[发明专利]一种扫描电化学显微镜及其校正方法

说明书

本发明公开了一种扫描电化学显微镜，包括：三维滚珠丝杠扫描器、三维压电扫描器、导电探针、导电基底、工作平台和微控单元，所述三维滚珠丝杠扫描器包括X调节轴、Y调节轴和Z调节轴；X调节轴、Y调节轴和Z调节轴两两相互垂直设置，所述X调节轴设置在工作平台上，所述三维压电扫描器设置在Z调节轴的上，本方案的扫描电化学显微镜内部集成稳定性较高的滚珠丝杠扫描器、压电扫描器、导电探针、导电基底和微控单元，通过滚珠丝杠扫描器对压电扫描器的扫描范围和线性度进行校正，避免了使用精密距离测试仪器或标准样品，具有操作简便和成本较低的优势。

技术领域

本发明涉及扫描导电探针显微镜技术领域，具体涉及一种扫描电化学显微镜及其校正方法。

背景技术

扫描导电探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)是一系列显微镜的统称，包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、静电力显微镜(EFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等，其基本原理是利用导电探针对被测样品进行扫描，在扫描过程中同时检测导电探针与样品之间的相互作用(隧道电流、相互作用力、静电力、磁力、电化学电流等)，从而得到被测样品表面的相关信息(形貌、结构、导电性等)。与光学成像技术相比，扫描导电探针显微镜具有极高的分辨率，还可以得到光学信号之外的信息，因此在物理、化学、生物、医学、材料、微电子等学科都有着广泛的应用。

扫描导电探针显微镜的基本结构包括实现导电探针和样品之间的三维相对运动的扫描器、实现相互作用检测的检测器以及配套的计算机软硬件、导电探针等。显微镜的分辨率由导电探针和样品之间的最小相对位移，也就是扫描器的精度决定。现有的扫描导电探针显微镜采用的扫描器包括机械扫描器和扫描电化学显微镜，前者由步进电机驱动直线型的滚珠丝杠来实现线性运动，扫描范围可以由几毫米到几百毫米，扫描分辨率最高可以达到10纳米左右；后者以压电陶瓷作为驱动部件，扫描范围通常在几十到几百微米，扫描分辨率可以达到亚纳米级别。

扫描导电探针显微镜的工作流程中，首先要控制导电探针接近被测样品，然后在X-Y平面上进行扫描成像，系统控制导电探针对被测样品的特定区域扫描n行，每行采集m点，即可得到n*m个像素点的图像。通常情况下，会先进行大范围、低分辨率的粗略扫描，找到感兴趣的位置后，再逐步缩小范围，进行更高分辨率的扫描。为了兼顾较大的导电探针移动范围和较高的扫描分辨率，现代的扫描导电探针显微镜中通常会同时包含机械扫描器和扫描电化学显微镜，如图1所示。图1中，1、2、3分别为X、Y、Z方向的机械扫描器，4为扫描电化学显微镜，5为导电探针，6为被测样品。

应用于扫描导电探针显微镜的扫描电化学显微镜的内部结构主要有基于压电堆和柔性铰链结构的平台型扫描器和压电陶瓷管型扫描器，无论是哪一种结构，都是通过压电陶瓷的逆压电效应，通过改变电极电压来控制压电陶瓷的伸缩，进而实现空间运动的。理想状态下，压电陶瓷的位移与驱动电压线性相关，但是在实际中，由于压电陶瓷材料本身存在蠕变、磁滞等特性，其形变量与驱动电压之间存在着明显的非线性关系，因此需要对扫描电化学显微镜的扫描范围和线性关系进行校正。

目前，普遍采用的扫描电化学显微镜驱动方式有开环驱动和闭环驱动两种。开环驱动法的校正，需要事前对扫描电化学显微镜的位移和驱动电压之间的关系进行检测，获取位移与驱动电压之间的关系表格或关系曲线，在实际应用的时候，以事前获取的关系为依据，对扫描器施加适当的电压，控制其位置；闭环驱动法，是指在扫描器内部置入位移传感器，如电容式位移传感器、应变片式位移传感器等，对扫描器的位移进行实时的检测，并对扫描器的驱动电压进行实时反馈控制，从而实现精确位移控制。无论是开环驱动方式，还是闭环驱动方式，扫描电化学显微镜都需要进行校正。出厂前的校正结果，在实际应用过程中会随着时间、负载、温度、传感器老化等外界条件的变化产生偏移，因此，对扫描电化学显微镜的校正，是扫描导电探针显微镜实现高精度成像的前提。