[实用新型]全面相消抗温漂扫描探针显微镜探头

说明书

技术领域

本实用新型涉及扫描探针显微镜探头及其制造方法，具体说是一种以并排站立并固定于基座的左右或左中右压电管作为探针支撑、样品支撑和探针相对于样品的XYZ三维定位装置，并通过匹配各压电管的长度及其与基座的对称性来全面抵消热胀冷缩对探针-样品间距的影响，最大程度地抑制温度漂移的扫描探针显微镜探头，属扫描探针显微镜技术领域。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)的最重要技术指标之一是其温度漂移(简称温漂)或称热稳定性。以扫描隧道显微镜(STM)为例：最关键的成像信号是隧道电流，它是按指数关系依赖于探针-样品间距的，一般探针-样品间距每改变0.1纳米，则隧道电流要相应地改变10倍。如果探针与样品构成的隧道结是由XYZ压电扫描管、不锈钢支架、基座一起构成的机械环路而支撑起来的，且假设XYZ压电扫描管的长度为3厘米，其热膨胀系数为5×10^-6/℃，不锈钢(真空用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢)支架长度为4厘米，其热膨胀系数为16×10^-6/℃，忽略基座的影响，那么，环境温度变化一度就导致探针-样品间距变化490纳米，也即温度漂移系数为490纳米/℃。如果一天(1440分钟)之内有一度的温度变化，则相当于每分钟探针-样品间距变化0.34纳米。也就是说，每分钟隧道电流要变化超过1000倍！这是非常不稳定的，根本无法成像。类似情况也可发生在原子力显微镜身上，甚至更显著，因为在排斥力模式(较常见的工作模式)下工作时，原子力显微镜测量的原子力是非常短程的力。

现有的几种减少温度漂移的技术包括：(1)减少支撑探针与样品的机械环路(包括XYZ压电扫描管、外支架、基座)的长度，例如：减少XYZ压电扫描管和外支架的长度，这种方法只能很有限地减小温度漂移，不能消除，因为环路长度再小也不能为零，而且减小XYZ压电扫描管长度将直接牺牲扫描范围和Z调节灵敏度；

(2)将一个压电管共轴地放入另一个压电管内部并共同固定于基座，探针与样品设置在这两个压电管的自由端之间，这其实也不能很好地消除温度漂移，原因是：内外压电管共轴嵌套结构虽然在横方向是同心圆结构，如果探针和样品设置在圆心(即对称轴上)则探针-样品间距的横向分量不会因热胀冷缩而变化，但探针-样品间距的纵向分量受热胀冷缩的影响会非常大，因为外界温度变化对应的热辐射被外压电管阻挡而不能直接、快速地到达内压电管，这使得内外压电管所受的热辐射程度不同，所以它们纵向热胀冷缩的程度也不同，而且还有延迟；另外，由于外压电管的表面积必然大于内压电管，这种不对等又进一步加大了内外压电管的吸热散热的差别，增加了内外压电管的纵向热胀冷缩差距；

所以，压电管共轴嵌套结构不能很好地抵消内外压电管的纵向热胀冷缩而获得恒定的探针-样品间距；需要强调的是：纵向热胀冷缩稳定性远比横向热胀冷缩稳定性重要得多，因为前者对成像信号的影响是指数性的、短程的；

(3)使用热膨胀系数小的材料制作支架，与XYZ压电扫描管一个支撑探针一个支撑样品，这也不能很好地消除纵向热漂移，因为即使该材料的热膨胀系数为0，但由于XYZ压电扫描管的热膨胀系数不为0(一般在10^-6/℃量级)，所以探针与样品不能在纵向同步等量地热胀冷缩，故不能消除纵向热漂移；

(4)使用与XYZ压电扫描管的纵向热胀冷缩相同的材料制作支架，但这也是难以实现的，因为这不仅要求该支架与XYZ压电扫描管的纵向热膨胀系数相同，而且也要求它们的导热系数和热容量必须相同，否则它们虽处于相同的热环境，但它们吸放热的速度不同将导致它们的温度不相同，依然不能获得相同的纵向热胀冷缩；

(5)加快扫描速度以减少成像时间，这显然是治标不治本，而且加快扫描速度也会大大牺牲分辨率，因为输出成像信号的放大电路的带宽是非常有限的，不能很好地响应快速变化的探针信号；(6)减少外界温度的变化，这是非常困难的，需要复杂昂贵的精确控温系统，而且很多情况下就是专门要在变温过程中成像来研究温度对某个样品或效应的影响。

目前还没有一项技术能较理想地消除扫描探针显微镜探针-样品间距的纵向温度漂移。更没有一种在变温过程中依然能获得稳定图像的扫描探针显微镜。

发明内容

为了克服现有技术中扫描探针显微镜探针-样品间距纵向分量热稳定性低的缺点，提供一种抗温度漂移扫描探针显微镜探头。

本实用新型抑制温度漂移这一技术问题所采用的技术方案是：