[发明专利]一种振动样品的扫描隧道显微镜及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于扫描探针显微镜技术领域，特别是涉及一种可实现对被测样品的原子或分子种类进行识别的扫描隧道显微镜，及采用该显微镜的测量方法。

技术背景

扫描探针显微镜(SPM)主要包括两大类型：基于隧道效应的扫描隧道显微镜(STM)和基于原子间作用力的原子力显微镜(AFM)。

在STM中样品通常是固定不动的。当金属探针与被测导电样品间的距离被调节到纳米尺度以下时，所施加的直流偏压导致探针与被测样品间有隧道电流发生。通过反馈电路，保持探针与被测导电样品间的距离不变(恒高度模式)扫描时，通常得到的是被测样品表面的态密度二维图象；通过反馈电路，保持恒定隧穿电流模式扫描时(恒流模式)，得到的是表面浮凸图象-原子排列的二维图象。现有的扫描隧道显微镜不能识别被观测到的是何种原子或分子。

STM探测原子间的隧穿电流，具有原子尺度的分辨率；而AFM探测探针尖端原子和被测物表面一定范围内原子间的相互作用力，其分辨率通常比STM要低。另一方面，目前STM的功能和测量模式较少，而在AFM基础上则已发展了许多新的功能和测量模式，如磁力测量、静电力测量、压电响应测量模式、样品振动与声学模式等。故而在STM上实现一种与AFM中类似的振动样品的测量方式，以利用STM的高分辨率测量得到样品表面更多的、纳米或原子尺度的特性细节，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在通常STM的基础上，通过对被测样品施加微小的机械振动，在测量隧道电流的同时测量样品在纳米或原子尺度的特性的装置。

本发明的另一目的在于根据该装置提供一种可以在完成常规的STM形貌扫描的同时实现样品表面不同组成原子的种类辨别，或反映样品在纳米尺度的弹性性质的方法。

为了实现发明目的一，采用的技术方案如下：

一种振动样品的扫描隧道显微镜，包括扫描头、前置放大器、扫描隧道显微镜控制器，所述扫描头设有导电金属探针，前置放大器设置有电流/电压转换器、低通电压放大器和带通电压放大器，本发明还设置有相位检测器，所述相位检测器分别连接带通电压放大器和扫描隧道显微镜控制器，且相位检测器还设置有电压信号发生器，电压信号发生器与设置在探针下方的压电激振器连接。

本发明不影响原来的STM测量功能。在进行测量时，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。压电激振器与被测样品紧密地粘合在一起，因而会带动被测样品振动。振动的方向为样品表面的法线方向，即为探针的长度方向。振动的频率选定在通常STM反馈回路的响应带宽以上，且振动幅度与隧道结间距相比很小，因此，该振动对隧道电流的常规成像没有影响。

上述技术方案中，所述低通电压放大器和带通电压放大器并联，其共同输入端连接电流/电压转换器的输出端，低通电压放大器的输出端连接扫描隧道显微镜控制器，带通电压放大器的输出端连接相位检测器。振动所引起的、微小的隧道电流交流分量经过前置放大器中的电流/电压转换器和带通电压放大器放大后由相位检测器测量，可测量得到其振幅和相位。该振幅和相位信号反映被测样品在纳米或原子尺度上的局域性质，可以用来成像。因此，在探针的一次扫描中，可同时获得被测物表面的二维形貌图、交变电流振幅图和相位图。在交变电流振幅图和相位图上，可得到与二维形貌图所未能显示出的细节，这些细节能够反映出被测原子的元素种类差异，可用于原子或分子种类的识别，或反映出被测材料在纳米微区内的物理性质的差异，如粘弹性质。

为了实现发明目的二，采用的技术方案如下：

一种振动样品的扫描隧道显微镜的测量方法，采用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。

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。

本发明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。

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。

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：