專利名稱:基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于掃描隧道顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及隧道電流的低噪音高精度測量裝置。
背景技術(shù)：
隧道電流測量裝置是利用量子力學(xué)的隧穿原理，測量樣品某一點與探針之間隧道 電流的變化來研究樣品表面的性質(zhì)。通常情況下隧道電流信號極其微弱(只有10_12安培 的量級)，因此對測量用的前置放大器要求非常高。美國《科學(xué)儀器評論》雜志(Review of Scientificlnstruments, Vol. 69，1998，P3529)報道了一種使用單通道放大技術(shù)的掃描隧 道顯微鏡，但因其本身的噪音無法去除，所成像的質(zhì)量不高。而現(xiàn)有用于隧道電流測量的前 置放大器都是傳統(tǒng)的單通道放大器，即使用一個通道的放大電路來放大所測得的信號。盡 管采用屏蔽、接地等措施可使放大器所受的外來干擾及電路本身的噪音降到較低水平，但 單通道放大器的一個固有缺陷是放大器本身的噪音無法消除。在這種情況下，單通道放大 器的最低噪音水平就是它本身的噪音水平，這是該類放大器所能達到的極限，也是限制單 通道放大器分辨率的關(guān)鍵原因。
美國《科學(xué)儀器評論》雜志(Reviewof Scientific Instruments, Vol. 70,2002, P2520)報道了互關(guān)聯(lián)放大器。與單通道放大器相比，互關(guān)聯(lián)放大器能夠消除放大器本身 的噪音，因而具有高得多的噪音性能。然而，至今尚未見它在掃描隧道顯微鏡方面的應(yīng)用。 若將現(xiàn)有的互關(guān)聯(lián)放大技術(shù)應(yīng)用于隧道電流測量領(lǐng)域則有很多缺點按雙點測量法，由于 兩個通道的輸入信號來自被測電路或器件的不同點，一個來自樣品，一個來自探針，由于要 在樣品與探針之間加偏壓才產(chǎn)生隧道電流，所以兩個通道將工作于不同的參考電壓，工作 點就不再對稱；再有，探針與樣品的溫度、寄生電容等的不同也會導(dǎo)致雙通道工作點的不對 稱；另外，兩個通道的分離也不利于集成與微型化。以上缺點都會使得測量精度減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量 裝置，以較大幅度地降低在隧道電流測量中由前置放大器引入的噪音，從而較大幅度地提 高測量信噪比、靈敏度、分辨率和測量精度。
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，包括探針架、 探針、樣品架、Z方向粗調(diào)驅(qū)動器和Z方向壓電陶瓷，其特征在于兩個電流-電壓轉(zhuǎn)換放大 器的輸出端分別與乘法器的兩個輸入端相連，乘法器的輸出端與平均器的輸入端相連，由 此構(gòu)成互關(guān)聯(lián)放大器，該兩個電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的檢測輸入端(sense input)即互關(guān) 聯(lián)放大器的兩個輸入端短接后與探針架或樣品架相連，將該兩個電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的 參考輸入端(reference input)短接后作為互關(guān)聯(lián)放大器的參考輸入端；
探針電接觸地固定在探針架上，探針架固定在Z方向壓電陶瓷的一個頂端，樣品 架固定在探針指向的基座上，Z方向壓電陶瓷的另一頂端固定在Z方向粗調(diào)驅(qū)動器上，平均器的輸出端即互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端為信號輸出接口 ；或，樣品架固定在壓電陶瓷的頂端， 壓電陶瓷的另一頂端固定在Z方向粗調(diào)驅(qū)動器上，在與樣品架對面的基座上固定探針架， 探針電接觸地固定在探針架上；互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端為信號輸出接口。
由于本發(fā)明所述互關(guān)聯(lián)放大器內(nèi)每一個通道中的放大器為電流_電壓轉(zhuǎn)換放大 器，其輸出信號是隧道電流信號的功率，所以依照上述方案制作的本發(fā)明隧道電流測量裝 置測量到的是隧道電流的功率譜。
