[发明专利]用于多探针STM的分时复用控制装置及多探针STM

说明书

本发明提供了一种用于多探针STM的分时复用控制装置及多探针STM，分时复用控制装置包括：与每个前置放大器的输出端相连的一个切换子单元，每个切换子单元连接至STM控制单元和对应的STM探针；与每个切换子单元相连的一个采样保持子单元；以及切换控制装置，其用于控制每个切换子单元将相连的前置放大器输出的电压信号输出至相连的一个采样保持子单元或STM控制单元，将相连的一个采样保持子单元输出的电压和/或STM控制单元输出的扫描管驱动电压输出至对应的STM探针的扫描管控制端，以及将STM控制单元输出的粗进针驱动电压输出至对应的STM探针的粗进针控制端。本发明实现STM控制单元的分时复用且减少了其数量。

技术领域

本发明涉及扫描隧道显微镜(STM)领域，具体涉及用于多探针STM的分时复用控制装置及包括其的多探针STM。

背景技术

扫描隧道显微镜(STM)亦称为“扫描穿隧式显微镜”，是一种利用隧道效应探测物质表面结构的仪器。STM可以观察和定位单个原子，具有原子级的分辨率，在低温下(4K)可以利用STM探针的针尖精确操纵原子，因此它是纳米材料研究领域重要的测量工具。

扫描隧道显微镜的工作原理如同一根唱针扫过一张唱片，将一根针尖慢慢地扫过要被分析的材料样品表面。在隧穿电压恒定的情况下，隧穿电流的大小取决于针尖最尖端处的原子与样品表面原子的距离。在恒高模式下，保持针尖恒高，样品表面的起伏表现为隧穿电流的变化，将该信息处理并转换成图像，便可获得样品表面原子的排列状态，即样品的结构信息。在恒流模式下，扫描过程中通过不断调节针尖的高度从而维持恒定隧穿电流，处理针尖高度的变化信息并转换成图像，亦可获得样品的结构信息。

四探针扫描隧道显微镜是在一个超高真空腔体内集成四个扫描隧道显微镜系统，每个扫描隧道显微镜都能独立工作，获得材料原子级分辨的结构信息。除此之外，四个扫描隧道显微镜还能协同工作，利用四探针法测量纳米尺度材料的电输运性质。

图1示出了现有的四探针扫描隧道显微镜的示意图。如图1所示，四探针扫描隧道显微镜1包括4个STM探针111、112、113、114，4个前置放大器121、122、123、124，4个STM控制单元131、132、133、134，以及一个输运测量单元141。每一个STM探针包括粗进针、扫描管和针尖，每一个STM探针的针尖都通过对应的前置放大器连接至输运测量单元141和对应的STM控制单元，STM控制单元接收前置放大器输出的电压，给对应的STM探针的粗进针控制端提供粗进针驱动电压使其移动，且给扫描管控制端提供扫描管驱动电压使其移动和定位。

其中粗进针移动距离大、定位精度差，而扫描管的移动范围小、定位精度可达0.01nm。在控制粗进针移动过程中，STM控制单元中的电压信号源给粗进针提供脉冲信号驱动其移动，待粗进针移动到所需的位置后，不再给粗进针提供脉冲电压信号。与粗进针不同的是，给扫描管提供的电压信号要始终维持不变。如果扫描管与STM控制单元中的电压信号源断开连接，扫描管将返回到电压为零的初始位置。

现有的四探针扫描隧道显微镜在测量样品的电输运性质的过程中，使用四个STM控制单元将四个针尖分别移动至样品的待测区域，再将四个针尖与样品欧姆接触。之后，断开四个针尖与STM控制单元之间的信号线，将四个针尖的信号线连接至输运测量单元141，输运测量单元141利用四探针法便可得到该样品的电阻率。

基于STM探针的特性，现有的四探针扫描隧道显微镜都必须使用四个STM控制单元，以将四个STM探针移动并定位至样品待测区域。然而，四探针扫描隧道显微镜具有四个完全相同的STM控制单元，每一个STM控制单元的价格约30～50万人民币，因此造成四探针扫描隧道显微镜的价格更加昂贵。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的实施例提供了一种分时复用控制装置，所述多探针STM包括一个STM控制单元以及多个STM探针，所述多个STM探针的每一个与一个前置放大器相连，所述分时复用控制装置包括：