利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统

摘要

本发明公开一种利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统，能够利用STM的电流信号对AFM信号进行测量。所述系统主要包括：力学传感器、高带宽电流放大器、非正弦周期信号处理模块、AFM振幅采集器、AFM频率采集器、电流采集器、乘法器、低通滤波器、PI控制模块、压控振荡器、振幅控制模块、差频输出模块和z控制模块。摘要附图中以音叉型微悬臂作为力学传感器为例给出技术原理图：首先利用压控振荡器使微悬臂以频率f

说明书

技术领域

本发明涉及扫描探针技术领域，具体涉及一种利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统。

背景技术

扫描探针技术(SPM)是一类显微术的总称，是在STM的基础上发展起来的，主要分为STM和AFM。首台扫描隧道显微镜于1981年问世，它的出现使得人们首次可以直接探测物体表面的原子排列及其电子行为，对于物理学、材料学、表面科学、微电子加工技术、化学和生命科学等均有着重要的意义。STM的基本原理是由于粒子的波粒二象性而导致的量子隧道效应，即能量为E、质量为m的粒子入射至高度为V₀的势垒时，在粒子能量E<V₀的情况下，粒子的透射几率不为零。由于隧道效应，当探针与待测样品表面间距z很小(<1nm)，加上电压V后，便会有电流产生，这就是隧道电流。

STM具有许多表面分析仪器不能比拟的优点，但其仅局限于对半导体和金属样品进行测量。为了弥补STM这一不足，1985年AFM诞生了。AFM是通过探测样品与针尖的原子间相互作用力来获得样品表面信息的技术。AFM的研究对象包括导体、半导体和绝缘体；在溶液中也可测量。根据扫描时针尖-样品间距离的不同，将AFM工作模式分为以下三种：接触模式(contact)、振幅调制的AFM(AM-AFM，或称作tapping模式)、频率调制的AFM(FM-AFM)或称NC-AFM)。

AFM中决定分辨率的组件是力传感器。在AFM发明后不久，就有用石英音叉作为力传感器的研究。早期的石英音叉探针系统都是固定音叉基部，两臂悬空，振动时音叉两臂为对称的反向振动状态，具有很高的品质因数，但是其成像信号无法用理论去解释。为了解决上述技术问题，1998年F.J.Giessibl提出将石英音叉的一个整臂固定在蓝宝石基座上，而另一臂悬空，相当于传统原子力显微镜探针系统的微悬臂，即qPlus技术。然后将腐蚀的钨针通过绝缘胶垂直地粘接在悬空的音叉臂前端用于扫描样品。

qPlus技术可同时测量样品的平均隧道电流，以及音叉微悬臂的频率偏移、能量耗散等。其技术原理图见图1：在钨针尖(图1中tip为钨针尖，U_s为电源)上引一根导线取得针尖-样品间的隧道电流，经电流放大器放大可得到隧道电流(I_t)的平均值可以利用作为反馈。与此同时，利用压控振荡器给音叉微悬臂振动频率f₀的激励信号，微悬臂在样品表面受到样品-针尖相互作用频率发生变化，微悬臂上采集的电压信号V_TS可反映这一变化。将交流电压信号V_TS通过电压放大器放大，提取出针尖在样品表面的振动频率f_sample，可以用f₀与f_sample之差Δf做为反馈。为了避免针尖与样品发生碰撞，将电压信号同时输出到振幅控制模块与设定值作对比，以使得保持针尖在样品表面具有一定振幅。

虽然qPlus技术具有同时实施STM和AFM的能力，但在实际的应用中，总是将两个模式分开进行。究其原因是平均隧道电流以及音叉微悬臂的频率偏移Δf和能量耗散三者之间会发生串扰(Crosstalk)等问题。下面列举几个qPlus AFM面临的问题：

