[发明专利]一种振动样品的扫描隧道显微镜及其测量方法

权利要求书

1.一种振动样品的扫描隧道显微镜，包括扫描头(1)、前置放大器(2)、扫描隧道显微镜控制器(4)，所述扫描头(1)设有探针(1-1)，前置放大器(2)设置有电流/电压转换器(2-1)、低通电压放大器(2-2)和带通电压放大器(2-3)，其特征在于还设置有相位检测器(3)，所述相位检测器(3)分别连接带通电压放大器(2-3)和扫描隧道显微镜控制器(4)，且相位检测器(3)还设置有电压信号发生器(3-1)，电压信号发生器(3-1)与设置在探针(1-1)下方的压电激振器(1-3)连接，所述低通电压放大器(2-2)和带通电压放大器(2-3)并联，其共同输入端连接电流/电压转换器(2-1)的输出端，低通电压放大器(2-2)的输出端连接扫描隧道显微镜控制器(4)，带通电压放大器(2-3)的输出端连接相位检测器(3)。

2.根据权利要求1所述的振动样品的扫描隧道显微镜，其特征在于所述探针(1-1)采用导电金属探针。

3.一种振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，其特征在于采用权利要求1的扫描隧道显微镜测量被测样品的隧道电流，同时通过电压信号发生器产生的电压信号施加在压电激振器上，使之带动被测样品振动，再由相位检测器测量振动所引起的隧道电流交流分量的振幅和相位。

4.根据权利要求3所述的振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，其特征在于所述电压信号发生器产生的电压信号施加在压电激振器上，使之产生机械振动，振动的方向为与压电激振器紧密地粘合在一起的样品表面的法线方向，也是探针的长度方向，振动的频率大于扫描隧道显微镜反馈回路的响应带宽，且振动幅度小于隧道结间距。 

5.根据权利要求3或4所述的振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，其特征在于通过扫描隧道显微镜同时获得被测样品表面的二维形貌图、交变电流振幅图和相位图。

6.根据权利要求5所述的振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，其特征在于通过获得的交变电流振幅图和相位图，能够反映出被测样品原子的元素种类差异，进行原子或分子种类的识别，或反映出被测样品在纳米微区内的物理性质的差异。

7.根据权利要求6所述的振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，其特征在于通过获得的交变电流振幅图和相位图进行原子或分子种类的识别的具体操作如下：

首先根据隧道电流公式：I＝I₀ exp(-2κ·z)，其中κ为隧道电流的衰减常数，z为隧道结间距，I₀为隧道结间距为零时的电流值；

设振动引起的隧道结间距的变化为：z＝z₀+Acos(2πf·t)，其中A表示被测样品的机械振动幅度，f表示振动频率，t为时间，z₀为探针-样品间距的平均值，得出归一化电流的对数形式为：ln(I/I₀)＝-2κz₀-2κAcos(2πf·t)，由于隧道电流的交变分量I_ac相对总的隧道电流来说很小，因而可得：I_ac∝κ·A，在二维分布图上，交变电流分量I_ac所对应的图像反映的是隧道电流的衰减常数κ的空间分布的差异，由于不同种类的原子的κ值存在差异，因而能够辨别或识别不同的元素种类，该操作主要针对被测样品与压电激振器结合很紧密且被测样品的机械特性差异不大的情况。

8.根据权利要求6所述的振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，其特征在于通过获得的交变电流振幅图和相位图反映出被测样品在纳米微区内的物理 性质的差异具体操作如下：

首先根据隧道电流公式：I＝I₀exp(-2κ·z)，其中κ为隧道电流的衰减常数，z为隧道结间距，I₀为隧道结间距为零时的电流值；

设振动引起的隧道结间距的变化为：z＝z₀+Acos(2πf·t)，其中A表示被测样品的机械振动幅度，f表示振动频率，t为时间，z₀为探针-样品间距的平均值，得出归一化电流的对数形式为：1n(I/I₀)＝-2κz₀-2κAcos(2πf·t)，在二维分布图上，交变电流分量I_ac所对应的图像将反映机械振动幅度A的空间分布，由于机械振动幅度A主要与材料的物理性质有关，因而能够用来表征物理特性，该操作主要针对被测样品的微观机械特性存在较大的差异的情况。