高穩定掃描隧道顯微鏡的研制與應用.pdf

1、掃描隧道顯微鏡(STM)是掃描探針顯微鏡家族中的重要成員，它利用量子隧穿效應對樣品的表面形貌和電子態密度進行研究，以其超高的實空間分辨能力被廣泛的應用在材料物性表征、電化學測量、生物成像等科研領域。
　　STM技術發展至今，已衍生出諸如超高真空低溫STM、電化學STM等許多具有特殊功能的種類。然而，現有STM穩定性依然不足，大多數仍然需要借助隔音減震裝置才能維持正常工作。為提高STM的穩定性，我們首先從其核心部件粗步進馬達著手，對

2、STM進行改進研究。
　　STM的粗步進馬達大多是以壓電陶瓷作為驅動器的壓電馬達，當前在STM中使用的壓電馬達都存在缺陷，不能滿足提高STM穩定性的要求。因此，我們自主研制了一款全新原理和結構的壓電馬達——壁虎壓電馬達。壁虎壓電馬達應用簡單的“兩個摩擦力之和大于第三個”的原理，具有大步長、小尺寸、結構簡單緊湊、控制容易、工作溫度區間大、對機械加工精度要求低等其他壓電馬達不能同時具備的優點。該工作已在SCI收錄的儀器類具有國際影響力

3、的雜志Review of Scientific Instruments上發表（在合肥微尺度物質科學國家實驗室，在該期刊上發表的論文可等同于SCI-Ⅱ區刊物論文），并得到了審稿人的好評:“The design and idea is new.”
　　通過一段時間的應用，我們對壁虎壓電馬達的結構進行了大幅改進，制成了具有較強剛性的高剛性壁虎壓電馬達。管式高剛性壁虎壓電馬達的組成簡單，包括一根壓電陶瓷管、兩個完整全同金屬環、一根剛性滑桿

4、和一個彈簧片，制作與調節更加容易。改進后的壓電馬達穩定性更高，負載能力更強，更易于小型化和集成化。該工作也已在Review of Scientific Instruments上發表。此外，壁虎壓電馬達的相關研制工作已申請國家發明專利4項（其中2項已授權），國際發明專利2項。
　　利用管式高剛性壁虎壓電馬達，我們研制出了一款穩定性較高的STM。自制STM使用一根尺寸為8×0.5×7mm(外徑×壁厚×長度，EBL＃3，EBLProdu

5、cts Inc.)的小壓電陶瓷管做為掃描管，壓電馬達同掃描管在一端共軸固定，探針同壓電馬達滑桿相連。掃描管使用全低電壓控制(-10 V～+10 V)，工作時，帶動壓電馬達及探針一起進行掃描運動。該STM具有較高的穩定性，使用其對高定向熱解石墨(HOPG)進行測量，得到了質量較高的原子分辨率圖像。這套STM的成功研制使我們更加確信，低電壓控制和小尺寸的掃描頭結構可以提高STM的穩定性。
　　為去除需使用高電壓驅動的壓電馬達對STM穩

6、定性造成的影響，我們設計并實現了全低電壓控制獨立微小掃描頭型掃描隧道顯微鏡。這種全新結構的STM與傳統設計不同，負責在樣品表面進行掃描運動的掃描頭同負責粗步進的壓電馬達是相互獨立的，掃描頭進行掃描成像時，壓電馬達同掃描頭之間空間隔離，由外部震動、聲音、熱漂移、電子噪音等引起的壓電馬達的波動干擾不能傳遞到掃描頭中，保護了掃描頭的穩定性。獨立掃描頭采用兩端鉗緊結構，掃描頭中使用的壓電掃描管尺寸更小3.2×0.5×7mm（外徑×壁厚×長度），

7、制作掃描管的壓電材料為穩定性更高的EBL＃4型（EBL Products Inc.，相當于工業標準中的PZT-8型），確保了自身的穩定性。整個掃描頭使用全低電壓控制掃描成像，避免了高電壓引入的高電子噪音，提高了STM的穩定性。全低電壓控制獨立微小掃描頭型STM具有很高的穩定性，對HOPG樣品的測量中獲得了清晰的原子分辨率圖像，甚至在無隔音減震系統的輔助下依然能保持優異的成像質量。在無任何輔助調節設備（如軟件反饋、環境溫度控制等）的室溫大

8、氣環境下，STM在X-Y方向的漂移速率約為22.6 pm/min，Z方向漂移速率優于35.5 pm/min，遠超商業STM相同條件下的性能水平。全低電壓控制獨立微小掃描頭型STM的相關研制工作已在Review of Scientific Instruments上發表論文1篇，申請國家發明專利2項。
　　本論文在開始簡要介紹了STM的結構與應用，隨后闡述了幾種我們應用的比較成熟的探針制作方法和工藝，論文的后半部分詳細說明了我們自主研