[实用新型]固态势垒接触式恒力反馈超稳定扫描隧道谱测试仪

说明书

技术领域

本实用新型属于扫描隧道谱测试装置技术领域，具体涉及一种固态势垒接触式恒力反馈超稳定扫描隧道谱测试仪。

背景技术

由STM发展而来的扫描隧道谱学（STS）越来越发挥出巨大的作用，如i-v谱、di/dv谱、d²i/dv²谱、i-z谱或i-t谱的测量，在振动态、电子态和输运等性质的检测方面。但STS谱测试存在干扰因素多、稳定性差与可重复性差的问题，一直困扰着STS的发展。导致并不是每个能实现原子分辨率STM图像的小组可以做STS测试，极大阻碍了纳米科技的发展。

目前，STS测试难以保证势垒宽度的长期稳定性，主要体现在以下两个方面：

（1）由于外界的各种干扰因素，主要是震动的干扰，导致无论是针尖与样品间的真空结还是电化学STM的液态势垒结，都极易发生波动。而0.1nm的波动导致约10倍的输出变化，使得STS难以高精度测试。

这也对减震提出了很高的要求。低温只在降低分子热运动方面有一点正面的贡献，但对隧道结间距的稳定性，反而是起到负面作用，比如获得低温需要低温液体或制冷机，低温液体的蒸发、制冷机的震动都对隧道结的稳定性不利，反而成为负面的影响，加剧了减震的负担。

（2）针尖的变质或者针尖上气体分子的吸附与脱附，也都会影响隧道结的特性，导致测量数据的噪音增大，这种情况可以通过超高真空或修饰针尖来优化。

为解决上述难题，在项目批准号为：11304082的国家自然科学基金“超快速扫描隧道显微镜的改进与应用”的支持下，本专利提出了一种固态势垒接触式恒力反馈超稳定扫描隧道谱测试仪。

发明内容

本实用新型提供了一种抗震性强且能够有效抵抗外界干扰的固态势垒接触式恒力反馈超稳定扫描隧道谱测试仪。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，固态势垒接触式恒力反馈超稳定扫描隧道谱（STS）测试仪，包括扫描隧道显微镜系统、待测样品、PID控制器和STS测试模块，其特征在于：导电针尖与待测样品之间设置有固态势垒，且针尖与固态势垒与待测样品之间为力接触状态，导电针尖的另一端固定于力感应器上，力感应器的信号输出端通过比较放大器与PID控制器的输入端相连，PID控制器的输出端与样品台或/和探针台的驱动模块相连，用于维持力感应器的输出信号恒定，待测样品和导电针尖的电极均连接到STS测试模块，用于在恒力反馈模式下实现对待测样品的扫描隧道谱测试。

进一步优选，所述的力感应器为压阻式导电针体、压电式导电针体或光反射式导电针体。

进一步优选，所述的力感应器为压阻式导电针体时对应的比较放大器为电桥放大器；所述的力感应器为压电式导电针体时对应的比较放大器为电压放大器；所述的力感应器为光反射式导电针体时对应的比较放大器为光电探测器。

进一步优选，所述的固态势垒设置在导电针尖上或/和待测样品上或者为导电针尖与待测样品形成的界面。

进一步优选，所述的力感应器中导电针体的结构为弹性体结构。

进一步优选，所述的弹性体结构为微悬臂梁结构、之字形弹簧结构或螺旋弹簧结构。

进一步优选，所述的固态势垒材质为电介质。

进一步优选，所述的电介质为二氧化硅、氮化硅、蓝宝石或金刚石。

本实用新型具有以下优点：抗震性强，尤其是固态势垒导电针尖和导电针尖与待测样品弹性接触结合在一起使用时，具体体现在以下几个方面。

1、当外界的干扰使得导电针尖靠近待测样品时，由于固态势垒的倔强系数k很高，远远高于气态或液态物质的k值（如果按照k值的算法对气体与液体引入k值的话），较小的力将会使气态或液态势垒发生极大的形变，而固态势垒硬度、强度较大，形变可以极小，前后两次STS测试之间的势垒宽度几乎完全相同，使可重复性大大增强。因此，固态势垒的抗震性大大提高，STS信号的稳定性大大增强。

2、固态势垒接触下，本来裸露的导电针尖被电介质包裹，与外界空气隔绝，因此（1）被氧化变质而改变势垒高度和宽度的可能性大大降低；（2）固态势垒与待测样品之间的接触，使得没有空间供气体分子吸附与脱附、即气体分子的吸附与脱附也难以改变势垒的高度和宽度。因此，即使在大气环境下测试，也不至于影响测试结果；使得高真空环境的必要性、修饰针尖的必要性也被降低，STS信号的稳定性大大增强。

3、由于可以选择K值相对较小的弹性针体，因此，即使在固态势垒的情况下，导电针尖也不至于刺坏样品，固态势垒也不至于被压坏。