還可以在本發(fā)明上述方案的基礎(chǔ)上添加一個開平方運算器，它的輸入端與互關(guān)聯(lián) 放大器輸出端相連，構(gòu)成開平方的互關(guān)聯(lián)放大器，開平方運算器的輸出端即開平方的互關(guān) 聯(lián)放大器的輸出端作為信號輸出接口 ；或，在所述互關(guān)聯(lián)放大器的乘法器和平均器之間連 接一個開平方運算器，它的輸入端與乘法器得輸出端相連，其輸出端與平均器的輸入端相 連，由此構(gòu)成開平方的互關(guān)聯(lián)放大器，平均器的輸出端即該開平方的互關(guān)聯(lián)放大器的輸出 端作為信號輸出接口 ；這樣開平方運算器將隧道電流的功率信號進行了開平方運算，使之 還原為與隧道電流成正比的電壓信號。
還可以使用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器來代替本發(fā)明上述方案中的Z 方向壓電陶瓷，從而實現(xiàn)三維掃描；在此基礎(chǔ)上，還可以在互關(guān)聯(lián)放大器或開平方運算器的 輸出端與三維掃描控制器之間添加一個Z方向的反饋控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡恒 定電流掃描和恒定高度掃描的功能。
還可以在所述互關(guān)聯(lián)放大器之乘法器的兩個輸入端之前各連接一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與該通道內(nèi)的電流-電壓裝換放大器的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 輸出端與乘法器的輸入端之一相連，并將該乘法器及相應(yīng)的平均器和開平方運算器分別替 換成數(shù)字式乘法器、數(shù)字式平均器和數(shù)字式開平方運算器。采用該數(shù)字式互關(guān)聯(lián)放大器、并 將后續(xù)的元器件替換為相應(yīng)的數(shù)字式元器件后，本發(fā)明的隧道電流測量裝置就可以數(shù)字式 工作。
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置測量隧道電流 的基本原理如下在互關(guān)聯(lián)放大器的參考輸入端與樣品架之間加上一個參考電壓，從而使 樣品與探針之間產(chǎn)生一個偏壓，通過在Z方向壓電陶瓷上施加電壓來驅(qū)動其在Z方向進行 微小的移動，這樣就可以調(diào)節(jié)樣品與針尖之間的距離以產(chǎn)生隧道電流，隧道電流經(jīng)過探針 輸入到互關(guān)聯(lián)放大器后分成兩個相等的部分，這兩部分電流分別輸入到關(guān)聯(lián)放大器的兩個 通道中，經(jīng)通道內(nèi)的放大器放大后以電壓信號的形式輸出到乘法器，乘法器將兩路電壓信 號進行乘法運算后再輸入倒平均器中進行平均運算，最后以隧道電流的功率的形式從信號 輸出接口輸出。在整個過程中，兩個通道內(nèi)的放大器的噪音疊加在各自通道內(nèi)的與隧道電 流相關(guān)的信號上。由于兩個通道內(nèi)的放大器的噪音是互不關(guān)聯(lián)的隨機信號，因此兩路信號 經(jīng)過互關(guān)聯(lián)放大器中的乘法器和平均器后的輸出信號就是消除了放大器自身噪音之后的 隧道電流的功率。至此，該套裝置測量的是隧道電流的功率，此為現(xiàn)有技術(shù)中所不具有的功 率輸出。
若在互關(guān)聯(lián)放大器后再添加一個開平方運算器后，互關(guān)聯(lián)放大器的輸出信號經(jīng)過 開平方運算后就成為正比于隧道電流的電壓信號；或，在所述互關(guān)聯(lián)放大器的乘法器和平 均器之間添加一個開平方器，由此構(gòu)成開平方的互關(guān)聯(lián)放大器，這樣由開平方的互關(guān)聯(lián)放 大器輸出的信號就是與隧道電流成正比的電壓信號。此對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)中的電壓輸出，但由于壓制了放大器本身的噪音，所以其信噪比、分辨率、測量精度、靈敏度等要大大優(yōu)于現(xiàn) 有技術(shù)。
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置具有兩種工作 模式一種是保持探針與樣品之間的偏壓恒定，通過調(diào)節(jié)探針與樣品之間的距離來測量隧 道譜，即恒壓模式；另一種是保持針尖與樣品之間的距離不變，通過調(diào)節(jié)探針與樣品之間的 偏壓的大小來測量隧道譜，即恒高模式。在探針與樣品之間施加一個偏壓，通過粗調(diào)驅(qū)動器 及壓電陶瓷來調(diào)節(jié)針尖與樣品之間的距離，使二者之間產(chǎn)生隧道電流，在恒定電壓模式下， 調(diào)節(jié)壓電陶瓷在Z方向的移動距離，探針與樣品之間的隧道電流就會隨著變化，隧道電流 輸入到互關(guān)聯(lián)放大器中進行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后得到隧道電流隨隧穿距離變化的 曲線，即隧道電流與探針-樣品間距的關(guān)系曲線；在恒定高度模式下，保持針尖與樣品之間 的距離不變，改變施加在樣品與探針之間的偏壓的大小，隧道電流就會隨之發(fā)生變化，隧道 電流輸入到互關(guān)聯(lián)放大器中進行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后得到隧道電流隨偏壓變化的 曲線，即隧道電流與探針-樣品之間的電壓的關(guān)系曲線。