(1)如何实现针尖-样品间耗散力的精确测量。目前对针尖的激励多为利用压电陶瓷机械激励，由于悬臂梁后面巨大基体(base)的存在，导致激励的效率很低。类似于用力摇动整座山，只是为了让山顶上一根杆振荡。这就导致了耗散力的存在，并且耗散力的大小未知。

(2)AFM所需的交变电荷信号与STM的电流信号间的串扰。由于信号放大器的共地、针尖与音叉之间的电容以及寄生电容的影响，导致在qPlus技术中同时实施STM和AFM会有信号串扰，常见的降低串扰的方法是分别实施STM和AFM，这无疑降低了工作效率。

(3)反馈的选择。在qPlus技术中，既可以选择平均隧道电流做反馈，也可以选择频率偏移Δf做反馈，如图1。其中Δf反映了样品-针尖的相互作用力F_ts，F_ts随着z的减小先缓慢减小后快速增加，具有非单调性，作为反馈容易导致针尖的损坏。具有单调性，但随着样品-针尖间距的减小持续增加，很快就会使电流放大器达到饱和。因此，反馈的选择是qPlus技术中的难题之一。目前qPlus的工作模式是在STM下利用扫描到样品的形貌之后，在AFM模式下利用恒高模式扫描，得到Δf随位置的变化，但这样工作效率低，并且恒高模式对研究工作有多方面限制。

(4)工作环境的局限性。由于串扰的存在，qPlus技术的实现需要依次进行AFM和STM，为了对样品表面的同一区域做测量，避免热漂，要求工作环境在液氦温度下。该技术如何走向液氮/室温甚至大气环境是一个极大的挑战。

(5)如何实现更高的分辨率。目前qPlus的分辨率在原子级，如何才能进一步提高分辨率，得到原子轨道级分辨。这需要进一步降低探针振幅，提高仪器的稳定性，降低信噪比。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统，主要包括：

力学传感器、高带宽电流放大器、非正弦周期信号处理模块、AFM振幅采集器、AFM频率采集器、电流采集器、乘法器、低通滤波器、PI控制模块、压控振荡器、相位调节器、Gain控制器、振幅控制模块、频差输出模块和z控制模块；

其中，将在力学传感器处采集得到的隧道电流信号输入所述高带宽电流放大器进行放大，接着将放大后的隧道电流输入所述非正弦周期信号处理模块分析处理；

所述非正弦周期信号处理模块的第一输出端连接所述AFM振幅采集器，其分析后可得到AFM信号的振幅A₁，将采集得到的A₁输入到所述振幅控制模块，振幅控制模块用于控制A₁的大小与设定值A_set相符，所述振幅控制模块的输出连接所述Gain控制器，

所述非正弦周期信号处理模块的第二输出端连接所述AFM频率采集器，其分析后得到AFM针尖在样品表面的振动频率信号f_sample，所述AFM频率采集器连接所述乘法器的第一输入端，所述乘法器的第二输入端连接所述压控振荡器的输出端，乘法器用于对所述AFM频率采集器的输出信号和所述压控振荡器的输出信号做乘法运算，后依次传输给所述低通滤波器、所述PI控制模块，这里信号分为两路，一路信号用于激励陶瓷的控制，具体为：所述PI控制模块连接所述压控振荡器，所述压控振荡器输出连接所述相位调节器的输入端，所述相位调节器的输出端连接所述Gain控制器的输入端，所述Gain控制器的输出端连接激励陶瓷。所述压控振荡器输出用于激励压电陶瓷震荡的高频信号，经过相位调节器和所述Gain控制器的调节，最终生成激励信号，其中所述相位调节器用于调节压控振荡器输出信号的相位；所述Gain控制器连接AFM力学传感器的激励陶瓷，用于调节所述相位调节器输出信号的增益，并将增益调节后的信号传输至所述激励陶瓷，另一路信号用于得到频率偏移Δf，具体为PI控制模块和压控振荡器的信号共同输入所述差频输出模块，得到频率偏移输入至z控制模块，

