一種多探針掃描顯微和輸運(yùn)測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及材料測試儀器領(lǐng)域，更確切地說涉及高真空下進(jìn)行掃描探針顯微和多探針原位輸運(yùn)測量裝置。本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種將高靈敏度掃描隧道顯微鏡和多探針電學(xué)輸運(yùn)測量有機(jī)結(jié)合起來的設(shè)計(jì)方案；并構(gòu)建一種類似的測量裝置，此裝置可以用于對樣品進(jìn)行高靈敏度掃描隧道顯微測量，同時(shí)還可以進(jìn)行四探針電學(xué)輸運(yùn)測量。
【專利說明】一種多探針掃描顯微和輸運(yùn)測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及材料測試儀器領(lǐng)域，更確切地說涉及高真空下進(jìn)行掃描探針顯微和多 探針原位輸運(yùn)測量裝置。

【背景技術(shù)】：
[0002] 21世紀(jì)，由于電子信息、生物技術(shù)、能源環(huán)境、國防等工業(yè)的快速發(fā)展，對各種材料 的性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)?要求材料的尺寸越來越小。因此，在微觀尺度下研究新材料的結(jié)構(gòu)和性能，乃至于從材料的 基本結(jié)構(gòu)和成分出發(fā)，調(diào)控以至于改變材料的性能，逐漸成為目前科學(xué)研究的重要課題和 發(fā)展基礎(chǔ)。掃描探針顯微鏡（SPM)使用尖銳的探針去探測物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，可以提供材料 表面的原子結(jié)構(gòu)和微觀性質(zhì)的信息，在材料以及其它科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了重要的作用。此外，隨 著電子器件的小型化和超高集成性，越來越要求在介觀尺度（微米）或微觀尺度下測量材 料的電學(xué)輸運(yùn)性能。多探針電輸運(yùn)測量裝置就顯得尤其重要。因此，將微觀尺度顯微技術(shù) 和多探針電輸運(yùn)測量有機(jī)的結(jié)合起來，對今后新材料和新能源以及未來納米電子和器件的 研究和發(fā)展，就顯得尤其的重要。
[0003] 為了得到材料的微觀結(jié)構(gòu)甚至原子結(jié)構(gòu)信息，科學(xué)界、工藝界發(fā)明了一些測量方 法和技術(shù)。其中，掃描探針顯微鏡（SPM)就是近幾十年發(fā)展起來的高科技測量技術(shù)。
[0004] 掃描探針顯微鏡（Scanning probe microscopy,縮寫為SPM)是所有機(jī)械式地用探 針在樣本上掃描移動以探測樣本影像的顯微鏡的統(tǒng)稱。其影像解析度主要取決于探針的大 小〔通常在納米的范圍〕。掃描隧道顯微鏡是第一個(gè)被發(fā)明的掃描探針顯微鏡〔1981年〕。掃 描隧道顯微鏡（英語：scanning tunneling microscope,縮寫為STM)，是一種利用量子理 論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。它于1981年由格爾德?賓寧及海因里希?羅雷 爾在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，兩位
【發(fā)明者】因此獲得了 1986年諾貝爾物理 學(xué)獎。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個(gè)原 子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K) 可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。
[0005] 目前，商用的多探針掃描裝置是將壓電陶瓷控制的四個(gè)探針置于電子顯微鏡下， 分別移動和定位四個(gè)探針，在電子顯微鏡的實(shí)時(shí)觀測下，測量樣品的電輸運(yùn)性能。這種設(shè)計(jì) 的缺點(diǎn)在于：（1)所采用的電子顯微鏡是低空間分辨率的掃描電鏡，最高分辨精度只到5納 米；不能提供原子結(jié)構(gòu)信息。（2)電子顯微鏡價(jià)格昂貴，對使用環(huán)境條件要求高，和外加磁 場不兼容。（3)四個(gè)探針的不能用于掃描成像，只是用于電輸運(yùn)測量。