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置在使用了用壓 電陶瓷材料制成的三維掃描控制器后，可工作在線掃描或面掃描的模式下；此時若在互關(guān) 聯(lián)放大器或開平方器的輸入端和三維掃描控制器之間添加一個Z方向反饋控制系統(tǒng)，則 本發(fā)明裝置就可以以恒定電流或恒定高度兩種工作模式來實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡的功能；若 不添加Z方向反饋控制系統(tǒng)，則本發(fā)明可以以恒定高度的工作模式實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡的 功能。在未添加開平方運算器時，本發(fā)明裝置是在設(shè)定隧道電流的功率值的情況下實現(xiàn)恒 定電流的掃描模式的，這比在單通道放大情況下設(shè)定與隧道電流的大小成正比的電壓值時 實現(xiàn)的恒定電流的掃描模式具有更高的靈敏度。
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置首次提出采用 雙通道關(guān)聯(lián)放大技術(shù)來測量隧道電流，并且首次將之應(yīng)用于掃描隧道顯微鏡領(lǐng)域，具有開 創(chuàng)性?，F(xiàn)有的互關(guān)聯(lián)放大技術(shù)在應(yīng)用時，兩個通道的輸入信號來自被測電路或器件的不同 點，即雙點測量。該方法應(yīng)用于隧道電流測量領(lǐng)域則有很多缺點按雙點測量法，兩個通 道的輸入信號一個來自樣品，一個來自探針；由于要在樣品與探針之間加偏壓才產(chǎn)生隧道 電流，所以兩個通道將工作于不同的參考電壓，工作點就不再對稱，這是互關(guān)聯(lián)放大技術(shù)所 忌諱的；再有，探針與樣品的溫度、寄生電容等的不同也會導(dǎo)致雙通道工作點的不對稱 ’另 外，兩個通道的分離也不利于集成與微型化。以上缺點都會使得測量精度減小。這也是本 發(fā)明的改進之處。而本發(fā)明裝置采用單點測量的方式，即將互關(guān)聯(lián)放大器的兩個通道的輸 入端短接后再與探針相連，由于此時兩個通道內(nèi)的信號來自被測電路或器件的同一點，這 樣就克服了現(xiàn)有雙點測量法的一系列的缺點，保證了兩個通道內(nèi)的隧道電流信號的嚴格對 稱。
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置由于采用了雙 通道關(guān)聯(lián)放大技術(shù)，消除了放大器本身的噪聲，因而與現(xiàn)有的采用單通道放大技術(shù)的隧道 電流測量裝置相比具有更高的信噪比、靈敏度、分辨率和測量精度。在添加有開平方運算器 后，該套裝置既可用于測量隧道電流的功率譜，也可用于直接測量與隧道電流成正比的電 壓信號。本發(fā)明的隧道電流測量裝置運用于掃描隧道顯微鏡后，能夠大幅度提高顯微鏡的 分辨率和靈敏度。特別是裝備有本發(fā)明裝置的掃描隧道顯微鏡可以在設(shè)定隧道電流的功率的情況下實現(xiàn)恒定電流的掃描模式；因為隧道電流的功率與隧道電流是二次方的關(guān)系，能 夠更加靈敏的反映隧道電流的變化，因而在設(shè)定功率值的情況下實現(xiàn)的恒定電流的掃描模 式比設(shè)定與隧道電流的大小成正比的電壓值來實現(xiàn)恒定電流的掃描模式具有更高的靈敏 度。所以，裝備有本發(fā)明隧道電流測量裝置的掃描隧道顯微鏡在樣品成像和分析方面比現(xiàn) 有的掃描隧道顯微鏡具有更大的優(yōu)勢。


圖1是本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置的固定 樣品方式的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2是本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置的固定 探針方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是在圖1基礎(chǔ)上添加反饋控制系統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡的固定樣品方式的結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖4是在圖2基礎(chǔ)上添加反饋控制系統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡的固定探針方式的結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖5是在圖1基礎(chǔ)上添加開平方運算器的隧道電流測量裝置的固定樣品方式的結(jié) 構(gòu)原理示意圖。