所述非正弦周期信号处理模块的第三输出端连接所述电流采集器，其分析后得到STM的隧道电流信号，例如隧道电流的最大值、最小值、平均电流等，所述电流采集器连接z控制，将隧道电流信号作为反馈值，所述z控制模块连接AFM z方向压电陶瓷，用于根据差频输出模块和所述电流采集器输出的信号生成控制所述压电陶瓷在z方向运动的控制信号，并传输至所述压电陶瓷，用于控制针尖和样品间距。

1.有益效果

本发明实施例提供的利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统，通过高带宽的电流放大器得到实时隧道电流。由于探针在样品表面做正弦运动，针尖-样品间隔周期性变化，实时隧道电流是非正弦周期性信号，从中可提取出针尖在样品表面的振动频率、振幅和相位等。用针尖频率信号或者隧道电流作为反馈量，能够实现长时间闭环扫描。由于可以通过STM的隧道电流得到AFM的信号，可以单次扫描完成数据的提取，这就使得有可能不必在液氦环境下工作，同时相较于现有技术能够提高扫描效率。且由于不需要在恒高模式下扫描，因而不会对研究工作有过多限制；本发明由于不需要探测电荷信号，因此可以采用电激励方式/电检测方式，从而能够以更小的探测振幅工作，实现更高的空间分辨率和能量耗散信号精确探测。

2.原理概述

本专利拟基于STM电流信号实现AFM信号的探测。其基本原理是：将导电针尖用绝缘胶粘在AFM力学传感器上，给针尖和样品之间施加恒定的偏压，用交变电压驱动微悬臂振动，利用针尖测量隧道电流I_t(t,z)。将非正弦周期性I_t(t,z)经过高带宽电流放大器输入周期波形分析仪(PWA)，分析得到隧道电流信号(平均电流、峰值电流等)或振动信号(频率、振幅等)作为反馈量，以实现长时间闭环扫描。

为便于描述，下面我们以qPlus中的音叉微悬臂作为力学探测器件来阐述。给微悬臂一个激励，使其以频率f₀震荡。给针尖和样品之间施加恒定的偏压，当其间距z进入隧道距离，会有隧道电流发生。隧道电流的大小与z成指数关系：

其中m为粒子质量，Φ为功函数，为普朗克常数，I₀是针尖和样品的态密度的函数。通过高带宽的电流前置放大器得到实时隧道电流I_t(t,z)。将I_t(t,z)随时间做平均，可以得到平均隧道电流，作为反馈使用。同时由于探针在样品表面做正弦运动，在同一个位置测量，I_t(t,z)将会由于针尖-样品间隔周期性变化而具有周期，从中可提取出针尖在样品表面的振动频率f_sample。根据一个周期内最大隧道电流与最小隧道电流的差别，可得到针尖的振幅。因此，仅仅通过隧道电流就可以得到AFM模式下的所有信息。

3.目前的核心限制及本专利的核心技术：

目前核心技术限制主要在于隧道电流的实时采集及后续的分析。由于针尖-样品间隧道电流通常在1pA-100nA量级，为保证能够实时的得到隧道电流，需要前置放大器的带宽更大。但目前的电流放大器的最大带宽为1.1kHz，远达不到我们的需求。

为解决上述问题，我们拟自己设计研发高带宽的电流放大器，前期我们在电流放大器和电荷放大器的研发上已经达到了国际先进水平，更高带宽的电流放大器的研发正在进行中。利用高带宽的电流放大器将可以实现非正弦周期性隧道电流信号的实时直接提取。信号提取之后，需要进一步分析，才能得到平均隧道电流、最大隧道电流、最小隧道电流及隧道电流的频率，我们将利用非正弦周期信号分析模块来实现。将得到的隧道电流信号(平均电流、峰值电流等)或振动信号(频率、振幅等)作为反馈量，能够实现长时间闭环扫描。