【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] ：針對以上提到的問題，提出本發(fā)明。
[0007] 本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種將高靈敏度掃描隧道顯微鏡和多探針電學(xué)輸運(yùn)測量有 機(jī)結(jié)合起來的設(shè)計(jì)方案；并構(gòu)建一種類似的測量裝置，此裝置可以用于對樣品進(jìn)行高靈敏 度掃描隧道顯微測量，同時(shí)還可以進(jìn)行四探針電學(xué)輸運(yùn)測量。
[0008] 本發(fā)明涉及的解決方案為：設(shè)計(jì)一個(gè)高靈敏度掃描探針顯微鏡，以取代常規(guī)使用 的電子顯微鏡。該掃描隧道顯微鏡可以提供所研究材料的微觀乃至原子結(jié)構(gòu)信息。同時(shí)， 設(shè)計(jì)四個(gè)壓電陶瓷控制的掃描探針系統(tǒng)，每個(gè)都可以獨(dú)立操作，進(jìn)行移動，定位和掃描。在 高分辨的光學(xué)顯微鏡下，操作和控制這四個(gè)掃描探針，從而可以四探針電學(xué)輸運(yùn)測量。整個(gè) 裝置可以在高真空，超高真空和低溫以及強(qiáng)磁場的環(huán)境中工作。
[0009] 本發(fā)明涉及的裝置包含：一個(gè)高靈敏度掃描探針顯微鏡（圖1)，此掃描隧道顯微 鏡可對樣品進(jìn)行掃描成像，提供所研究材料的微觀乃至原子結(jié)構(gòu)信息；四個(gè)壓電陶瓷控制 的掃描探針系統(tǒng)（圖2)，每個(gè)探針都可以獨(dú)立操作，進(jìn)行移動，定位和掃描。同時(shí)，裝置還需 要高分辨的光學(xué)顯微鏡，用來監(jiān)測每個(gè)掃描探針的移動和定位。
[0010] 本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于：
[0011] 1.通過在樣品的上方安置一高靈敏度掃描探針顯微鏡，用于觀察樣品的微觀信息 乃至于原子結(jié)構(gòu)信息。利用四個(gè)獨(dú)立控制的掃描探針在光學(xué)顯微鏡下，選擇樣品上合適的 區(qū)域，進(jìn)行兩端點(diǎn)法或四端點(diǎn)法的電輸運(yùn)測量?；蚴抢媚骋粋€(gè)/幾個(gè)探針給樣品施加電 壓/電流，測量電子的動態(tài)特性。
[0012] 2.說明1中所述的高靈敏度掃描探針顯微鏡可以為：Pan type掃描隧道顯微鏡， Beetle type掃描隧道顯微鏡，音叉掃描探針顯微鏡等任何利用掃描探針進(jìn)行材料表面形 貌微觀或原子尺度測量的裝置。
[0013] 3.說明1中所述的獨(dú)立控制的掃描探針系統(tǒng)可以為：任何形式的以馬達(dá)進(jìn)行三維 空間精確移動/定位裝置，結(jié)合掃描管對樣品表面進(jìn)行掃描，得到局域的微觀形貌甚至原 子結(jié)構(gòu)圖像。
[0014] 4.說明1中所述的樣品包含但不僅限于：半導(dǎo)體材料（硅（Si)、鍺（Ge))，拓?fù)浣^ 緣體等塊體材料以及任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼，以及高溫超導(dǎo)薄膜等。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0015] 圖1. 一種高靈敏度掃描探針顯微鏡。
[0016] 圖2. -種獨(dú)立控制的四個(gè)掃描探針系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。
[0017] 圖3.多探針掃描顯微和輸運(yùn)測量裝置的整體設(shè)計(jì)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019] 實(shí)例一：參照圖3。