圖6是在圖2基礎(chǔ)上添加開平方運算器的隧道電流測量裝置的固定探針方式的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖7是在圖5的基礎(chǔ)上添加反饋控制系統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡的固定樣品方式的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖8是在圖6的基礎(chǔ)上添加反饋控制系統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡的固定探針方式的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖9是工作在數(shù)字方式下的隧道電流測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1 本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置的一 種基本結(jié)構(gòu)
本實施例采用的是固定樣品，通過移動探針來實現(xiàn)探針與樣品之間間距的調(diào)節(jié)。 圖1給出了本實施例基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置的結(jié)構(gòu)原 理示意圖互關(guān)聯(lián)放大器6的兩個輸入端6g和6h短接后與探針架3相連，樣品固定在樣品 架1上，探針2電接觸地固定在探針架3上，探針架3固定在壓電陶瓷4的一個頂端，通過 在互關(guān)聯(lián)放大器6的參考輸入端6e和樣品架1之間接入一個參考電壓Vb從而使探針2與 樣品架1之間產(chǎn)生一個偏壓，通過粗調(diào)驅(qū)動器5初步調(diào)節(jié)探針2和樣品之間的距離，通過壓 電陶瓷4在Z方向進行微小的移動來調(diào)節(jié)探針2和樣品之間的距離以產(chǎn)生隧道電流，隧道 電流通過互關(guān)聯(lián)放大器6的檢測輸入端6f后，分為相等的兩部分分別輸入到互關(guān)聯(lián)放大器 中的對稱的上通道和下通道兩個通道中，經(jīng)過上、下兩個通道內(nèi)的第一電流-電壓轉(zhuǎn)換放 大器6a和第二電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器6b放大處理后成為與隧道電流成正比的電壓信號， 兩路電壓信號輸入到乘法器6c，經(jīng)過乘法運算后再輸入到平均器6d進行平均運算，最后輸出的信號就是與隧道電流相應(yīng)的功率。
本實施例所述隧道電流測量裝置可工作在恒定偏壓和恒定隧穿距離兩種模式下。 在第一種工作模式即恒定偏壓模式下，保持樣品與探針之間的偏壓恒定，通過調(diào)節(jié)探針2 與樣品之間的距離來獲得隧道電流與探針_樣品間距的關(guān)系曲線，這可以通過調(diào)節(jié)Z方向 壓電陶瓷4的微小移動來實現(xiàn)，這種工作模式獲得的隧道譜圖反映了隧道電流與隧穿距離 之間的關(guān)系；在第二種工作模式即恒定隧穿距離模式下，保持探針2與樣品之間的距離恒 定，通過改變互關(guān)聯(lián)放大器的參考輸入端6e和樣品架1之間接入的參考電壓來改變樣品與 探針之間的偏壓，從而獲得隧道電流與探針-樣品間電壓的關(guān)系曲線，這種工作模式下獲 得的隧道譜圖反映了隧道電流與外加偏壓之間的關(guān)系。
本發(fā)明所述隧道電流測量裝置的探針架3和探針2是用良導(dǎo)體制成的，探針2是 可以更換的，探針2與探針架3之間為電接觸。探針2可以用制作掃描隧道顯微鏡探針的 制作工藝來制作，包括機械加工法或化學(xué)腐蝕法。
實施例2 本發(fā)明裝置的另一種基本結(jié)構(gòu)