此外，相较于目前已有qPlus-STM/AFM，上述的技术在空间分辨率上和测量耗散信号上具有巨大的优势。目前qPlus-STM/AFM采用机械激励/电荷检测方式，而不是采用电激励/电检测方式，主要是为避免电激励信号与电荷信号的串扰问题。本专利中，由于不需要探测电荷信号，因此可以采用电激励方式/电检测方式，从而能够以更小的探测振幅工作，实现更高的空间分辨率和能量耗散信号精确探测。

4.理论分析

给微悬臂一个激励，使其在自由状态下以频率f₀震荡，当针尖接近样品时，针尖的振动形式为：

A₁＝A₁sinω₁t(2)

其中ω₁＝2πf_sample。A₁是针尖在样品表面的振动幅度。此时，即使针尖在恒流模式下工作，针尖-样品的间隔z也会随时间变化：

z＝z₀+A₁sinω₁t(3)

其中z₀是针尖距离样品的平均位置。给针尖和样品之间施加恒定的偏压，当其间距进入隧道距离，会有隧道电流。将公式3代入公式1，得到隧道电流：

以上三者关系的示意图如图3。将I_t(t,z₀)随时间做平均得到的平均隧道电流可作为反馈使用。或者将I_t(t,z₀)中不随时间变化的部分取出，最大的隧道电流I_t(t,z)_max取出，均可作为反馈使用。从I_t(t,z₀)中可容易提取出针尖在样品表面的振动频率f_sample，继而可得到频率偏移Δf＝f_sample-f₀。

下面我们来讨论得到AFM针尖振幅的方法：在同一个位置测量，即将z₀保持不变，I_t(t,z)的最大值和最小值将分别为：

由此可以得到针尖的振幅A₁和z₀分别为：

即将I_t(t,z)随时间做平均可得平均隧道电流，由I_t(t,z)的最大值和最小值之比取对数可得针尖在样品附近的振幅。

5.进一步的技术扩展：

本发明中基于STM电流信号测量AFM信号的技术的可扩展性很强，后续有望在以下几个方向进一步扩展：

(1)二次微分电导的成像。根据图2的技术路线图，可以实现微分电导(dI/dV)的成像。利用锁相技术可实现二次微分电导的成像，由此得到化学键的振动信息。

(2)扫描电势成像。在针尖-样品间再加一交流(AC)偏压，调节针尖上的直流(DC)电压实现补偿，可同时实现扫描电势的成像，由此可以得到样品的功函数信息。

(3)本技术可在下恒流源模式的测量。传统的qPlus是在恒高模式下，得到频率偏移；在本发明所提出的技术中，可以在恒流模式下测量(即维持电流恒定，探测针尖-样品间电压的变化)，因此可以实现一些新的功能。

附图说明

图1为现有的q-plus AFM的信号原理框图；

图2为本发明基于STM电流信号实现AFM信号测量的技术信号原理框图；

图3为本发明中针尖振幅、样品与针尖间距和隧道电流随时间的变化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图2，本实施例公开一种利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统，包括：

力学传感器、高带宽电流放大器、非正弦周期信号处理模块、AFM振幅采集器、AFM频率采集器、电流采集器、乘法器、低通滤波器、PI控制模块、压控振荡器、相位调节器、Gain控制器、振幅控制模块、频差输出模块和z控制模块，

其中，将在力学传感器处采集得到的隧道电流信号输入所述高带宽电流放大器进行放大，接着将放大后的隧道电流输入所述非正弦周期信号处理模块分析处理，

所述非正弦周期信号处理模块的第一输出端连接所述AFM振幅采集器，其分析后可得到AFM信号的振幅A₁，将采集得到的A₁输入到所述振幅控制模块，振幅控制模块用于控制A₁的大小与设定值A_set相符，所述振幅控制模块的输出连接所述Gain控制器，

