[发明专利]一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针，及其制备方法。 

背景技术

扫描隧道显微镜(简称STM)作为新型的表面分析仪器，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景。为此，它的发明者Bining和Rohrer荣获了1986年诺贝尔物理学奖。 

STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将具有原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与探针针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一极而形成隧道电流。这种现象即是隧道效应。隧道电流强度对针尖与样品表面之间距离非常敏感，它随着探针接近表面而迅速增加，探针每靠近0.1nm，电流会增加约10倍。因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖对样品的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品的表面的起伏。将探针在样品表面扫描时运动的轨道记录下来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像，这种工作方式称为恒流模式。如果样品表面的起伏不大，还可以使探针在垂直方向上位置固定，通过扫描隧道的电流变化信号来成像，这种工作方式称为恒高模式。 

隧道探针是STM技术中主要的技术问题之一，探针针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着图象的分辩率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。如果针尖的最前端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图象。针尖的化学同一性程度高，就不会涉及系列势垒。 

现有的用于扫描隧道显微镜的隧道探针通常是直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等。 

钨丝作为探针能够满足STM仪器刚性的要求，因而被广泛地使用。一般对钨丝采用电化学腐蚀法制备隧道探针。这样得到的钨针尖容易形成表面氧化物。如果针尖表面如有氧化层，其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致在针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞，最终导致该隧道探针不能被重复与长期使用。 

在铂中加入少量铱(例如比例：80％：20％)形成的铂-铱合金丝，既保留了铂材料不易被氧化的特性，还增强了刚性，但是这种探针的成本比钨丝要高得多。一般对铂-铱合金丝采用剪切法制备隧道探针，即从中间剪切开来。这种方得到的隧道探针的针尖过粗，一般为亚微米尺寸，至多能达到50纳米左右，很难进一步得到更为细小，如几个纳米，甚至几个埃的针尖，从而影响其分辨率。 

另外，无论上述哪种方法制出的针尖，均会引入杂质，使得探针的化学组分复杂，通过表面化学组成的分析，可以看出探针的表面都有几个纳米厚的碳层，而碳层的存在会导致隧道电流不稳，噪音大，STM图像不可预期等一系列问题。 

用于自旋极化的隧道探针通常是通过在铂针尖上沉积磁性金属的方法制得。但是这种制备方法难度很大，当表面沉积的磁性金属层过薄，则很难形成好的磁畴，过厚则针尖过粗，从而极大的影响分辨率，利用这种方法几乎不能得到分辨率很高的STM图像。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术制备的隧道探针针尖过粗，针尖表面的化学组分复杂，使得分辨率低、不可重复与长期使用的缺陷，从而提供一种针尖较细、不含杂质、针尖表面不易产生碳层和氧化物层、且分辨率高的用于扫描隧道显微镜的隧道探针。 

本发明的另一目的在于克服现有的隧道探针制备工艺难度大，很难得到高分辨率的隧道探针的缺陷，从而提供一种简单方便、成品率高的、且特别适合于制备自旋极化的隧道探针的制备方法。 

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的： 

本发明提供一种用于扫描隧道显微镜的隧道探针的制备方法，如图2所示，包括如下的步骤： 

1)在Si衬底1两侧利用化学气相沉积的方法各制备一绝缘层薄膜2，然后利用紫外光刻的方法在其一侧开一个0.2×0.2平方毫米的窗口，利用化学反应刻蚀的方法除去窗口内的绝缘层薄膜；然后把该样品放入65℃、4mol/L的KOH溶液中进行蚀刻，由于KOH溶液刻蚀Si的速率远远高于其刻蚀绝缘层薄膜的速率，因此将Si衬底中央部 分刻蚀，露出另一侧的绝缘层薄膜； 

所述的绝缘层薄膜为Si，SiO₂，SiN，电子束曝光用抗蚀剂，紫外光刻用光刻胶，或LB膜(Langmuir Blodgett film)组成的膜层，其厚度为10～500纳米；