扫描 扫描 1932 - 8745 0161 - 0457 Hindawi 10.1155 / 2017/1020476 1020476 研究文章 高刚性和精度扫描隧道显微镜与解耦 X Y 和 Z 扫描 陈 徐 1 郭 腾飞 2 侯 Yubin 2 张 京 2 http://orcid.org/0000 - 0002 - 0446 - 1205 孟 蕴结 2 http://orcid.org/0000 - 0003 - 1934 - 8165 陆 Qingyou 2 3 Yoshimura 正通 1 中德工程学院 同济大学 上海201804 中国 tongji.edu.cn 2 安徽省重点实验室在极端条件下凝聚态物理 高磁场实验室中国科学院 合肥 安徽230031年 中国 cas.cn 3 合肥微尺度国家实验室物理科学 中国科学技术大学 合肥 安徽230026年 中国 ustc.edu 2017年 14 11 2017年 2017年 19 06 2017年 15 10 2017年 14 11 2017年 2017年 版权©2017徐陈等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

一个新的扫描头扫描隧道显微镜(STM)的结构,提出了扫描精度高、刚性。的核心结构由压电管扫描器象限(类型 X Y 扫描)安置在一个压电管同轴单内外电极( Z 扫描)。他们是固定的一端(称为共同结束)。一个空心轴同轴安置在钽 X Y 扫描管他们是相互固定的两端。当 X Y 扫描仪扫描,其自由端将轴扫描和插入到轴同轴相连的技巧常见的一端将扫描一个较小的区域,如果提示突出足够短的常见的结束。解耦的 X Y 和 Z 扫描所需的较低的图像失真和机械减少扫描范围的优势减少扫描仪上的背景电子噪声的影响,提高定位精度。高质量的原子分辨率的图像也显示。

 中国科学院 安徽省自然科学基金 合肥中心物理科学和技术 中国国家高磁场的项目设施 中国国家自然科学基金 YZ201628 1608085 mb36 U1232210 U1632160 21505139 11374278 11704384 YZJJ20162 1。介绍

扫描隧道显微镜(STM)通常被应用于研究材料的局部表面性质的电子状态在现实空间分辨率原子( 1)在各种条件下(高磁铁( 2)、超高真空( 3),超低温度( 4),和水的解决方案 5])。已经有近40年第一个发明的自动解决STM正式Binnig et al。 6],建立一个高质量的STM的主要工作是提高其头部结构的设计,以获得更好的稳定性、免疫外部振动,并提示定位精度,这些都是至关重要的原子隧穿电流频谱分辨率或质量甚至还远非令人满意的今天,特别是在环境恶劣的振动和声音。为此,在过去的几年自2008年以来,我们已经开发了许多新型的STM头结构适合在恶劣的条件下工作,包括完全低压STM ( 7),SPM ultrarigid close-stacked压电马达( 8),和可拆卸的扫描单元( 9)由新型的压电马达(GeckoDrive [ 10],PandaDrive [ 10],SpiderDrive [ 11],TunaDrive [ 12, 13]),终于获得了世界上第一个自动解决STM图像在水冷式电阻磁铁( 14]。这也是有史以来第原子分辨率图像在一个磁场超过最大磁场超导磁体可以生成。

STM头通常是由扫描单元和粗的方法电动机驱动的提示和示例扫描单元互相对待,直到tip-sample差距足够小和隧道结的形成。扫描单元和粗方法电动机可以设计为一个不可分割的一部分( 15- - - - - - 18)或两个相互分离的部分( 9]。正如我们指出的那样,在 9),后者的优越性是防止不稳定粗方法的汽车进入扫描单元,从而提高隧道结的稳定性。在这种情况下,稳定的扫描单元本身将扮演主要的角色在决定测量的稳定性和质量,因为它将成为一个纯粹的孤独后,部分粗方法电动机可收放起落架的扫描单元当粗的方法过程就完成了。因此,如何设计一个稳定的扫描单元变得非常重要。

因此,在本文中,我们将重点放在改善STM头的扫描单元结构。扫描仪常用的是一个象限压电管(PT)与一个内和四个外电极,可以扫描 X , Y , Z 的方向。在这种情况下,这三个方向是耦合的,这意味着 X Y 扫描样品平面上可以导致的整体尺寸变化的扫描仪,这将反过来影响 Z 的位置。这将明显降低定位精度。解耦的 X Y 和 Z 运动,一些研究人员使用five-outer-electrode PT: PT的特定长度有四个外电极(像一个象限PT) X Y 扫描和剩下的长度是一个整体的外表面电极 Z 调整。这确实可以减少之间的耦合 X Y 和 Z 运动,但他们并没有完全解耦自扫描仪仍然是由一块压电材料,在其中一个部分的变形会导致另一个部分的变形。此外,five-outer-electrode PT的总长度很大,因为部分负责 X Y 和 Z 扫描,分别是串联连接。这是一个明显的缺点,提高了不稳定,特别是在恶劣的振动和声音条件。

