專利名稱:雙探針同點測量掃描探針顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可在同一樣品的同一待測點以兩根獨立的探針進行測量與掃描成像的掃描雙探針顯微鏡，屬于掃描探針顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的掃描探針顯微鏡(SPM)種類很多，例如包括掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡(MFM)等等，這些不同種類的掃描探針顯微鏡各有明顯的優(yōu)缺點STM能測量電子態(tài)密度這類重要的量子信息，具有原子分辨率，且可以進行原子操縱，但卻不能測量絕緣樣品，也不能獲得樣品自旋電子學和磁學方面的重要信息；而A FM雖可以測量絕緣樣品，也具有原子分辨率，但卻不能給出電子態(tài)密度和磁學方面的信息；MFM能提供自旋電子學和磁學方面的數(shù)據(jù)，但分辨率一般不高于20納米，不具有原子分辨率，也不能進行原子操縱。
為解決上述問題，德國物理學家F. J. Giessibl等人于1994年在科研學刊《科學儀器評論》(Review of Scientific Instrument)第65期1923頁上撰寫論文，提出用同一根探針既作STM的探針，又作AFM或其他SPM的掃描探針來構(gòu)成組合顯微鏡。這帶來的ー個問題是這根探針不太可能對構(gòu)成組合顯微鏡的所有不同的SPM都是最好的選擇。這其中會有一定的妥協(xié)。比如，鎢、鉬、銥探針適合做STM探針，但它們非鐵磁性，不能做MFM探針。如果將它們鍍上鉄，再磁化，制成MFM探針，則又損壞了探針的銳利度(分辨率)，不適合再作STM探針。即使能夠找到具有原子分辨率的磁性探針，如何將所獲信號中的磁作用徹底從當?shù)貞B(tài)密度(local density of states,縮寫為LD0S)中分離,這是第一個難題。
如用多探針(STM探針+AFM探針+MFM探針+…)來構(gòu)筑組合顯微鏡，那么如何原位(in-situ)換針(不破壞真空與樣品的前提下?lián)Q針)，又如何能使換入的不同類別的探針像單探針SPM那樣指向同一處樣品測量點(同點測量)就很困難，這是第二個難題。
多探針組合顯微鏡的體積如何減小，以適于放入到各種極端的物理環(huán)境中去，也不容易，這是第三個難題。
此外，使用多探針必須引入更多的控制器去控制增加了的自由度，這使得成本、復(fù)雜度、干擾、熱穩(wěn)定性都構(gòu)成ー個難題。例如，Alex deLozanne等人在2006年3月第5卷第2期IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY期刊的第77頁撰文依靠(步進地)移動第二探針來尋找相距較遠的第一探針(固定不動)的測量點，其算法與設(shè)備都很復(fù)雜需要在XY平面內(nèi)以超出單個掃描管最大掃描范圍這樣的大范圍來移動ー根探針(2個長程自由度，或稱XY步進自由度)才能讓雙針針尖靠近到最大掃描成像范圍之內(nèi)而測量同一樣品點，雙針的Z方向粗逼近也需要2個長程自由度(或稱粗逼近自由度)，共計4個長程控制自由度(不計短程的XYZ掃描成像自由度)，而且還需要兩臺反饋控制器來獨立控制雙針的Z反饋調(diào)節(jié)(非常昂貴)，此外，雙針還只能同為STM探針，不能選用不同類型的探針，因為STM探針是細長型的，兩個STM探針相交45度以內(nèi)還可讓它們的針尖靠得很近甚至相碰，但AFM探針是金字塔型的且塔底又固定于微懸梁(cantilever)上，STM探針必須與AFM探針的角度張得很開才能可讓它們的針尖靠得很近，這在安裝上非常困難，甚至不可行。