[0020] 首先利用高靈敏度掃描探針顯微鏡對樣品的表面形貌和原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量；高靈 敏度掃描探針顯微鏡處于樣品的正上方，可以進(jìn)行高分辨微觀形貌和原子結(jié)構(gòu)的測量；圖 1為一種高靈敏度掃描探針顯微鏡模型，其中壓電陶瓷馬達(dá)為慣性驅(qū)動壓電陶瓷馬達(dá)，掃描 探針為音叉原子力探針。接著在光學(xué)顯微鏡的觀察下移動四個(gè)獨(dú)立掃描探針，用于原位電 學(xué)輸運(yùn)測量以及作為外加電流/電壓源。圖2為一種獨(dú)立控制的四掃描探針系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意 圖。其中四個(gè)獨(dú)立探針控制系統(tǒng)組裝在一起。每個(gè)探針可以在三維空間移動，精確定位，也 可以進(jìn)行獨(dú)立的樣品表面形貌的掃描成像。所有的移動，定位和掃描都可以在高真空或低 溫或磁場下進(jìn)行，由外加脈沖電壓驅(qū)動壓電陶瓷控制。在光學(xué)顯微鏡的觀察下，操作四個(gè)探 針的移動，將四個(gè)探針放置在所要的位置。利用自動進(jìn)針裝置，將每個(gè)探針靠近最終接觸樣 品的表面。通過壓電陶瓷掃描管的細(xì)微可控的伸縮，控制探針剛剛接觸表面，同時(shí)不至于破 壞樣品。利用四端點(diǎn)方法測量樣品的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)。此外，通過控制樣品的溫度或是施加 外磁場，可以測量不同溫度或是磁場下，樣品的表面電導(dǎo)隨溫度或磁場的變化關(guān)系。從而解 決了長期以來困擾的測量超薄薄膜電導(dǎo)的問題，同時(shí)，微觀或原子尺度下的測量和宏觀電 學(xué)輸運(yùn)測量也有機(jī)的結(jié)合起來。
【權(quán)利要求】
1. 一種將高靈敏度掃描隧道顯微鏡和多探針電學(xué)輸運(yùn)測量有機(jī)結(jié)合起來的設(shè)計(jì)方案， 其設(shè)計(jì)原理在于：設(shè)計(jì)一個(gè)高靈敏度掃描探針顯微鏡，以取代常規(guī)使用的電子顯微鏡；該 掃描隧道顯微鏡可以提供所研究材料的微觀乃至原子結(jié)構(gòu)信息；同時(shí)，設(shè)計(jì)四個(gè)壓電陶瓷 控制的掃描探針系統(tǒng)，每個(gè)都可以獨(dú)立操作，進(jìn)行移動，定位和掃描；在高分辨的光學(xué)顯微 鏡下，操作和控制這四個(gè)掃描探針，從而可以四探針電學(xué)輸運(yùn)測量；整個(gè)裝置可以在高真 空，超高真空和低溫以及強(qiáng)磁場的環(huán)境中工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建一種系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：一個(gè)高靈敏度掃描探針 顯微鏡，此掃描隧道顯微鏡可對樣品進(jìn)行掃描成像，提供所研究材料的微觀乃至原子結(jié)構(gòu) 信息；四個(gè)壓電陶瓷控制的掃描探針系統(tǒng)，每個(gè)探針都可以獨(dú)立操作，進(jìn)行移動，定位和掃 描；同時(shí)，裝置還需要高分辨的光學(xué)顯微鏡，用來監(jiān)測每個(gè)掃描探針的移動和定位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高靈敏度掃描探針顯微鏡，其特點(diǎn)在于：任何利用掃描探針 進(jìn)行材料表面形貌微觀或原子尺度測量的裝置，例如：Pan type掃描隧道顯微鏡，Beetle type掃描隧道顯微鏡，音叉掃描探針顯微鏡等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立控制的掃描探針系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于：可以為任何形式的 以馬達(dá)進(jìn)行三維空間精確移動/定位裝置，結(jié)合掃描管對樣品表面進(jìn)行掃描，得到局域的 微觀形貌甚至原子結(jié)構(gòu)圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的樣品，其特性在于：可以為半導(dǎo)體材料（硅（Si)、鍺（Ge))，拓 撲絕緣體等塊體材料以及任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼，以及高溫超導(dǎo)薄膜等。
【文檔編號】G01Q70/00GK104122415SQ201410362665
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】潘明虎 申請人:潘明虎