一種基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在納米尺度，量子物理學(xué)開始起重要作用，界面處的對稱破缺效應(yīng)也已支配著輸運(yùn)性質(zhì)，新的物理行為也開始展現(xiàn)。由于維度的限制，納米體系一個非常獨(dú)特的特征就是它們的性質(zhì)極其依賴于結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征。在這些諸多的性質(zhì)當(dāng)中，電子的輸運(yùn)性質(zhì)至關(guān)重要，因?yàn)樗c納米材料的結(jié)構(gòu)，電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、電化學(xué)等諸多性質(zhì)強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)在一起。在電輸運(yùn)方面，除了尺寸效應(yīng)的影響，電子之間的相互作用、熱電子以及摻雜、缺陷等導(dǎo)致低維材料出現(xiàn)了不同于體材料的性質(zhì)。因此，研究納米材料的電學(xué)輸運(yùn)與納米結(jié)構(gòu)(缺陷，晶界等)在介觀到原子尺度范圍的耦合是至關(guān)重要的。
[0003]但是，研究納米尺度的輸運(yùn)性質(zhì)是極具挑戰(zhàn)性的。首先，傳統(tǒng)的探針或者電極對樣品具有破壞性。其次，對于尺度遠(yuǎn)小于探針的樣品，探針成為了主要的散射源，無法探測到樣品本征的信息。而掃描隧道電子顯微鏡(STM)探針則可以避免對樣品的損傷與影響。利用掃描隧道電子顯微鏡，可以獲得原子級分辨的形貌與電學(xué)特征，并且采用其衍生出的掃描隧道譜(STS)也可以獲得原子級的電子譜學(xué)特性。掃描隧道電子顯微鏡催生出了的各種不同類型的顯微鏡，比如原子力顯微鏡(AFM)，它可以用來研究絕緣樣品，這類顯微鏡在本文中統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。利用這些掃描探針顯微鏡，可以無損地獲得樣品原子級別的信息?；趥鹘y(tǒng)的單探針掃描探針顯微鏡，人們還進(jìn)一步開發(fā)出具有兩個、三個或四個探針的多探針掃描探針顯微鏡。多探針能夠用于測量樣品的橫向電導(dǎo)，測量樣品表面的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，在測量時消除針尖與樣品的接觸電阻等。
[0004]無論是單探針掃描探針顯微鏡還是多探針掃描探針顯微鏡，樣品的尺寸一般為毫米或者厘米量級，而觀察所關(guān)注結(jié)構(gòu)所需的分辨力需要達(dá)到納米甚至埃的量級。因此，對于現(xiàn)有技術(shù)中典型的掃描探針顯微鏡，通常先通過粗動機(jī)制，配合光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡等監(jiān)視設(shè)備，將探針移動到所關(guān)注結(jié)構(gòu)所處的大致區(qū)域，然后再利用基于掃描裝置的精動機(jī)制，在幾個微米的范圍內(nèi)對所關(guān)注的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確定位，進(jìn)而獲得所關(guān)注結(jié)構(gòu)的各種細(xì)節(jié)信息。
[0005]然而，對于可獲得原子分辨力的掃描探針，其掃描范圍往往十分有限，這使得尋找所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)的工作變得極為耗時與繁瑣。例如，對于材料邊界處的形貌以及電學(xué)信息的研究中，首先利用粗動機(jī)制(其移動步長為400nm)，配合光學(xué)顯微鏡的觀察，將針尖大致移動到材料邊界的上方區(qū)域，然后壓低針尖，使用壓電陶瓷掃描探針進(jìn)行掃描，尋找表征材料邊界的原子級別的臺階，如果未掃描到該臺階，則需要抬起針尖，再使用粗動機(jī)制并配合光學(xué)顯微鏡的觀察，將針尖移動到另一個區(qū)域，接著再壓低針尖，使用壓電陶瓷掃描探針進(jìn)行掃描。這樣不斷重復(fù)，直至壓電陶瓷掃描探針找到表征材料邊界的原子級別的臺階。眾所周知，由于壓電陶瓷本身特性的限制，壓電陶瓷掃描探針的掃描精度和掃描范圍往往不可兼得。通常情況下，探針的掃描精度越高，則掃描范圍越小。對于典型的原子分辨的壓電陶瓷掃描探針來說，其掃描范圍通常只能達(dá)到約500nm，因此上述粗動與精動調(diào)節(jié)過程往往需要重復(fù)多次，難以對所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速定位。尤其是，存在于樣品表面的某些分子與其襯底的作用力比較弱，稍有擾動它就可能在樣品表面旋轉(zhuǎn)或者移動，而現(xiàn)有的掃描探針技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)快速定位，也就難以對這類分子的旋轉(zhuǎn)或者移動進(jìn)行追蹤。
[0006]因此，當(dāng)前迫切需要一種將掃描探針快速定位到所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的任務(wù)是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將掃描探針快速定位到的所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)的解決方案。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)，包括:
[0009]第一級定位機(jī)構(gòu)和由所述第一級定位機(jī)構(gòu)驅(qū)動的可以在第一掃描范圍內(nèi)三維自由移動的第一基體；
[0010]安裝在所述第一基體上的第一壓電陶瓷裝置，該第一壓電陶瓷裝置連接電驅(qū)動模塊并提供一個第一安裝面，該第一安裝面能夠在電驅(qū)動模塊的作用下，在第二掃描范圍內(nèi)相對于所述第一基體做三維自由移動；
[0011]安裝在所述第一安裝面上的第二壓電陶瓷裝置，該第二壓電陶瓷裝置也連接電驅(qū)動模塊并提供一個第二安裝面，該第二安裝面能夠在電驅(qū)動模塊的作用下，在第三掃描范圍內(nèi)相對于所述第一安裝面做三維自由移動；以及
[0012]固定在所述第二安裝面上的探針；
[0013]所述第二掃描范圍的量級界于所述第一掃描范圍和所述第三掃描范圍之間，所述第一壓電陶瓷裝置的定位精度量級界于第一級定位機(jī)構(gòu)和第二壓電陶瓷裝置的定位精度量級之間。