鑒此，本發(fā)明提出一種通過橫向驅(qū)動樣品(僅需ー個長程自由度)將第一探針在樣品上的測量點送至第二探針的掃描范圍之內(nèi)來實現(xiàn)同點測量，加上兩個粗逼近自由度，共計僅3個長程自由度即可，而且雙探針只需要平行或小角度設(shè)置即可，可以選用完全不同種類的探針，反饋控制器也僅需ー個即可，因為可以僅掃描樣品來成像(雙探針皆不掃描)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為解決上述雙探針同點測量控制復(fù)雜以及難以選用不同種類探針的難題，提供一種簡單易控的雙探針同點測量掃描探針顯微鏡。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)ー種雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，包括基體，樣品座，其特征在于還包括第一探針、第二探針、第一 Z定位器、第二 Z定位器、定位座、XY壓電掃描器,樣品座固定于XY壓電掃描器上,第一 Z定位器固定于定位座上，第一探針固定于第一 Z定位器的移動端并指向樣品座構(gòu)成第一 Z調(diào)節(jié)器，第二 Z調(diào)節(jié)器以 下列三種方式之ー構(gòu)成
(a)第二Z定位器固定于定位座上，第二探針固定于第二Z定位器的移動端并指向樣品座，定位座與XY壓電掃描器固定于基體上；
(b)第二探針固定于定位座上并指向樣品座，定位座固定于第二 Z定位器的移動端，第二 Z定位器與XY壓電掃描器固定于基體上；
(c)第二探針固定于定位座上并指向樣品座，XY壓電掃描器固定于第二 Z定位器的移動端，第二 Z定位器與定位座固定于基體上；
所述XY壓電掃描器上可増加Z定位，構(gòu)成XYZ壓電掃描器。
所述第一 Z定位器和第二 Z定位器為并排設(shè)置并在所述XY或XYZ壓電掃描器上增設(shè)沿所述并排方向定位的定位器使得所述XY或XYZ壓電掃描器在該方向定位范圍増大。
所述XY或XYZ壓電掃描器的掃描端上可增設(shè)壓片，樣品座或固定于該壓片上或與該壓片為一體，在該壓片與所述XY或XYZ壓電掃描器的固定端之間增設(shè)拉カ器，掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力，該壓片與所述掃描端之間電絕緣。
所述拉カ器為彈簧、磁體、松緊繩、吊錘或壓片本身。
所述第一 Z定位器或第二 Z定位器為壓電馬達、慣性馬達、螺絲調(diào)節(jié)或步進電機。
所述慣性馬達包括壓電伸縮器、彈簧片、質(zhì)量塊，壓電伸縮器伸縮端通過彈簧片以垂直于Z方向的弾力將質(zhì)量塊夾住。
本發(fā)明雙探針同點測量掃描探針顯微鏡的工作原理為樣品座固定于XY壓電掃描器上，第一 Z定位器固定于定位座上，第一探針固定于第一 Z定位器的移動端并指向樣品座上的樣品構(gòu)成第一 Z調(diào)節(jié)器；第二 Z定位器固定于所述定位座上，第二探針固定于第二Z定位器的移動端并指向樣品，定位座與XY壓電掃描器固定于基體上，構(gòu)成第二 Z調(diào)節(jié)器。這樣，雙針與樣品的間距可以獨立控制。第一和第二Z定位器起到獨立地將第一和第二定探針向樣品粗逼近(coarse approach)的作用，也可以用來實現(xiàn)Z反饋控制或Z方向細調(diào)疋 1AA (f ineadjustment)。
我們首先調(diào)節(jié)第二 Z調(diào)節(jié)器使得第二探針遠離樣品表面。接著，調(diào)節(jié)第一 Z調(diào)節(jié)器使得第一探針靠近樣品表面并利用XY壓電掃描器的定位、掃描功能進行第一探針對樣品的測量或成像?？梢詮乃鶞y圖像中選ー獨特圖案或特征作為記號，也可用第一探針在測量點附近通過原子操縱或氣體沉積留下記號。之后，用XY壓電掃描器將原測量點送至第二探針的測量范圍以內(nèi)，再調(diào)節(jié)第二 Z調(diào)節(jié)器使得第二探針靠近樣品表面并進行第二探針對樣品的測量或成像?？梢栽谒蓤D像中尋找第一探針測量時得到的記號以精確獲得第一探針的測量點。這種方法的可行性在干第一探針的成像面積可以先選大一點(微米量級)，做好記號后再進行小面積成像(原子分辨率)，再做記號；用XY壓電掃描器將原測量點送往第二探針時，也沒有必要十分精確地送達第二探針針尖下，只要送到第二探針的最大成像范圍之內(nèi)便可以在其所成圖像中尋找第一探針所得大圖中的記號，再利用XY壓電掃描器的定位、掃描功能將第二探針移至記號處進行放大掃描(原子分辨率)以獲得原測量點的原子級別定位或成像。
