[发明专利]利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统

说明书

本发明公开一种利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统，能够利用STM的电流信号对AFM信号进行测量。所述系统主要包括：力学传感器、高带宽电流放大器、非正弦周期信号处理模块、AFM振幅采集器、AFM频率采集器、电流采集器、乘法器、低通滤波器、PI控制模块、压控振荡器、振幅控制模块、差频输出模块和z控制模块。摘要附图中以音叉型微悬臂作为力学传感器为例给出技术原理图：首先利用压控振荡器使微悬臂以频率f₀震荡。样品加电压，在针尖上引导线取得针尖‑样品间的隧道电流，经高带宽电流放大器得到实时隧道电流，将其输入非正弦周期信号处理模块，后续分析得到AFM振幅A₁、频率f_sample、STM隧道电流；进而用隧道电流或Δf作为反馈实现扫描。

技术领域

本发明涉及扫描探针技术领域，具体涉及一种利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统。

背景技术

扫描探针技术(SPM)是一类显微术的总称，是在STM的基础上发展起来的，主要分为STM和AFM。首台扫描隧道显微镜于1981年问世，它的出现使得人们首次可以直接探测物体表面的原子排列及其电子行为，对于物理学、材料学、表面科学、微电子加工技术、化学和生命科学等均有着重要的意义。STM的基本原理是由于粒子的波粒二象性而导致的量子隧道效应，即能量为E、质量为m的粒子入射至高度为V₀的势垒时，在粒子能量E<V₀的情况下，粒子的透射几率不为零。由于隧道效应，当探针与待测样品表面间距z很小(<1nm)，加上电压V后，便会有电流产生，这就是隧道电流。

STM具有许多表面分析仪器不能比拟的优点，但其仅局限于对半导体和金属样品进行测量。为了弥补STM这一不足，1985年AFM诞生了。AFM是通过探测样品与针尖的原子间相互作用力来获得样品表面信息的技术。AFM的研究对象包括导体、半导体和绝缘体；在溶液中也可测量。根据扫描时针尖-样品间距离的不同，将AFM工作模式分为以下三种：接触模式(contact)、振幅调制的AFM(AM-AFM，或称作tapping模式)、频率调制的AFM(FM-AFM)或称NC-AFM)。

AFM中决定分辨率的组件是力传感器。在AFM发明后不久，就有用石英音叉作为力传感器的研究。早期的石英音叉探针系统都是固定音叉基部，两臂悬空，振动时音叉两臂为对称的反向振动状态，具有很高的品质因数，但是其成像信号无法用理论去解释。为了解决上述技术问题，1998年F.J.Giessibl提出将石英音叉的一个整臂固定在蓝宝石基座上，而另一臂悬空，相当于传统原子力显微镜探针系统的微悬臂，即qPlus技术。然后将腐蚀的钨针通过绝缘胶垂直地粘接在悬空的音叉臂前端用于扫描样品。

qPlus技术可同时测量样品的平均隧道电流，以及音叉微悬臂的频率偏移、能量耗散等。其技术原理图见图1：在钨针尖(图1中tip为钨针尖，U_s为电源)上引一根导线取得针尖-样品间的隧道电流，经电流放大器放大可得到隧道电流(I_t)的平均值可以利用作为反馈。与此同时，利用压控振荡器给音叉微悬臂振动频率f₀的激励信号，微悬臂在样品表面受到样品-针尖相互作用频率发生变化，微悬臂上采集的电压信号V_TS可反映这一变化。将交流电压信号V_TS通过电压放大器放大，提取出针尖在样品表面的振动频率f_sample，可以用f₀与f_sample之差Δf做为反馈。为了避免针尖与样品发生碰撞，将电压信号同时输出到振幅控制模块与设定值作对比，以使得保持针尖在样品表面具有一定振幅。

虽然qPlus技术具有同时实施STM和AFM的能力，但在实际的应用中，总是将两个模式分开进行。究其原因是平均隧道电流以及音叉微悬臂的频率偏移Δf和能量耗散三者之间会发生串扰(Crosstalk)等问题。下面列举几个qPlus AFM面临的问题：