一種多探針掃描顯微和輸運測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及材料測試儀器領域，更確切地說涉及高真空下進行掃描探針顯微和多探針原位輸運測量裝置。本發明的內容是提供一種將高靈敏度掃描隧道顯微鏡和多探針電學輸運測量有機結合起來的設計方案；并構建一種類似的測量裝置，此裝置可以用于對樣品進行高靈敏度掃描隧道顯微測量，同時還可以進行四探針電學輸運測量。
【專利說明】一種多探針掃描顯微和輸運測量裝置

【技術領域】：
[0001] 本發明涉及材料測試儀器領域，更確切地說涉及高真空下進行掃描探針顯微和多 探針原位輸運測量裝置。

【背景技術】：
[0002] 21世紀，由于電子信息、生物技術、能源環境、國防等工業的快速發展，對各種材料 的性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等 要求材料的尺寸越來越小。因此，在微觀尺度下研究新材料的結構和性能，乃至于從材料的 基本結構和成分出發，調控以至于改變材料的性能，逐漸成為目前科學研究的重要課題和 發展基礎。掃描探針顯微鏡（SPM)使用尖銳的探針去探測物質的表面結構，可以提供材料 表面的原子結構和微觀性質的信息，在材料以及其它科學領域展現了重要的作用。此外，隨 著電子器件的小型化和超高集成性，越來越要求在介觀尺度（微米）或微觀尺度下測量材 料的電學輸運性能。多探針電輸運測量裝置就顯得尤其重要。因此，將微觀尺度顯微技術 和多探針電輸運測量有機的結合起來，對今后新材料和新能源以及未來納米電子和器件的 研究和發展，就顯得尤其的重要。
[0003] 為了得到材料的微觀結構甚至原子結構信息，科學界、工藝界發明了一些測量方 法和技術。其中，掃描探針顯微鏡（SPM)就是近幾十年發展起來的高科技測量技術。
[0004] 掃描探針顯微鏡（Scanning probe microscopy,縮寫為SPM)是所有機械式地用探 針在樣本上掃描移動以探測樣本影像的顯微鏡的統稱。其影像解析度主要取決于探針的大 小〔通常在納米的范圍〕。掃描隧道顯微鏡是第一個被發明的掃描探針顯微鏡〔1981年〕。掃 描隧道顯微鏡（英語：scanning tunneling microscope,縮寫為STM)，是一種利用量子理 論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器。它于1981年由格爾德?賓寧及海因里希?羅雷 爾在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明，兩位
【發明者】因此獲得了 1986年諾貝爾物理 學獎。它作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原 子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K) 可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。
[0005] 目前，商用的多探針掃描裝置是將壓電陶瓷控制的四個探針置于電子顯微鏡下， 分別移動和定位四個探針，在電子顯微鏡的實時觀測下，測量樣品的電輸運性能。這種設計 的缺點在于：（1)所采用的電子顯微鏡是低空間分辨率的掃描電鏡，最高分辨精度只到5納 米；不能提供原子結構信息。（2)電子顯微鏡價格昂貴，對使用環境條件要求高，和外加磁 場不兼容。（3)四個探針的不能用于掃描成像，只是用于電輸運測量。


【發明內容】
[0006] ：針對以上提到的問題，提出本發明。
[0007] 本發明的內容是提供一種將高靈敏度掃描隧道顯微鏡和多探針電學輸運測量有 機結合起來的設計方案；并構建一種類似的測量裝置，此裝置可以用于對樣品進行高靈敏 度掃描隧道顯微測量，同時還可以進行四探針電學輸運測量。
[0008] 本發明涉及的解決方案為：設計一個高靈敏度掃描探針顯微鏡，以取代常規使用 的電子顯微鏡。該掃描隧道顯微鏡可以提供所研究材料的微觀乃至原子結構信息。同時， 設計四個壓電陶瓷控制的掃描探針系統，每個都可以獨立操作，進行移動，定位和掃描。在 高分辨的光學顯微鏡下，操作和控制這四個掃描探針，從而可以四探針電學輸運測量。整個 裝置可以在高真空，超高真空和低溫以及強磁場的環境中工作。
[0009] 本發明涉及的裝置包含：一個高靈敏度掃描探針顯微鏡（圖1)，此掃描隧道顯微 鏡可對樣品進行掃描成像，提供所研究材料的微觀乃至原子結構信息；四個壓電陶瓷控制 的掃描探針系統（圖2)，每個探針都可以獨立操作，進行移動，定位和掃描。同時，裝置還需 要高分辨的光學顯微鏡，用來監測每個掃描探針的移動和定位。
[0010] 本發明的主要特點在于：
[0011] 1.通過在樣品的上方安置一高靈敏度掃描探針顯微鏡，用于觀察樣品的微觀信息 乃至于原子結構信息。利用四個獨立控制的掃描探針在光學顯微鏡下，選擇樣品上合適的 區域，進行兩端點法或四端點法的電輸運測量。或是利用某一個/幾個探針給樣品施加電 壓/電流，測量電子的動態特性。
[0012] 2.說明1中所述的高靈敏度掃描探針顯微鏡可以為：Pan type掃描隧道顯微鏡， Beetle type掃描隧道顯微鏡，音叉掃描探針顯微鏡等任何利用掃描探針進行材料表面形 貌微觀或原子尺度測量的裝置。
[0013] 3.說明1中所述的獨立控制的掃描探針系統可以為：任何形式的以馬達進行三維 空間精確移動/定位裝置，結合掃描管對樣品表面進行掃描，得到局域的微觀形貌甚至原 子結構圖像。
[0014] 4.說明1中所述的樣品包含但不僅限于：半導體材料（硅（Si)、鍺（Ge))，拓撲絕 緣體等塊體材料以及任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼，以及高溫超導薄膜等。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0015] 圖1. 一種高靈敏度掃描探針顯微鏡。
[0016] 圖2. -種獨立控制的四個掃描探針系統設計示意圖。
[0017] 圖3.多探針掃描顯微和輸運測量裝置的整體設計示意圖。