實施例1中采用的是固定樣品，通過移動探針來調(diào)節(jié)樣品與探針之間的距離得到 隧道電流信號；本實施例中采取固定探針，通過移動樣品來調(diào)節(jié)樣品與探針之間的距離得 到隧道電流信號。圖2給出了本實施例隧道電流測量裝置的固定探針方式的結(jié)構(gòu)示意圖 樣品架1固定在壓電陶瓷4的頂端，探針2電接觸地固定在探針架3上，通過在互關(guān)聯(lián)放大 器6的參考輸入端6e和樣品架1之間接入一個參考電壓Vb從而使探針2與樣品架1之間 產(chǎn)生一個偏壓，通過粗調(diào)驅(qū)動器5初步調(diào)節(jié)探針2與樣品之間的距離，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷4 在Z方向進行微小的移動來調(diào)節(jié)探針2與樣品之間的距離以產(chǎn)生隧道電流，隧道電流經(jīng)過 互關(guān)聯(lián)放大器6放大處理后成為與隧道電流相應(yīng)的功率信號，最后輸入到記錄和顯示隧道 譜的設(shè)備上。本實施例與實施例1 一樣可以實現(xiàn)兩種工作模式，即恒定偏壓和恒定隧穿距 離兩種模式，具體操作方式同實施例1。
實施例3 反饋控制系統(tǒng)在本發(fā)明中的應(yīng)用
本發(fā)明所述隧道電流測量裝置，采用的掃描器件為Z方向壓電陶瓷，該壓電陶瓷 可以是片狀、柱狀或其他任何可以實現(xiàn)Z方向掃描的形狀，在該情況下只能實現(xiàn)Z方向掃 描，即只能調(diào)節(jié)隧穿距離的大小。本發(fā)明還可以使用用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制 器來實現(xiàn)三維空間的掃描，在此情況下可以在恒定高度模式下實現(xiàn)對樣品的掃描并且成 像。在配備有Z方向的反饋控制系統(tǒng)后就可以在恒定高度和恒定電流兩種模式下實現(xiàn)對樣 品的掃描并且成像，實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡的功能。本實施例中應(yīng)用了反饋控制系統(tǒng)，參見圖 3和圖4 圖3是在圖1基礎(chǔ)上添加有反饋控制系統(tǒng)8的本實施例的隧道電流測量裝置的固 定樣品方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是在圖2的基礎(chǔ)上添加有反饋控制系統(tǒng)8的隧道電流測量 裝置的固定探針方式的結(jié)構(gòu)示意圖預(yù)先設(shè)置樣品與探針2之間的隧道電流功率的大小， 然后在掃描的過程中通過反饋控制系統(tǒng)控制壓電陶瓷4在Z方向進行微小的伸縮來調(diào)節(jié)探 針2與樣品之間的距離，以此來調(diào)節(jié)隧道電流的大小，從而使隧道電流的功率保持恒定。反 饋控制系統(tǒng)8輸出的用于控制壓電陶瓷4在Z方向進行微小伸縮的電壓信號的變化就反映 了樣品表面的粗糙程度，因而可以用于成像，而此時所成的像即為樣品表面的形貌像。因為 此時實現(xiàn)的恒定電流的掃描模式是在設(shè)定隧道電流的功率的情況下實現(xiàn)的，因而與單通道 放大情況下設(shè)定隧道電流值相比要靈敏的多。[0034]實施例4 開平方器在本發(fā)明中的應(yīng)用
在以上的實施例中，互關(guān)聯(lián)放大器6輸出的信號由于是兩個通道內(nèi)的電壓信號的 乘積，因而是與隧道電流相關(guān)的功率譜密度而不是與隧道電流成正比的電壓信號，在計算 隧道電流的大小時，就需要對放大器的輸出信號進行開平方運算，實際的隧道電流的大小 應(yīng)為
i=2xyJs/A
其中，i為隧道電流，S為互關(guān)聯(lián)放大器的輸出信號的功率，A為互關(guān)聯(lián)放大器通道 內(nèi)采用的放大器的放大系數(shù)。上式中因子2表示的是隧道電流在互關(guān)聯(lián)放大器的輸入端被 分為兩部分，分別被輸入到互關(guān)聯(lián)放大器的上、下兩個通道中，因此經(jīng)過開平方運算后得到 的信號就是能實時地單調(diào)地反映隧道電流變化的與隧道電流成正比的電壓信號。
要實現(xiàn)以上的目標，就需要在互關(guān)聯(lián)放大器6的輸出端連接一個開平方運算器7， 參見圖5和圖6 本實施例中將開平方運算器7的輸入端與互關(guān)聯(lián)放大器6的輸出端相連， 構(gòu)成開平方的互關(guān)聯(lián)放大器，開平方運算器7的輸出端即該開平方的互關(guān)聯(lián)放大器的輸出 端作為信號輸出接口，這樣，由互關(guān)聯(lián)放大器輸出的與隧道電流相應(yīng)的功率信號經(jīng)過開平 方運算器7開平方運算后就成為與隧道電流成正比的電壓信號；或，在所述互關(guān)聯(lián)放大器6 的乘法器6c與平均器6d之間添加一個開平方運算器7，由此構(gòu)成開平的方互關(guān)聯(lián)放大器， 平均器6d的輸出端即該開平方的互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端作為信號的輸出接口，這樣，開平 方的互關(guān)聯(lián)放大器輸出的功率信號就是與隧道電流成正比的電壓信號。
