一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法

摘要

本发明提供了一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜及其测量方法，扫描隧道显微镜包括设有探针的扫描头，设置有电流/电压转换器和低通电压放大器的前置放大器，以及扫描隧道显微镜控制器，还设置有频谱分析器，且所述前置放大器还设置有带通电压放大器，所述频谱分析器分别连接带通电压放大器和扫描隧道显微镜控制器。本发明在STM的基础上，在测量隧穿电流的同时，能同时测得探针和被测样品原子间的互作用力。

说明书

技术领域

本发明属于扫描探针显微镜技术领域，特别是涉及一种可同时测量探针与被测物品之间的隧道电流及原子间作用力的扫描隧道显微镜，及采用该显微镜的测量方法。

技术背景

扫描探针显微镜(SPM)是纳米科技必不可少的测试手段和研究工具。它主要包括两大类型：基于隧道效应的扫描隧道显微镜(STM)和基于原子间作用力的原子力显微镜(AFM)。

STM工作时，探针与被测导体表面间的存在的是原子间的隧穿电流，所以，它的分辨率是原子量级，可优于0.1nm；而AFM中力的测量则是探针尖端原子和被测物表面一定范围内原子间作用力的量度，其涉及的表面原子数量与探针和被测物的距离有关。

目前，商用AFM的分辨率可达nm量级，远低于STM的分辨率；但少数实验室自行研制的、研究型AFM，在利用了短程力的分辨和测量技术后，已提高了其分辨率，有的甚至可优于现有STM的分辨率。

因此，在STM的基础上，如果能在测量隧穿电流的同时测得原子间的短程作用力，则有可能进一步提高STM的分辨率。本发明就是基于这一需求，在测量STM隧道电流的同时，通过隧道电流信号的频谱分析，获得了探针的机械共振频率及其变化，由此可计算出探针和被测原子间的作用力及其变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有STM无法测得探针和被测物品原子间的短程作用力的不足，提供一种在测量STM隧道电流的同时，可计算出探针和被测原子间的作用力的扫描隧道显微镜。

本发明的另一目的在于提供一种可同时测量STM隧道电流和原子间作用力的测量方法。

为了实现发明目的一，采用的技术方案如下：

一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜，包括设有探针的扫描头，设置有电流/电压转换器和低通电压放大器的前置放大器，以及扫描隧道显微镜控制器，还设置有频谱分析器，且所述前置放大器还设置有带通电压放大器，所述频谱分析器分别连接带通电压放大器和扫描隧道显微镜控制器。

本发明的探针、电流/电压转换器、低通电压放大器、扫描隧道显微镜控制器构成现有STM，可测量隧道电流；通过探针、电流/电压转换器、带通电压放大器、频谱分析器、扫描隧道显微镜控制器的组合，在测量隧道电流的基础上，可计算出探针与被测样品原子间的力梯度，从而得到其相互作用力。

所述探针采用导电金属探针。

为了实现发明目的二，采用的技术方案如下：

一种可测量原子间作用力的扫描隧道显微镜的测量方法，其采用前一技术方案的扫描隧道显微镜测量被测样品的隧道电流的同时，通过频谱分析器对隧道电流进行频谱分析，获得探针的机械共振频率及其变化，从而计算出探针和被测样品的原子间的作用力及其变化。

上述扫描隧道显微镜的测量方法中，所述探针和被测样品的原子间的作用力F_ts计算如下：

设定探针振动的动力学模型，该模型中探针的有效质量为m，有效弹性系数为k；在自由状态下探针机械共振的本征频率ω₀表示为ω₀≡(k/m)^1/2。

探针在外力作用下的本征频率ω₀^*与其在自由状态下的本征频率ω₀的关系为${\omega }_0^{*}={({{\omega }_0}^2+k_{\mathrm{ts}}/m)}^{1/2},$其中k_ts是探针和被测样品间的作用力F_ts的力梯度；

力梯度k_ts与强迫共振频率ω₀^*和自由共振频率ω₀的关系为

$k_{\mathrm{ts}}=\frac{{{\omega }_0^{*}}^2-{{\omega }_0}^2}{{{\omega }_0}^2}k\approx \frac{{\omega }_0^{*}-{\omega }_0}{{\omega }_0}2k,$