所述非正弦周期信号处理模块的第二输出端连接所述AFM频率采集器，其分析后得到AFM针尖在样品表面的振动频率信号f_sample，所述AFM频率采集器连接所述乘法器的第一输入端，所述乘法器的第二输入端连接所述压控振荡器的输出端，乘法器用于对所述AFM频率采集器的输出信号和所述压控振荡器的输出信号做乘法运算，后依次传输给所述低通滤波器、所述PI控制模块，这里信号分为两路，一路信号用于激励陶瓷的控制，具体为：所述PI控制模块连接所述压控振荡器，所述压控振荡器输出连接所述相位调节器的输入端，所述相位调节器的输出端连接所述Gain控制器的输入端，所述Gain控制器的输出端连接激励陶瓷。所述压控振荡器输出用于激励压电陶瓷震荡的高频信号，经过相位调节器和所述Gain控制器的调节，最终生成激励信号，其中所述相位调节器用于调节压控振荡器输出信号的相位；所述Gain控制器连接AFM力学传感器的激励陶瓷，用于调节所述相位调节器输出信号的增益，并将增益调节后的信号传输至所述激励陶瓷。另一路信号用于得到频率偏移Δf，具体为PI控制模块和压控振荡器的信号共同输入所述差频输出模块，得到频率偏移输入至z控制模块，

所述非正弦周期信号处理模块的第三输出端连接所述电流采集器，其分析后得到STM的隧道电流信号，例如隧道电流的最大值、最小值、平均电流等，所述电流采集器连接z控制，将隧道电流信号作为反馈值，所述z控制模块连接AFM的z方向压电陶瓷，用于根据差频输出模块和所述电流采集器输出的信号生成控制所述压电陶瓷在z方向运动的控制信号，并传输至所述压电陶瓷，用于控制针尖和样品间距。

根据一个周期内最大隧道电流与最小隧道电流的差别，可得到针尖的振幅。基于非正弦周期信号处理模块，可测量获得的物理量有：在样品表面AFM针尖的振动频率、振幅、相位；样品的实时隧道电流、平均电流、最大/最小电流以及形状等。将这些参数进一步分析，可得到样品表面的原子级结构、电子态密度、能带结构和微分电导等。因此，仅仅通过隧道电流就可以得到AFM模式下的所有信息。

此外，相较于目前已有qPlus-STM/AFM，上述的技术在空间分辨率上和测量耗散信号上具有巨大的优势。目前qPlus-STM/AFM采用机械激励/电荷检测方式，而不是采用电激励/电检测方式，主要是为避免电激励信号与电荷信号的串扰问题。本发明中，由于不需要探测电荷信号，因此可以采用电激励方式/电检测方式，从而能够以更小的探测振幅工作，实现更高的空间分辨率和能量耗散信号精确探测。

本发明实施例提供的利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统，通过高带宽的电流放大器得到实时隧道电流，而由于探针在样品表面做正弦运动，由于针尖-样品间隔周期性变化而具有周期，可得到非正弦具有周期性的实时隧道电流，从中可提取出针尖在样品表面的振动频率、振幅和相位等，因此，通过隧道电流可以得到AFM模式下的频率信息；用针尖频率信号或者隧道电流作为反馈量，能够实现长时间闭环扫描。由于可以通过STM的隧道电流得到AFM的信号，可以单次扫描完成数据的提取，这就使得可能不必在液氦温度下工作；不需要分别实施STM和AFM，从而相较于现有技术能够提高扫描效率；且由于不需要在恒高模式下扫描，因而不会对研究工作有过多限制。

可选地，在本发明利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统的另一实施例中，所述电流为平均隧道电流、最大隧道电流或者最小隧道电流。

可选地，在本发明利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统的另一实施例中，所述非正弦周期信号处理模块确定AFM信号的振幅A₁的计算公式为其中，m为粒子质量，Φ为功函数，为普朗克常数，I_max为隧道电流的最大值，I_min为隧道电流的最小值。

可选地，在本发明利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统的另一实施例中，所述高带宽电流放大器的带宽大于力学传感器的振动频率。

可选地，在本发明利用STM的电流信号对AFM信号进行测量的系统的另一实施例中，所述非正弦周期信号处理模块为周期波形分析仪。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。