以上所述的第二 Z調(diào)節(jié)器的目的是能獨立調(diào)節(jié)第二探針與樣品的間距，所以第二調(diào)節(jié)器也可以按如下方式之ー構(gòu)成第二探針固定于定位座上并指向樣品，定位座 固定于第二 Z定位器的移動端，第二 Z定位器與XY壓電掃描器定于基體上；或者第二探針固定于定位座上并指向樣品，XY壓電掃描器定于第二 Z定位器的移動端，第二 Z定位器與所述定位座固定于基體上。所述XY壓電掃描器上可増加Z定位，構(gòu)成XYZ壓電掃描器，實現(xiàn)Z反饋控制。
由于本發(fā)明是將樣品測量點從ー個探針運送至另ー個探針處進行同點測量，而不似現(xiàn)有技術(shù)那樣移動探針(雙針必須能夠靠得很近才能同點測量)，所以，只需用一個控制器(僅需控制樣品的掃描與成像)，而且只要樣品能被運送足夠遠，雙針可以分得較開，不需要將它們的針尖靠近到掃描成像范圍之內(nèi)，雙針也可以以較小的夾角甚至平行放置從而使得雙針的安放具有高度的靈活性。但實際操作時雙針應(yīng)盡量靠近安置，這樣能使XY或XYZ壓電掃描器更快更準確地將第一探針的測量點送達第二探針處，不需要運送太大距離。下面給出ー些增加樣品運送距離的辦法。
將第一 Z定位器和第二 Z定位器并排設(shè)置，并在所述XY或XYZ壓電掃描器上增設(shè)沿所述并排方向定位的定位器，使得所述XY或XYZ壓電掃描器在該方向定位范圍増大。
上述XY或XYZ壓電掃描器的掃描端上可增設(shè)壓片，并增設(shè)拉カ器將該壓片拉向所述XY或XYZ壓電掃描器的固定端，所述掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力使其不被拉到所述固定端，壓片與XY或XYZ壓電掃描器之間電絕緣。這構(gòu)成了一個既可以在其掃描范圍內(nèi)掃描，又可步進到其掃描范圍之外來大范圍移動樣品的慣性步進掃描器。其工作原理如下拉カ器將壓片拉向XY或XYZ壓電掃描器的固定端,但被其掃描端托住,這樣,壓片與所述掃描端之間就產(chǎn)生壓カN。我們在XY或XYZ壓電掃描管的X電極、Y電極或Z電極上施加變化緩慢的信號V (t)。這里緩慢的定義如下V(t)變化對壓片產(chǎn)生的運動加速度a，相當于使壓片受到慣性カF，F(xiàn)等于壓片與其上樣品的總質(zhì)量m乘以a ;若F小于由N產(chǎn)生的最大靜摩擦力f (等于UN，！；為最大靜摩擦系數(shù))，那么F將不足以克服f 而產(chǎn)生滑動，這樣的V(t)變化稱為緩慢變化。這時，F(xiàn) = ma < f = UN0因為壓片一步移動的距離為s=0. 5at2，其中t為壓片移動s所需時間，所以m(2s/t2) < ii N，也即t > sqrt (2ms/ii N)可稱為緩慢，其中sqrt ()為開根號。定義t0 = sqrt (2ms/ U N)為臨界時間。
在這樣的緩慢V⑴作用下，壓片將隨XY或XYZ壓電掃描管的掃描端一起做掃描運動而沒有步進。這就是其掃描定位功能，掃描范圍最大約為10-100微米量級。
如要產(chǎn)生步進運動，只要XY慢移動后再快回移，回移時間快于b，這時壓片受到的慣性カ大于其受到的最大靜摩擦力，壓片將不隨XY或XYZ壓電掃描管的掃描端一起回移而是有ー滑移，如此周期重復(fù)就可產(chǎn)生XY步進，將樣品送遠，只是XY步進是在有摩擦力的情況下進行的，定位精度較低而已。
