[发明专利]形貌可控扫描隧道显微镜针尖制备系统

说明书

形貌可控扫描隧道显微镜针尖制备系统，涉及扫描隧道显微镜。包括腐蚀平台、工作电路和控制软件，可制备用于STM测试需要的各种针尖。其中腐蚀平台包括装有腐蚀液体的电解池、用于固定和调节金属丝位置的探针定位机构以及可实时观察腐蚀过程中针尖形貌变化的监测平台；而工作电路为电解池供电，同时采集针尖电压信号，反馈给计算机控制软件，并由电机驱动电路控制步进电机完成探针的给进和提拉动作；控制软件则控制可编程电源输出不同变化模式电流，并根据采集卡反馈的电压信号，在针尖拉断瞬间及时关断电源，触发步进电机提取针尖。基于实时控制、实时观测及反馈，实现动态腐蚀过程的可控操作，从而制备出所需的不同形貌STM用针尖。

技术领域

本发明涉及扫描隧道显微镜，尤其是涉及形貌可控扫描隧道显微镜针尖制备系统。

背景技术

自1986年扫描隧道显微镜(STM)问世以来，作为一种新型的探测工具，具有原子级分辨率并广泛应用于化学、物理学、材料科学、生物学及微电子科学等领域，在其应用帮助下各科学领域所取得有目共睹的科学成果显示了其重要性。

STM具有极高的分辨率，但实际操作过程中能否达到高的分辨率受诸多因素的影响。作为STM的基本探测元件，扫描探针的形状、大小与化学同一性会影响所测样品的表面电子态及因此产生的隧穿电流的稳定性，从而影响STM图像的分辨率和真实性(1.A.N.Chaika,N.N.Orlova,V.N.Semenov,E.Yu.Postnova,S.A.Krasnikov,M.G.Lazarev,S.V.Chekmazov,V.Yu.Aristov,V.G.Glebovsky,S.I.Bozhko&I.V.Shvets,ScientificReports,2014,4:3742；2.L.Jurczyszyn,N.Mingo,F.Flores,Surface Science,1998,402-404:459-463.)，因此探针在很大程度上决定了STM的性能。探针尖部尺寸越小，扫描图像的分辨率与质量就越高，因此作为实现高性能针尖的制备工艺显得尤为重要。目前，针尖的制备方法有多种，如离子束铣削法、场致蒸发法、机械成型法、电子束沉积法、电化学腐蚀法等，其中电化学腐蚀法较其它方法有明显优势。电化学腐蚀法以离子的形式腐蚀材料，经济、方便、高效，且加工参数容易控制，适合被制作成仪器，进行自动加工。电化学腐蚀法最初于1937年由Muller为制备场发射显微镜针尖发展而来(M.Kulawik,T.Pearl,M.Nowicki,G.Thielsch,L.Cramer,H.Rust,P.S.Weiss,H.-J.Freund,Review of ScientificInstruments,2003,74(2):1027-1030.)，可分为直流腐蚀与交流腐蚀两种不同途径，所制备的针尖形貌类似于双曲型和抛物型。相较而言，直流腐蚀过程中所产生的气泡仅出现于阴极，一般不会引起阳极液面的波动而影响针尖形貌，因而常用于针尖的制备(A.K.Kar,S.Gangopadhyay,B.K.Mathur,S.Gangopadhyay,Measurement Science&Technology,2000,11(10):1426-1431.)。

目前而言，直流针尖腐蚀技术主要有两种：第一种是液膜腐蚀法，即用电解液的液膜代替溶液进行针尖腐蚀。液膜法的优点是其形成的上下两端都可以作为针尖。但也存在明显的缺点，因为液膜的质量较小，电解液浓度在腐蚀过程中会发生较大的变化，甚至被消耗完毕，从而造成针尖质量的不稳定；第二种就是所谓DC-drop方法(J.P.Ibe,P.P.Bey,S.L.Brandow,R.A.Brizzolara,Journal of Vacuum Science&Technology AVacuumSurfaces&Films,1990,8(4):3570-3575.)，亦为针尖制备最常用的方法。通常将金属丝浸入电解液中，并在阴极与阳极之间加一个恒压电源，在空气与电解液液面界面形成较细的颈部并最终断裂，金属丝的上半部分即为所需的针尖。该方法最大的缺点是，腐蚀过程及针尖形貌不可控；另外，如果不能在金属丝断裂的瞬间及时切断电路，针尖就会继续反应而变钝。因此，设计一套形貌可控、且具有在金属丝断裂瞬间自动快速断电能力的针尖制备系统，对实际应用尤为重要。