻值电阻，且隧道结J的等效电容又至少比高阻值电阻的寄生电容小一个数量级；这就大大提高了带宽，并且使得在不损失测量时间的前提下进一步提高增益成为可能，从而可以测量更弱的隧道电流，提高了测量的灵敏度。

实施例4：等电压扫描模式下的偏置电流型扫描隧道显微镜

本发明的等高扫描模式下的偏置电流型扫描隧道显微镜可在上述实施例3的基本配置基础上，再配备反馈控制器后即构成等电压扫描模式下的偏置电流型扫描隧道显微镜，可以在等隧道结电压模式下实现对样品的扫描并且成像。本实施例中应用反馈控制器的连结方式参见图4：在图3中的缓冲器8和XYZ***的Z定位之间用导线接入反馈控制器9，该反馈控制器9的输入端同缓冲器8的输出端相连，反馈控制器9的输出端同XYZ***的Z定位相连。

工作时，预先设置样品3与探针1之间的隧道电压的大小，然后在扫描的过程中通过反馈控制器9控制XYZ***6B在Z方向进行微小的伸缩来调节探针1与样品3之间的距离，以此来调节隧道电压的大小，从而使隧道电压在扫描过程中保持恒定。反馈控制器9输出的用于控制XYZ***6B在Z方向进行微小伸缩的电压信号就反映了样品表面的信息，因而可以用于成像，而此时所成的像即为样品表面的形貌像。这就得到了样品的三维恒偏流等电压图像。而传统扫描隧道显微镜测量的是样品的三维恒偏压等电流图像。二者是类似的，都应是原子分辨率，但由于本发明中限制带宽的隧道结J的RC常数远小于现有技术中高阻值电阻的RC常数，所以带宽较高。这也使得在不损失测量速度的前提下增加放大倍数、进一步提高信噪比和分辨率成为可能。

实施例5：电流源与缓冲器合而为一的偏置电流型扫描隧道谱仪及其扫描隧道显微镜

前面四个实施例都是电流源与缓冲器分离的情形。本发明所述的电流源与缓冲器也可以是一体的。

本实施例给出一种电流源与缓冲器为一体的例子，如图5所示：电阻R的一端接控制电压Vs，另一端K接运算放大器OPA的一个输入端C并和该运算放大器OPA的输出端之间通过导线接入由样品3和探针1构成的隧道结J。该隧道结J的左右极性可以对调，这等效于传统扫描隧道显微镜的隧道结偏压反号。运算放大器OPA的另一个输入端D通过导线接地或接参考电位V1。

根据运算放大器OPA的虚短和虚断原理，电阻R的另一端K的电位是恒定的，隧道结J上的电流受控于电阻R和控制电压Vs与参考电位V1之差，这就在隧道结J上形成了恒定电流。而从运算放大器OPA的输出端输出的电压信号V不仅等于隧道结J上的电压(以V1为参考点)，而且该输出的电压信号V是经过运算放大器OPA缓冲过的，适合于驱动内阻较低的后继电路。所以，这是一种电流源与缓冲器合二为一的例子。

实施例6：偏置电流型扫描隧道谱仪及其扫描隧道显微镜的其它实施方式

上述实施例3、4、5中是将探针1固定在探针架2上，样品3固定在样品架4上；探针架2固定在Z***6或XYZ***6B的一端上；样品架4固定在基座5上。该探针-探针架组合体与样品-样品架组合体的位置也可以对调，形成探针固定、样品被调节的结构方式，同样可以实现探针在样品表面上做相对于样品的扫描运动。

在以上实施例中，Z***或XYZ***只是起一个调节探针相对于样品的位置的作用，可以使用任何类型的***；但如果使用压电材料制成的***就能更容易精确地控制、调节探针与样品的相对位置，获得更稳定、更可靠的数据。

在以上实施例中，缓冲器的作用是改变隧道结上电压信号的内阻以使其易于驱动下一级处理电路或记录仪，所以缓冲器的输出阻抗应小于隧道结阻抗，而缓冲器的增益可正可负，其绝对值可以等于1、小于1或大于1，但应设成高于10^-5为佳，否则相当于放大过后的隧道结信号又被缩小回去了。

在以上实施例中，电流源可以使用任何类型的电流源，但鉴于大多数情况是测量弱电流(低于1微安)和高阻(高于1兆欧姆)下的隧道结，为提高精度需选用能使隧道结电压信号大于1微伏的电流源为佳。

Claims (6)

1.一种偏置电流型扫描隧道谱仪，包括：探针架固定于Z***的一端、样品架固定于基座，或探针架和样品架的位置互换，探针固定在探针架上，Z***的另一端固定于所述基座或固定于另一个位置可调节的基座上使探针指向样品架上的样品；其特征在于：电流源的两极分别连接探针和样品，并将该探针和样品间的电压信号输入到缓冲器的输入端，由该缓冲器给出输出信号。

2.一种偏置电流型扫描隧道显微镜，包括：探针架固定于XYZ***的一端、样品架固定于基座，或探针架和样品架的位置互换；探针固定在探针架上，XYZ***的另一端固定于所述基座或固定于另一个位置可调节的基座上使探针指向样品架上的样品；其特征在于：电流源的两极分别连接探针和样品，并将该探针和样品间的电压信号输入到缓冲器的输入端，由该缓冲器给出输出信号。

3.根据权利要求2所述的偏置电流型扫描隧道显微镜，特征在于所述缓冲器的输出端连接到反馈控制器的输入端，由该反馈控制器的输出端接所述XYZ***的Z定位。

4.根据权利要求1或2所述的偏置电流型扫描隧道谱仪或偏置电流型扫描隧道显微镜，特征在于所述电流源是直流电流源或交流电流源。

5.根据权利要求1所述的偏置电流型扫描隧道谱仪，特征在于所述Z***为使用压电材料制成的***。

6.根据权利要求2所述的偏置电流型扫描隧道显微镜，特征在于所述XYZ***为使用压电材料制成的***。

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