為提高定位精度，可在所述XYZ壓電掃描管上施加Z伸長信號和緩慢的XY信號，使得壓片在Z方向伸長sz和在XY平面內(nèi)移動Sxy,再將這兩個信號快速往回撒，這里快速的定義如下a的回縮等價于ー個Z方向慣性カFz = maz，其中az為Z方向的回縮加速度az=2sz/tz2，其中tz為Z回縮所用時間；如Fz大到能完全抵消產(chǎn)生摩擦力的壓カN =Fz > N，即maz = m2sz/tz2 > N,也即tz < sqrt (2msz/N),這樣的回撤稱為快速。這時，因為能產(chǎn)生摩擦力的正壓カ為0，即摩擦カ為0，所以在施加XY回移信號且該回移過程發(fā)生在Z回縮過程之內(nèi)吋，壓片將由于慣性而留在當?shù)兀浑SXYZ壓電掃描管的掃描端一起回移。這個過程不受摩擦力的干擾，所以壓片將非常精確地留在當?shù)?，而所述的當?shù)叵鄬τ谠汲霭l(fā)點已精確地位移了一個步長sXY。如此重復(fù)L次可累計產(chǎn)生一個大范圍移動sxyL，實現(xiàn)其大范圍定位功能。由于完全消除了摩擦力，這樣的宏觀定位非常精確地等于ー個已知值sXYL，所以宏觀定位是精確的，且沒有偏向問題。
上述拉カ器可以為彈簧、磁體、松緊繩、吊錘或壓片本身，只要能將壓片拉向所述XYZ壓電掃描器的基座就可以被XYZ壓電掃描器的自由端托住與其產(chǎn)生正壓力。
上述第一、第二 Z定位器可以為壓電馬達、慣性馬達、螺絲調(diào)節(jié)或步進電機。如果選用慣性馬達，可按如下方式制作壓電伸縮器的伸縮端通過彈簧片以垂直于Z方向的彈カ將質(zhì)量塊夾住。其工作原理為粗逼近時，質(zhì)量塊受壓電伸縮器在Z方向周期性的慢伸長快收縮作用，在快收縮時受到大于最大靜摩擦力的慣性力，導致質(zhì)量塊在壓電伸縮器上沿其伸長方向滑移，帶動質(zhì)量塊上的樣品座(或探針座)向探針座(或樣品座)逼近。反之，快伸長慢收縮的周期作用將它們倆分離。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在
(I)能以不同類型的探針對同一樣品的同一測量點進行重復(fù)測量，因為即使使用不同類型的探針，探針間距不得不加大，但僅需ー個橫向步進器就能夠?qū)⒌谝惶结槣y量點送至第二探針處。
(2)僅需三個長程自由度，比現(xiàn)有技術(shù)少ー個。
(3)測得的數(shù)據(jù)可來自不同類型顯微鏡。
(4)測得的數(shù)據(jù)具有高度可比性，因為來自同一測量點。
(5)測得的數(shù)據(jù)能幫助人們得到更多、更重要、也更可靠的結(jié)論，例如，第一探針可選為掃描隧道顯微鏡探針，第二探針可選為原子力或磁力顯微鏡探針，那么從第一探針獲得的數(shù)據(jù)可用第二探針的數(shù)據(jù)來證實或提供更多線索。
(6)整套裝置結(jié)構(gòu)十分簡潔、緊湊、牢固，噪音小、抗干擾和震動能力強，整套系統(tǒng)沒有什么松動、懸掛、復(fù)雜繞線、易于振動等有損穩(wěn)定的地方。、[0037](7)操作簡單，僅需很少幾個壓電信號，可完全進行程序控制，避免手動調(diào)節(jié)，而且可工作于極端物理條件(體積小，不發(fā)熱，出氣低，無磁，極端條件兼容)。


圖I是本發(fā)明并行同點測量雙探針掃描探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明串行同點測量雙探針掃描探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明聯(lián)動型同點測量雙探針掃描探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明橫向步進型同點測量雙探針掃描探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標號1第一探針、la第一 Z定位器、2第二探針、2a第二 Z定位器、3樣品、3a樣品座、4XY壓電掃描器、5定位座、6基體、7橫向步進掃描器、8壓片、9拉カ器。
以下通過具體實施方式