實施例5 本發(fā)明隧道電流測量裝置的幾種工作模式
A 在實施例4的基礎(chǔ)上，本發(fā)明隧道電流測量裝置已能夠精確的測量隧道電流的 大小，而在此基礎(chǔ)上使用三維掃描控制器4和反饋控制系統(tǒng)8就可以實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡 的恒定電流掃描的功能。參見圖7和圖8 本實施例中在開平方運算器7和三維掃描控制 器4之間連接一個反饋控制系統(tǒng)8，反饋控制系統(tǒng)8的輸入端與開平方運算器7的輸出端相 連，反饋控制系統(tǒng)8的輸出端與三維掃描控制器相連，因為能夠準確的測量隧道電流的大 小，所以可以預(yù)先設(shè)置樣品與針尖之間的隧道電流的大小，然后在掃描的過程中通過反饋 控制系統(tǒng)8控制三維掃描控制器4在Z方向進行微小的伸縮來控制探針2與樣品之間的距 離以保持二者之間的隧道電流保持恒定(與預(yù)設(shè)的隧道電流相等)，反饋控制系統(tǒng)8輸出的 用于控制壓電陶瓷4在Z方向進行微小的伸縮的信號則反映了樣品表面的粗糙程度，因而 可以用于成像，而此時所成的像即為樣品表面的形貌像。
B 在實施例4的基礎(chǔ)上，不使用反饋控制系統(tǒng)8，僅使用三維掃描控制器4就可以 實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡的恒定高度的掃描模式。參見圖5和圖6:本實施例中在互關(guān)聯(lián)放大器 6的輸出端與開平方運算器7的輸入端相連，開平方運算器7的輸出端作為信號輸出接口 ； 或，在所述的互關(guān)聯(lián)放大器的乘法器6c與平均器6d之間添加一個開平方運算放大器7，平 均器6d的輸出端作為信號的輸出接口，通過外加電壓來驅(qū)動三維掃描控制器4在樣品表面 進行X和Y方向掃描，而在三維掃描控制器4的Z方向不做任何的響應(yīng)，則此時測得的隧道 電流的大小就直接反映了樣品表面的粗糙程度，直接利用測得的隧道電流成的像就是樣品 表面的形貌像。
當然，以上的兩種情況可以在同一個系統(tǒng)中實現(xiàn)，即在裝備包括三維掃描控制器 4、反饋控制系統(tǒng)8，開平方運算器7的一個完整的大系統(tǒng)中實現(xiàn)。在壓電陶瓷4進行掃描時，若反饋控制系統(tǒng)8做出響應(yīng)，使測量得到的隧道電流為恒定值，就可以實現(xiàn)掃描隧道顯 微鏡的恒電流的工作模式；在該模式下，若開平方運算器7不做響應(yīng)，則可以通過設(shè)定隧道 電流的功率來實現(xiàn)；若開平方運算器7做出響應(yīng)，則可以通過直接設(shè)定隧道電流的大小來 實現(xiàn)；若反饋控制系統(tǒng)8不作響應(yīng)，則可以實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡的恒定高度的工作模式；在 該模式下，若開平方運算器7不做響應(yīng)，所成的像是與隧道電流相關(guān)的功率譜像；若開平方 運算器7做出響應(yīng)，則測量得到的是與隧道電流成正比的電壓信號，所成的像也就是與隧 道電流成正比的電壓譜像。
實施例6 數(shù)字化隧道電流測量裝置
以上實施例都是工作在模擬狀態(tài)中，本實施例是工作在數(shù)字方式下的隧道電流測 量裝置，參見圖8 在互關(guān)聯(lián)放大器6的乘法器6c的兩個輸入端之前各連接一個模數(shù)轉(zhuǎn)換 器6i、6j，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出 端與乘法器的輸入端之一相連，后續(xù)的乘法器和平均器則都替換成數(shù)字式的乘法器和平均 器，由此構(gòu)成數(shù)字式互關(guān)聯(lián)放大器。當在該數(shù)字式互關(guān)聯(lián)放大器6的輸出端連接一個數(shù)字 式開平方運算器，由此構(gòu)成開平方的數(shù)字式互關(guān)聯(lián)放大器；或，在該數(shù)字式互關(guān)聯(lián)放大器6 的乘法器6c和平均器6d之間添加一個數(shù)字式的開平方運算器7，構(gòu)成開平方的數(shù)字式互關(guān) 聯(lián)放大器。在應(yīng)用該數(shù)字式互關(guān)聯(lián)放大器、并將后續(xù)元器件替換為相應(yīng)的數(shù)字式元器件后， 本發(fā)明的隧道電流測量裝置就可以工作在數(shù)字方式下。
權(quán)利要求