因此，通过测量ω₀W得到探针和被测样品原子间作用力的梯度k_ts，经积分计算便可得到其互作用力F_ts。

本发明在STM的基础上，在测量隧穿电流的同时，能同时测得探针和被测样品原子间的互作用力，进一步提高STM分辨率。

附图说明

图1为本发明的扫描隧道显微镜结构原理图；

图2为利用本发明的扫描隧道显微镜测得样品的隧道电流频谱图；

图3为本发明的探针振动的动力学模型原理图；

图4为各种偏压及隧道电流对热噪声激发模式下的共振频率ω₀^*和力梯度k_ts的影响图；

图5为探针-样品间的力梯度和互作用力与探针-样品间距离的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的扫描隧道显微镜结构示意图如附图1所示，包括设有探针1-1和被测样品1-2的扫描头1，设置有电流/电压转换器2-1和低通电压放大器2-2的前置放大器2，以及扫描隧道显微镜控制器4，还设置有频谱分析器3，且所述前置放大器2还设置有带通电压放大器2-3，所述频谱分析器3分别连接带通电压放大器2-3和扫描隧道显微镜控制器4。

所述低通电压放大器2-2和带通电压放大器2-3并联，其共同输入端连接电流/电压转换器2-1的输出端，低通电压放大器2-2的输出端连接扫描隧道显微镜控制器4，带通电压放大器2-3的输出端连接频谱分析器3。

所述探针采用Pt-Ir探针，被测样品1-2采用高定向裂解石墨样品HOPG，Pt-Ir探针从直径为0.25mm的Pt80/Ir20丝上切出，测量STM在各种条件下的频率谱。STM隧道结用一个100M欧的等效电阻替代时，在1kHz至100kHz范围内的频谱如图2a中的曲线A所示，其频率分辨率为0.1Hz。在偏压为0.2V和隧道电流为1nA时，隧道电流的频谱如图2a中的曲线B所示。图2a曲线C则给出了前置放大器的噪声频谱。

为了方便比较，图2b给出了其中的39.3至39.9KHz部分的放大图。由图可见，处于39.591KHz处的、具有Lorentzian峰形的频率峰只有在存在隧道电流时才出现，因此它应该反映了隧道结的性质，它就是探针的共振频率。

图3给出了探针振动的动力学模型。其中γ为探针振动时受到的阻尼；k为探针的有效弹性系数，它可由探针的振动模式及材料性质算出。如果探针是在与其长度垂直的方向上振动，则其弹性常数与材料的杨氏模量E、半径r以及长度l间的关系为：

$k=\frac{3\pi {\mathrm{Er}}^4}{{4l}^3}$

自由状态下，探针的本征频率ω₀可表示为：

ω₀≡(k/m)^1/2

m为其有效质量。当探针在外力F_ts(探针和样品间的作用力)和F_ran(作用在样品上的无规力，例如热噪声)作用下，其本征频率将改变为ω₀^*。探针在外力作用下的本征频率ω₀^*与其自由状态下的本征频率ω₀的关系为：

${\omega }_0^{*}={({{\omega }_0}^2+k_{\mathrm{ts}}/m)}^{1/2}$

此处，k_ts是探针所处位置的F_ts力梯度。由于热噪音始终存在，它可影响探针与被测样品间的距离，因而必将影响隧道电流的大小。而隧道电流与探针-样品距离呈指数关系，所以隧道电流对热激发振幅十分灵敏，因而本发明的灵敏度很高。

强迫共振频率ω₀^*和自由共振频率ω₀和力梯度k_ts的关系为：

$k_{\mathrm{ts}}=\frac{{{\omega }_0^{*}}^2-{{\omega }_0}^2}{{{\omega }_0}^2}k\approx \frac{{\omega }_0^{*}-{\omega }_0}{{\omega }_0}2k$

因此，可通过ω₀^*的测量来得到探针所处位置的、探针和被测物原子间作用力的梯度k_ts，经积分计算便可得到其互作用力F_ts。

具体使用方法可以定点测量探针-样品间的力梯度或互作用力随探针-样品间离的变化曲线，或用该力梯度为反馈量或显示量作二维扫描。

图4给出了利用本发明测得的隧道电流对共振频率ω₀^*和力梯度k_ts的影响。可见，共振频率ω₀^*和力梯度k_ts均随偏压的增大而减小，随着隧道电流的增加而增大。

图5给出了利用本发明测得的力梯度与探针-样品间距离的关系，以及由力梯度数据积分所得的探针-样品间的互作用力与探针-样品间距离的关系。其中横坐标的原点由隧道电流公式I_t＝V_t·G₀·e^-2kz确定，即以电导(I_t/V_t)为一个电导量子(G₀)时的距离z为零。

在STM装置中，由于热激发的始终存在，所以探针必定处于热激发的振动中。其共振频率除受到探针尺寸、材质等因素的影响外，还受到探针-被测样品表面原子间互作用力的影响。本发明就是利用原子间互作用力对探针共振频率的影响测量和计算探针-被测样品表面原子间互作用力。