，結(jié)構(gòu)附圖對本發(fā)明作進ー步描述。
具體實施方式
實施例I :并行同點測量雙探針掃描探針顯微鏡
圖I為本發(fā)明并行同點測量雙探針掃描探針顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。樣品3固定于樣品座3a上,樣品座3a固定于XY壓電掃描器4上,第一 Z定位器Ia固定于定位座5上,第ー探針I(yè)固定于第一 Z定位器Ia的移動端并指向樣品3構(gòu)成第一 Z調(diào)節(jié)器；第二 Z定位器2a固定于定位座5上,第二探針2固定于第二 Z定位器2a的移動端并指向樣品3,定位座5與XY壓電掃描器4固定于基體6上，構(gòu)成第二 Z調(diào)節(jié)器。這樣，雙針1、2與樣品3之間的間距可以獨立控制。第一定位器Ia和第二定位器2a起到獨立地將第一探針I(yè)和第二定探針2向樣品3粗逼近的作用。
工作原理為首先調(diào)節(jié)第二定位器2a使得第二探針2遠離樣品3的表面。接著，調(diào)節(jié)第一 Z定位器Ia使得第一探針I(yè)靠近樣品3表面并利用XY壓電掃描器4的掃描定位功能進行第一探針I(yè)對樣品3的測量或成像?？梢詮乃鶞y圖像中選ー獨特圖案或特征作為記號，也可用第一探針I(yè)在測量點附近通過原子搬運或氣體沉積的方法做ー記號。之后，用XY壓電掃描器4將原測量點送至第二探針2附近，再調(diào)節(jié)第二 Z定位器2a使得第二探針2靠近樣品3表面并進行第二探針2對樣品3的測量或成像?？梢栽谒蓤D像中尋找第一探針I(yè)測量時得到的記號以精確獲得第一探針I(yè)的測量點。第一探針I(yè)的成像面積可以先選大一點(微米量級)，做好記號后再進行小面積成像(原子分辨率)，再做記號；用XY壓電掃描器4將原測量點送往第二探針2吋，也沒有必要十分精確地送達第二探針2的針尖下，只要送到第二探針2的最大成像范圍之內(nèi)便可以在其所成圖像中尋找先前第一探針I(yè)所得大圖中的記號，再利用XY壓電掃描器4的定位、掃描功能將第二探針2移至記號處進行放大掃描(原子分辨率)以獲得原測量點的原子級別定位或成像。
上述雙針1、2應(yīng)盡量靠近放置，這樣能使XY壓電掃描器4更準確、更快地將第一探針I(yè)的測量點送達第二探針2處，不需要運送太大距離。
實施例2 :串行同點測量雙探針掃描探針顯微鏡
上述實施例I中的第二 Z調(diào)節(jié)器所起的目的是獨立調(diào)節(jié)第二探針2與樣品3的間距，所以第二調(diào)節(jié)器也可以按圖2所示方式構(gòu)成第二探針2固定于定位座5上并指向樣品3,定位座5固定于第二 Z定位器2a的移動端,第二 Z定位器2a與XY壓電掃描器4固定于基體6上。這樣，當?shù)诙?Z定位器2a進行Z伸縮調(diào)節(jié)時，可以調(diào)節(jié)樣品3與第二探針2之間的間距。雖然由于第一 Z定位器Ia與第二 Z定位器2a之間的串行連接使得樣品3與第ー探針I(yè)之間的間距也隨之發(fā)生改變，但這個間距可以通過調(diào)節(jié)第一 Z定位器Ia使得第一探針I(yè)與樣品3之間不發(fā)生接觸就不會損毀第一探針I(yè)。所以，這種結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)雙探針與樣品之間的間距獨立可調(diào)。
實施例3 :聯(lián)動型同點測量雙探針掃描探針顯微鏡
見圖3，第二探針2固定于定位座5上并指向樣品3，XY壓電掃描器4固定于第二Z定位器2a的移動端,第二 Z定位器2a與定位座5都固定于基體6上。這樣，當?shù)诙?Z定位器2a進行Z伸縮調(diào)節(jié)吋，整個XY壓電掃描器4以及其上固定的樣品3將與之聯(lián)動，從而調(diào)節(jié)第二探針2與樣品3之間的間距。雖然樣品3與第一探針I(yè)之間的間距也隨之改變，但這個間距可以通過調(diào)節(jié)第一 Z定位器Ia使得第一探針I(yè)與樣品3之間不發(fā)生接觸就不會損毀第一探針I(yè)。這種結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)雙探針與樣品之間的間距獨立可調(diào)。實施例4 =XYZ型同點測量雙探針掃描探針顯微鏡