一種基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，包括探針架、探針、樣品架、Z方向粗調(diào)驅(qū)動器和Z方向壓電陶瓷，其特征在于兩個電流 電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出端分別與乘法器的兩個輸入端相連，乘法器的輸出端與平均器的輸入端相連，由此構(gòu)成互關(guān)聯(lián)放大器，該兩個電流 電壓轉(zhuǎn)換放大器的檢測輸入端即互關(guān)聯(lián)放大器的兩個輸入端短接后與探針架相連，將該兩個電流 電壓轉(zhuǎn)換放大器的參考輸入端短接后作為互關(guān)聯(lián)放大器的參考輸入端；探針電接觸地固定在探針架上，探針架固定在Z方向壓電陶瓷的一個頂端，樣品架固定在探針指向的基座上，Z方向壓電陶瓷的另一頂端固定在Z方向粗調(diào)驅(qū)動器上，平均器的輸出端即互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端為信號輸出接口；或者，樣品架固定在Z方向壓電陶瓷的一個頂端，Z方向壓電陶瓷的另一頂端固定在Z方向粗調(diào)驅(qū)動器上，在與樣品架對面的基座上固定探針架，探針電接觸地固定在探針架上，平均器的輸出端即互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端為信號輸出接口。
2.如權(quán)利要求
1所述基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，特征 在于以一個開平方運算器的輸入端與所述互關(guān)聯(lián)放大器輸出端相連，構(gòu)成開平方的互關(guān)聯(lián) 放大器，開平方運算器的輸出端即該開平方的互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端作為信號輸出接口。
3.如權(quán)利要求
1所述基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，特征 在于在所述互關(guān)聯(lián)放大器的乘法器和平均器之間連接一個開平方運算器，構(gòu)成開平方的互 關(guān)聯(lián)放大器，平均器的輸出端即該開平方的互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端作為信號輸出接口。
4.如權(quán)利要求
1或2或3所述基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝 置，特征在于所述Z方向壓電陶瓷替換成用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器。
5.如權(quán)利要求
4所述基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，特征 在于在互關(guān)聯(lián)放大器的輸出端和三維掃描控制器之間添加一個Z方向的反饋控制系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求
1所述基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，特征 在于在所述乘法器的兩個輸入端之前各添加一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并將該乘法器以及其后的平 均器分別替換成數(shù)字式乘法器和數(shù)字式平均器。
專利摘要
本發(fā)明基于互關(guān)聯(lián)放大器的掃描隧道顯微鏡的隧道電流測量裝置，特征是兩個電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出端分別與乘法器的兩個輸入端相連，乘法器的輸出端與平均器的輸入端相連；該兩個電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的檢測輸入端短接后與探針架或樣品架相連，其兩個參考輸入端短接后作為參考輸入端；探針電接觸地固定在探針架上，探針架固定在壓電陶瓷的頂端，樣品架固定在探針指向的基座上，壓電陶瓷的另一頂端固定在Z方向粗調(diào)驅(qū)動器上。本發(fā)明裝置使信噪比、靈敏度、分辨率和測量精度大幅度提高；在使用三維掃描控制器和Z方向反饋控制系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡的功能；特別是能夠通過設(shè)定隧道電流功率來實現(xiàn)隧道電流顯微鏡的恒定電流掃描模式。
文檔編號G01Q60/10GKCN1904583SQ200610041263
公開日2010年12月8日 申請日期2006年7月29日
發(fā)明者侯玉斌, 陸輕鈾 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan