[发明专利]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

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ω0*=(ω02+kts/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；