上述實施例1-3中的XY壓電掃描器上可增設(shè)Z定位，構(gòu)成XYZ壓電掃描器。
實施例5 :橫向步進型同點測量雙探針掃描探針顯微鏡
上述實施例1-4中可選擇將所述第一 Z定位器和第二 Z定位器為并排設(shè)置，并在所述XY或XYZ壓電掃描器上增設(shè)沿所述并排方向定位的定位器，使得所述XY或XYZ壓電掃描器在該方向定位范圍増大。
另外，參見圖4，上述實施例1-4中的XY或XYZ壓電掃描管可按如下方式構(gòu)筑橫向步進掃描器7 XY或XYZ壓電掃描器的掃描端上增設(shè)壓片8，所述樣品座3a或者固定于該壓片8上或者與該壓片8為一體，在該壓片8與所述XY或XYZ壓電掃描器的固定端之間增設(shè)拉力器9，所述掃描端托住該壓片8 (使其不被拉力器9拉到所述固定端)并與該壓片8產(chǎn)生壓力，該壓片8與所述掃描端之間電絕緣。拉カ器9可以是彈簧、磁體、吊錘、松緊繩或壓片本身。拉カ器9可以置于XY或XYZ壓電掃描管的內(nèi)部或外部。該橫向步進掃描器7可以工作于微觀掃描、定位模式，也可以工作于宏觀大范圍步進模式。
對于微觀掃描、定位模式，在XY或XYZ壓電掃描管的X電極、Y電極上施加變化緩慢的定位或掃描信號使得壓片8受到的慣性力不足以克服壓カ產(chǎn)生的最大靜摩擦力，即壓片8隨XY或XYZ壓電掃描管的掃描端一起移動而沒有相對移動，也即沒有步進。沒有步進就不能在大范圍移動，這就是其微觀掃描、定位功能，工作范圍最大為10-100微米量級。
如要產(chǎn)生步進運動，只要在XY慢移動后再快回移，回移時間短到使得壓片(包括其上的樣品)受到的慣性カ大于受到的最大靜摩擦力，壓片將不隨XY或XYZ壓電掃描管的掃描端一起回移而是有一滑移，如此周期重復(fù)就可在滑移方向產(chǎn)生步進，將樣品送遠，只是步進是在有摩擦力的情況下進行的，定位精度較低而已。
為提高定位精度，可在XYZ壓電掃描管上施加Z伸長信號和緩慢的XY信號，使得壓片4在Z方向伸長和在XY平面內(nèi)移動，這里緩慢是指壓片8與XYZ壓電掃描管的掃描端之間不產(chǎn)生相對移動。再將這兩個信號快速往回撤，這里快速是指Z伸長的回縮所等價的Z方向慣性カ大到完全抵消能產(chǎn)生摩擦力的壓カN。這時，總的能產(chǎn)生摩擦力的正壓カ為0，即摩擦カ為0，所以當施加XY回移信號且回移過程發(fā)生在Z回縮過程之內(nèi)時，壓片8將由于慣性而留在當?shù)兀浑SXYZ壓電掃描管的掃描端一起回移。這個過程不受摩擦力的干擾，所以壓片8將非常精確地留在當?shù)?，而所述的當?shù)叵鄬τ谠汲霭l(fā)點已精確地位移了ー個步長。如此重復(fù)可累計產(chǎn)生一個長距離步進，實現(xiàn)其宏觀大范圍定位、步進功能。因完全消除了摩擦力，所以大范圍定位是精確的，也沒有偏向問題。[0060]上述拉カ器的設(shè)置是為了能將壓片拉向XY或XYZ壓電掃描管的固定端并與XY或XYZ壓電掃描管的掃描端以壓カ相互作用，所以，拉カ器除了其位置可在XY或XYZ壓電掃描管的內(nèi)部或外部，其種類也可以是非彈簧類的，例如松緊繩、吸引壓片的磁體、壓片下吊著的吊錘或壓片本身(產(chǎn)生所述壓カ的拉カ來自壓片本身的重力)等能產(chǎn)生所述壓カ的裝置。
實施例6 :同點測量雙探針掃描探針顯微鏡的Z定位器
