[发明专利]用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法

说明书

本发明涉及用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法。一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置包括：电路模块，包括电路单元和数据采集卡，电路单元包括P型晶体管和N型晶体管，P型晶体管的源极接收来自数据采集卡的第一输出端子的电源电压，P型晶体管的漏极连接到N型晶体管的漏极和待蚀刻的针尖，P型晶体管的栅极连接到N型晶体管的栅极，N型晶体管的源极连接到地电势，电路单元还包括比较器，比较器的正极输入接收来自数据采集卡的第二输出端子的参考电压，比较器的负极输入接收来自阴极电极的蚀刻电压，比较器的输出被提供给P型晶体管和N型晶体管二者的栅极；以及控制模块，其连接到数据采集卡以控制数据采集卡的各个输出。

技术领域

本发明总体上涉及扫描隧道显微镜领域，更特别地，涉及一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法，其能够精确地控制针尖蚀刻过程，从而能够制造具有期望形状的扫描隧道显微镜针尖。

背景技术

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，缩写为STM)是一种扫描探针显微术工具，它利用了隧穿电流十分灵敏地依赖于扫描探针与样品表面之间的间距这一原理。当扫描探针以设定的高度扫描样品表面时，样品表面的高低变化引起探针与样品表面之间的间距的变化，从而使得隧穿电流的大小也随之改变。通过使扫描探针在样品表面上来回扫描，并且记录每一扫描点对应的隧穿电流值，即可得到样品表面的高低形貌。扫描隧道显微镜使得能够在原子级的高分辨率上观察样品表面，并且还能在低温(例如，4K)下利用扫描探针来精确地操纵原子，因此它在表面科学、材料科学、生命科学等研究领域中有着重大的意义和广泛的应用。

探针是扫描隧道显微镜最重要的部件之一，探针针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。理想的针尖应满足如下要求：1)具有较小的曲率半径，最理想的情况下是针尖的尖端只有一个原子；2)有规则的形状，因为扫描隧道显微镜成像要求针尖有很好的稳定性并且输出的电场是对称并且规则的。制作STM针尖的常用方法有研磨、剪切、场致静电发射、离子铣削、电子束沉积和电化学腐蚀等。其中，剪切法得到的针尖末端粗糙，可能存在许多微型探针，造成测量结果失真，而另一些方法一般需要比较复杂的设备和工艺，因此目前最广泛使用的方法是电化学腐蚀方法。

图1是常规电化学腐蚀装置10的示意图。如图1所示，将针尖材料12和阴极材料14插入到腐蚀溶液16中，针尖材料12可以为例如常用的钨丝，阴极材料14可以为例如铜或钽，腐蚀溶液16可以是强碱溶液，例如NaOH或KOH等。针尖材料12和阴极材料14分别连接到电源18的正极和负极，以进行蚀刻。在腐蚀过程中，由于钨酸根离子的比重较大，它会沿着腐蚀溶液中的钨丝向下流动，从而保护了钨丝的下端部分，使得在液面附近的钨丝被更快地腐蚀，形成凹部。随着腐蚀的进行，该凹部不断变细，最终断裂。电化学腐蚀过程的难点之一就是掌握在钨丝断裂时断开电源18的时机。如果过早地断开电源，则钨丝还未被蚀刻到足够细；如果过晚地断开电源，如图1所示，由于腐蚀溶液具有凹液面，在钨丝断裂后液面仍与钨丝的上部分接触，因此会继续腐蚀针尖，从而使得所形成的针尖比较平钝，不满足前面对针尖的要求。

因此，需要一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法，其能够在针尖材料被蚀刻断裂时及时地终止蚀刻，从而获得具有所需形状的扫描隧道显微镜针尖。

发明内容

本发明提供一种用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法，其能够精确地控制针尖蚀刻过程，从而能够制造具有期望形状的扫描隧道显微镜针尖。