【具體實施方式】
[0018] 下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0019] 實例一：參照圖3。
[0020] 首先利用高靈敏度掃描探針顯微鏡對樣品的表面形貌和原子結構進行測量；高靈 敏度掃描探針顯微鏡處于樣品的正上方，可以進行高分辨微觀形貌和原子結構的測量；圖 1為一種高靈敏度掃描探針顯微鏡模型，其中壓電陶瓷馬達為慣性驅動壓電陶瓷馬達，掃描 探針為音叉原子力探針。接著在光學顯微鏡的觀察下移動四個獨立掃描探針，用于原位電 學輸運測量以及作為外加電流/電壓源。圖2為一種獨立控制的四掃描探針系統設計示意 圖。其中四個獨立探針控制系統組裝在一起。每個探針可以在三維空間移動，精確定位，也 可以進行獨立的樣品表面形貌的掃描成像。所有的移動，定位和掃描都可以在高真空或低 溫或磁場下進行，由外加脈沖電壓驅動壓電陶瓷控制。在光學顯微鏡的觀察下，操作四個探 針的移動，將四個探針放置在所要的位置。利用自動進針裝置，將每個探針靠近最終接觸樣 品的表面。通過壓電陶瓷掃描管的細微可控的伸縮，控制探針剛剛接觸表面，同時不至于破 壞樣品。利用四端點方法測量樣品的電學輸運性質。此外，通過控制樣品的溫度或是施加 外磁場，可以測量不同溫度或是磁場下，樣品的表面電導隨溫度或磁場的變化關系。從而解 決了長期以來困擾的測量超薄薄膜電導的問題，同時，微觀或原子尺度下的測量和宏觀電 學輸運測量也有機的結合起來。
【權利要求】
1. 一種將高靈敏度掃描隧道顯微鏡和多探針電學輸運測量有機結合起來的設計方案， 其設計原理在于：設計一個高靈敏度掃描探針顯微鏡，以取代常規使用的電子顯微鏡；該 掃描隧道顯微鏡可以提供所研究材料的微觀乃至原子結構信息；同時，設計四個壓電陶瓷 控制的掃描探針系統，每個都可以獨立操作，進行移動，定位和掃描；在高分辨的光學顯微 鏡下，操作和控制這四個掃描探針，從而可以四探針電學輸運測量；整個裝置可以在高真 空，超高真空和低溫以及強磁場的環境中工作。
2. 根據權利要求1所述的設計方案，構建一種系統，系統包括：一個高靈敏度掃描探針 顯微鏡，此掃描隧道顯微鏡可對樣品進行掃描成像，提供所研究材料的微觀乃至原子結構 信息；四個壓電陶瓷控制的掃描探針系統，每個探針都可以獨立操作，進行移動，定位和掃 描；同時，裝置還需要高分辨的光學顯微鏡，用來監測每個掃描探針的移動和定位。
3. 根據權利要求2所述的高靈敏度掃描探針顯微鏡，其特點在于：任何利用掃描探針 進行材料表面形貌微觀或原子尺度測量的裝置，例如：Pan type掃描隧道顯微鏡，Beetle type掃描隧道顯微鏡，音叉掃描探針顯微鏡等。
4. 根據權利要求2所述的獨立控制的掃描探針系統，其特點在于：可以為任何形式的 以馬達進行三維空間精確移動/定位裝置，結合掃描管對樣品表面進行掃描，得到局域的 微觀形貌甚至原子結構圖像。
5. 根據權利要求2所述的樣品，其特性在于：可以為半導體材料（硅（Si)、鍺（Ge))，拓 撲絕緣體等塊體材料以及任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼，以及高溫超導薄膜等。
【文檔編號】G01Q70/00GK104122415SQ201410362665
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】潘明虎 申請人:潘明虎