上述實施例1-5中所述同點測量雙探針掃描探針顯微鏡的第一、第二 Z定位器的作用是獨立調(diào)節(jié)第一、第二探針與樣品之間的間距，起到粗逼近調(diào)節(jié)作用。故，掃描探針顯微鏡中所用的各種粗逼近調(diào)節(jié)器皆可用作本發(fā)明同點掃描雙探針顯微鏡的Z定位器，包括壓電馬達、慣性馬達、螺絲調(diào)節(jié)或步進電機。從控制簡單、體積小、成本低、穩(wěn)定性高、極端物理條件兼容等方面考慮，一個較好的選擇是慣性馬達，該慣性馬達的ー個較好實施例為包括壓電伸縮器、基座、彈簧片、質(zhì)量塊，壓電伸縮器的伸縮端通過彈簧片以垂直于Z方向的 彈カ將質(zhì)量塊夾住。
權(quán)利要求
1.一種雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，包括基體、樣品座，其特征在于還包括第一探針、第二探針、第一 Z定位器、第二 Z定位器、定位座、XY壓電掃描器，樣品座固定于XY壓電掃描器上，第一 Z定位器固定于定位座上，第一探針固定于第一 Z定位器的移動端并指向樣品座構(gòu)成第一 Z調(diào)節(jié)器，第二 Z調(diào)節(jié)器以下列三種方式之一構(gòu)成 (a)第二Z定位器固定于定位座上，第二探針固定于第二Z定位器的移動端并指向樣品座，定位座與XY壓電掃描器固定于基體上； (b)第二探針固定于定位座上并指向樣品座，定位座固定于第二Z定位器的移動端，第二 Z定位器與XY壓電掃描器固定于基體上； (C)第二探針固定于定位座上并指向樣品座，XY壓電掃描器固定于第二 Z定位器的移動端，第二 Z定位器與定位座固定于基體上；
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，其特征是所述XY壓電掃描器上可增加Z定位,構(gòu)成XYZ壓電掃描器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，其特征是在所述XY壓電掃描器或XYZ壓電掃描器的掃描端上增設(shè)壓片，所述樣品座或固定于該壓片上或與該壓片為一體，在該壓片與所述XY或XYZ壓電掃描器的固定端之間增設(shè)拉力器，所述掃描端托住該壓片并與該壓片產(chǎn)生壓力，該壓片與所述掃描端之間電絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，其特征是所述拉力器為彈簧、磁體、松緊繩、吊錘或壓片本身。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，其特征在于第一Z定位器或第二 Z定位器為壓電馬達、慣性馬達、螺絲調(diào)節(jié)或步進電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的雙探針同點測量掃描探針顯微鏡，其特征在于慣性馬達包括壓電伸縮器、彈簧片、質(zhì)量塊，壓電伸縮器伸縮端通過彈簧片以垂直于Z方向的彈力將質(zhì)量塊夾住。
專利摘要
雙探針同點測量掃描探針顯微鏡利用XY或XYZ壓電掃描器、X定位范圍增強了的或者增設(shè)了XY慣性步進的XY或XYZ壓電掃描器，將樣品測量點從第一探針送至第二探針附近并通過尋找記號實現(xiàn)第二探針對第一探針測量點的再次測量。兩個探針由兩個獨立的Z定位器來調(diào)節(jié)它們與樣品的間距，使得各探針不干擾另一探針的測量。該設(shè)計比現(xiàn)有的移動探針的同點測量技術(shù)少一個長程自由度，且雙針允許相隔較遠，也允許為不同類型探針，所以控制與制作都大為簡化、且給出的數(shù)據(jù)更全面、可靠，意義更廣、更深，特別適用于相變、反應(yīng)動力學和交叉學科的研究。
文檔編號G01Q10/00GKCN101458203 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200710191137
公開日2012年11月7日 申請日期2007年12月10日
發(fā)明者陸輕鈾 申請人:中國科學技術(shù)大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1), 非專利引用 (1),