[发明专利]多集成尖端扫描探针显微镜

说明书

用于使用多集成尖端扫描探针显微镜检查来表征样本的装置和系统。多集成尖端(MiT)探针由定位到彼此nm内的两个或更多个整体集成的且可移动的AFM尖端组成，使得能够在真空或周围条件下进行前所未有的微尺度到纳米尺度的探针功能。尖端结构与电容式梳状结构组合，提供无激光、高分辨率、电接入、电断开致动和感测能力以及用于信号放大和降噪操作的与结型场效应晶体管的新颖集成。基于使用支撑齿轮：激光器、纳米定位器和电子器件的堆叠而功能化的多个单个尖端，该“片上平台”方法相对于当前技术来说是典范转移。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年2月26日提交的、标题为“Multiple Integrated Tip ScanningProbe Microscope”的美国临时专利申请第62/121,174号的优先权，该申请的整个公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开整体上涉及一种用于表征薄膜和器件的多集成尖端扫描探针显微镜。

背景技术

单尖端扫描探针显微镜(SPM)，比如扫描隧穿显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，是用于调查薄膜材料和器件的结构性质和电子性质的关键工具。例如，这些单尖端SPM使用扫描目标的物理探针来形成薄膜材料或器件的一个或多个图像。

然而，单尖端SPM限于静态测量，比如局部态密度和近样本表面效应。结果，存在于薄膜材料和器件中的一系列基本现象是达不到的。仅作为一个例子，薄膜中的错位和颗粒边界的效应不能被表征，因为在纳米尺度上执行跨导(两个尖端之间的传导)测量的能力是关键的差距。跨导将通过提供对于局域态密度、尖端-样本耦合、输运机制、散射相移以及电子的非弹性平均自由程的了解来使得能够更丰富地理解电子如何输运和与它们的环境相互作用。

多尖端SPM已经被作为克服单尖端SPM的固有限制的一种方式提出。然而，建造合适的多尖端SPM一直存在重大挑战。以前的多尖端SPM的方法一直依赖于独立的宏观地制作的探针。这些平台是复杂的，难以致动，并且具有有限的按比例缩小。它们的制造也是极其昂贵的。

因此，在多尖端SPM领域中持续存在对既成本有效的、又容易针对它们将被用于的特定调查制造和功能化的多尖端SPM的需要。

发明内容

本公开针对一种用于表征薄膜和器件的多集成尖端(MiT)扫描探针显微镜。该MiT扫描探针显微镜是将机械功能和电功能集成在针对特定调查定制和功能化的整体制作的纳米结构中的平台。MiT探针提供可被放置在彼此纳米内的两个或更多个整体集成的悬臂尖端，与整体集成的电容式致动器、传感器以及放大信号的晶体管。结果，MiT SPM能够在不需要激光尖端对齐的情况下执行原子力显微镜检查。此外，MiT SPM能够纳米探测其中集成尖端中的至少两个与样本直接接触或紧邻的表面。

根据一方面，一种扫描探针适配器，其包括探针头部和光学显微镜，探针头部具有至少一个探针尖端；光学显微镜被构造成相对于样本查看探针头部。

根据实施例，探针头部安装在台架上，所述台架被构造成使所述至少一个探针尖端相对于样本对齐。

根据实施例，探针头部安装在压电样本台架上方，所述压电样本台架被构造成在至少两个轴上移动样本，并且被进一步构造成移动样本通过探针以用于扫描。

根据实施例，压电台架安装到旋转台架上，所述旋转台架被构造成将样本定向在特定方向上。

根据实施例，台架安装到以下各者上：(i)第一台架，其被构造成沿着第一轴、X轴移动所述台架；(ii)第二台架，其被构造成沿着第二轴、Y轴移动所述台架；以及(iii)第三台架，其被构造成沿着第三轴、Z轴移动所述台架。

根据实施例，探针头部包括顶部组件和底部组件。

根据实施例，包括探针尖端的探针贴附到探针头部。