[0014]其中，所述第一級定位機(jī)構(gòu)是機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，所述第一基體是一個剛性基體。
[0015]其中，所述第一或第二壓電陶瓷裝置是壓電陶瓷管、三腳架型壓電掃描裝置、十字架配合單管型壓電掃描裝置或者堆棧型壓電掃描裝置。
[0016]其中，所述第一掃描范圍是毫米量級至厘米量級的掃描范圍，所述第一級定位機(jī)構(gòu)的定位精度為微米或亞微米尺度。
[0017]其中，所述第二掃描范圍在微米尺度，所述第一壓電陶瓷裝置的定位精度達(dá)到團(tuán)簇尺度。
[0018]其中，所述第三掃描范圍在亞微米尺度，所述第二壓電陶瓷裝置的定位精度達(dá)亞原子或埃的量級。
[0019]其中，所述探針為SPM探針或者光纖探針。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種利用上述基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)的使用方法，包括下列步驟:
[0021]I)利用第一級定位機(jī)構(gòu)驅(qū)動第一基體，使探針移動到所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)附近；
[0022]2)利用第二級定位機(jī)構(gòu)在第二掃描范圍內(nèi)對樣品表面進(jìn)行壓電掃描，根據(jù)所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)的外貌輪廓將探針對準(zhǔn)所述所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)；
[0023]3)利用第三級定位機(jī)構(gòu)在第三掃描范圍內(nèi)對樣品表面進(jìn)行壓電掃描，對所述所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行探測。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，還提供了另一種利用上述基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)的使用方法，包括下列步驟:
[0025]I)在所述定位系統(tǒng)安裝第一光纖并將其作為所述探針，利用第一級定位機(jī)構(gòu)驅(qū)動第一基體，探測樣品表面的發(fā)光區(qū)域；
[0026]2)將所述第一光纖替換為第二光纖，所述第二光纖接收光信號的截面面積小于所述第一光纖，利用第二級定位機(jī)構(gòu)在步驟I)所得發(fā)光區(qū)域內(nèi)對樣品表面進(jìn)行壓電掃描，將發(fā)光結(jié)構(gòu)鎖定在對應(yīng)于所述第二光纖的區(qū)域內(nèi)；
[0027]3)將所述第二光纖替換為光纖探針，利用第三級定位機(jī)構(gòu)在步驟2)所得到的對應(yīng)于所述第二光纖的區(qū)域內(nèi)對樣品表面進(jìn)行壓電掃描，得到所述發(fā)光結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息。
[0028]其中，所述發(fā)光結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)信息包括所述發(fā)光結(jié)構(gòu)的形狀。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0030]1、本發(fā)明能夠快速地定位所關(guān)注納米結(jié)構(gòu)。
[0031 ] 2、本發(fā)明能夠?qū){米結(jié)構(gòu)的移動進(jìn)行跟蹤。
【附圖說明】
[0032]以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0033]圖1示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2示出了基于本發(fā)明的一個實(shí)施例的定位系統(tǒng)快速尋找樣品表面精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的過程的示意圖；
[0035]圖3示出了本發(fā)明一個實(shí)施例的基于雙探針的定位系統(tǒng)，對納米線的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行測量的過程的示意圖；
[0036]圖4示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中對樣品表面的發(fā)光納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確探測并精確收集發(fā)光信息進(jìn)行分析的過程的示意圖；
[0037]圖5示出了本發(fā)明中具有不同探針朝向的另外兩種類型的定位系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0039]圖1示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于掃描探針技術(shù)的定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖1，該定位系統(tǒng)包括:第一基體4，第一壓電陶瓷掃描平臺3，第二壓電陶瓷掃描平臺2和探針I(yè)。所述第一基體4由第一級定位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(圖中未示出)，所述第一級定位機(jī)構(gòu)驅(qū)動可以驅(qū)動所述第一基體4在第一掃描范圍內(nèi)三維自由移動。本實(shí)施例中，第一級定位機(jī)構(gòu)是機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，第一基體4是一個剛性基體，由不銹鋼材料制作。優(yōu)選地，第一掃描范圍是毫米或者厘米量級，第一級定位機(jī)構(gòu)的定位精度為微米或亞微米尺度，其移動方式為步進(jìn)方式。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，第一級定位機(jī)構(gòu)也可以采用螺桿與簧片結(jié)合方式等其它機(jī)械調(diào)節(jié)方式，或者是能夠提供上述掃描范圍和定位精度的其它驅(qū)動方式。在一個例子中，采用Scienta Omicron公司的MS5型壓電陶瓷滑動器作為第一級定位機(jī)構(gòu)。第一基體為長方體形，第一基體與第一級定