[发明专利]一种基于扫描探针技术的定位系统及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米科学技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于扫描探针技术的定位系统及其使用方法。

背景技术

在纳米尺度，量子物理学开始起重要作用，界面处的对称破缺效应也已支配着输运性质，新的物理行为也开始展现。由于维度的限制，纳米体系一个非常独特的特征就是它们的性质极其依赖于结构的细节特征。在这些诸多的性质当中，电子的输运性质至关重要，因为它与纳米材料的结构，电学、磁学、光学、力学、电化学等诸多性质强烈关联在一起。在电输运方面，除了尺寸效应的影响，电子之间的相互作用、热电子以及掺杂、缺陷等导致低维材料出现了不同于体材料的性质。因此，研究纳米材料的电学输运与纳米结构(缺陷，晶界等)在介观到原子尺度范围的耦合是至关重要的。

但是，研究纳米尺度的输运性质是极具挑战性的。首先，传统的探针或者电极对样品具有破坏性。其次，对于尺度远小于探针的样品，探针成为了主要的散射源，无法探测到样品本征的信息。而扫描隧道电子显微镜(STM)探针则可以避免对样品的损伤与影响。利用扫描隧道电子显微镜，可以获得原子级分辨的形貌与电学特征，并且采用其衍生出的扫描隧道谱(STS)也可以获得原子级的电子谱学特性。扫描隧道电子显微镜催生出了的各种不同类型的显微镜，比如原子力显微镜(AFM)，它可以用来研究绝缘样品，这类显微镜在本文中统称为扫描探针显微镜(SPM)。利用这些扫描探针显微镜，可以无损地获得样品原子级别的信息。基于传统的单探针扫描探针显微镜，人们还进一步开发出具有两个、三个或四个探针的多探针扫描探针显微镜。多探针能够用于测量样品的横向电导，测量样品表面的场效应晶体管结构，在测量时消除针尖与样品的接触电阻等。

无论是单探针扫描探针显微镜还是多探针扫描探针显微镜，样品的尺寸一般为毫米或者厘米量级，而观察所关注结构所需的分辨力需要达到纳米甚至埃的量级。因此，对于现有技术中典型的扫描探针显微镜，通常先通过粗动机制，配合光学显微镜或扫描电子显微镜等监视设备，将探针移动到所关注结构所处的大致区域，然后再利用基于扫描装置的精动机制，在几个微米的范围内对所关注的结构进行精确定位，进而获得所关注结构的各种细节信息。

然而，对于可获得原子分辨力的扫描探针，其扫描范围往往十分有限，这使得寻找所关注纳米结构的工作变得极为耗时与繁琐。例如，对于材料边界处的形貌以及电学信息的研究中，首先利用粗动机制(其移动步长为400nm)，配合光学显微镜的观察，将针尖大致移动到材料边界的上方区域，然后压低针尖，使用压电陶瓷扫描探针进行扫描，寻找表征材料边界的原子级别的台阶，如果未扫描到该台阶，则需要抬起针尖，再使用粗动机制并配合光学显微镜的观察，将针尖移动到另一个区域，接着再压低针尖，使用压电陶瓷扫描探针进行扫描。这样不断重复，直至压电陶瓷扫描探针找到表征材料边界的原子级别的台阶。众所周知，由于压电陶瓷本身特性的限制，压电陶瓷扫描探针的扫描精度和扫描范围往往不可兼得。通常情况下，探针的扫描精度越高，则扫描范围越小。对于典型的原子分辨的压电陶瓷扫描探针来说，其扫描范围通常只能达到约500nm，因此上述粗动与精动调节过程往往需要重复多次，难以对所关注纳米结构进行快速定位。尤其是，存在于样品表面的某些分子与其衬底的作用力比较弱，稍有扰动它就可能在样品表面旋转或者移动，而现有的扫描探针技术难以实现快速定位，也就难以对这类分子的旋转或者移动进行追踪。

因此，当前迫切需要一种将扫描探针快速定位到所关注纳米结构的解决方案。

发明内容

本发明的任务是克服现有技术的不足，提供一种将扫描探针快速定位到的所关注纳米结构的解决方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于扫描探针技术的定位系统，包括：

第一级定位机构和由所述第一级定位机构驱动的可以在第一扫描范围内三维自由移动的第一基体；

安装在所述第一基体上的第一压电陶瓷装置，该第一压电陶瓷装置连接电驱动模块并提供一个第一安装面，该第一安装面能够在电驱动模块的作用下，在第二扫描范围内相对于所述第一基体做三维自由移动；

安装在所述第一安装面上的第二压电陶瓷装置，该第二压电陶瓷装置也连接电驱动模块并提供一个第二安装面，该第二安装面能够在电驱动模块的作用下，在第三扫描范围内相对于所述第一安装面做三维自由移动；以及

固定在所述第二安装面上的探针；

所述第二扫描范围的量级界于所述第一扫描范围和所述第三扫描范围之间，所述第一压电陶瓷装置的定位精度量级界于第一级定位机构和第二压电陶瓷装置的定位精度量级之间。