在我们的新设计,一个象限PT ( X Y 扫描,缩写为 X Y 另一个PT (PT)里面 Z 扫描,缩写为 Z pt)的内外表面完好无损的电极,分别。这两个分一端粘在一起(称为共同结束)。刚性和空心轴内 X Y pt,两端粘在一起,提示插入轴的常见的结束。因此,当 X Y pt扫描在其自由端,小费另一端(或换句话说常见的一端),将扫描分析,通过杠杆作用相反的方向的轴支点是常见的。因此,如果支点的提示测量的长度小于轴的长度之间的支点和自由端 X Y pt,扫描区域的提示将小于区域扫描的自由端 X Y pt。扫描区域的提示很容易调整拉(使用镊子)小费从或将进一步提示插入到轴。大量减少扫描区域的末梢可以帮助大大提高定位精度的建议。减少这个区域是实现完全通过力学,这意味着提示定位的不确定性造成的背景电子噪声也可以减少。这是一个很大的优势与传统的面积缩小(即通过电子衰减方法。,using amplifier with gain less than one), in which the electronic noise of the attenuation circuit itself is directly added to the scan signal instead of being attenuated. This added noise will become significant if the bandwidth is large or the scan signal is small or both. This design of mechanical scan area reduction also has many other advantages, which will also be discussed in this paper.

 2。扫描单元设计

图 1拟议的新结构的示意图显示扫描单元。的 Z pt (EBL # 3类型从电子产品公司与维5毫米长度,外径6.35毫米,0.5毫米厚)有完整的内部和外部表面电极,分别 X Y PT (EBL # 3类型的电子产品公司尺寸6毫米长度,外径4.64毫米,0.5毫米厚)是一个象限PT和电极的外表面和四个完整的内表面电极。他们负责 Z 和 X Y 分别扫描,采用粘(使用H74F环氧环氧树脂技术)在钽基地(称为共同结束),这样内心电极电连接并接地。空心轴钽1毫米外径和内径0.5毫米304不锈钢,也作为小费持有人,是安置在同轴相连 X Y pt。他们是固定在一起(使用环氧树脂)两端通过一对绝缘的蓝宝石戒指。常见的技巧是插在轴端。当 X Y 应用扫描信号的外电极 X Y pt推拉的方式,其自由端将扫描轴内部,这将导致提示扫描另一端的杠杆原理与常见的一端的支点。这个新的“tube-in-tube”类型(TTT)扫描仪具有相当多的优点如下。

(一)扫描头的照片。四个外电极外PT ( Z pt)电连接作为一个完整的电极。(b)扫描单元在三维视图中。(c)扫描单元的横截面示意图。

首先,在此结构中,扫描的区域, 年代 t 我 p 将扫描的小于 X Y pt, 年代 X Y pt ,如果有效提示长度, l t 我 p ,测量的远端支点是短于有效 X Y pt长度, l X Y pt 衡量,从支点到免费的 X Y pt。定量地说, (1) 年代 t 我 p 年代 XY-PT = l XY-PT l t 我 p 。 小 年代 t 我 p 意味着更高的定位精度,隧穿电流频谱时这是很重要的 d 我 / d V 需要以一定的精确定义的位置。此外,由于减少 年代 t 我 p 是通过机械杠杆作用,它还可以减少提示定位的不确定性引起的任何电子噪声。这是一个显著的好处。传统上,当需要扫描面积缩小,它通常被电子化,利用衰减电路( 19)(增益小于1)减少 X Y 扫描信号发送到 X Y pt。在这种情况下,衰减器将添加自己的未还原的噪声降低 X Y 扫描信号,它可以成为一个特别严重的问题,当最后的扫描信号 X Y pt需要非常小。

其次,很明显,在我们的新设计 X Y 和 Z 扫描完全解耦,因为它们是由两个互相独立的分,控制的运动 X Y pt不会影响的运动 Z pt,反之亦然。这可以减少图像失真。与上述five-outer-electrode PT系列的两个分,TTT扫描仪是短暂的两个分并行安装。这可以帮助减少隧穿电流测量和热漂移问题的敏感使扫描单元变得更加抵制外部振动。

除了总长度的减少,另一个改善提高免疫力外部振动的僵化 X Y PT的TTT扫描器高与上述两种传统的单管扫描仪:four-outer-electrode PT和five-outer-electrode PT(象限)。这是因为有一个刚性轴内 X Y pt,安装的 X Y pt两端。这不仅可以进一步缩小扫描范围机械(有利于扫描精度正如上面所讨论的),这也加重了刚性的 X Y pt。

我们已经完成有限元分析软件(Ansys)检查如何PT的轴向和径向共振频率变化的函数轴的外径。材料属性、模型结构和模拟应力模式表现出表 1和图 2,分别。它可以看到从应力模式的自由端 X Y pt熊的最大力量,所以我们选择用非常硬材料:蓝宝石作为绝缘和安装材料修复轴的自由端 X Y pt。

材料特性进行有限元分析。

杨氏模量(1010N / m2) 密度(克/厘米3) 泊松比
压电陶瓷 6.3 7.45 0.31
钽 36 16.69 0.34
蓝宝石 68.5 4.00 0.28

(一)扫描单元模型进行有限元分析。(b)与网格模型进行有限元分析。(c)径向振动模型底部(固定)和相应的应力分布图。(d)轴向振动模型(固定在底部)和相应的应力分布图。

表 2和图 3显示的结果模拟轴向和径向共振频率的TTT扫描仪和轴的直径 X Y pt。这可以从图中找到 3的轴向共振频率单调上升随着轴直径的增加,但径向共振频率下降只略一开始最大限度的减少是2.7%,然后急剧增加。我们相信,这种轻微的减少径向共振频率源于这一事实添加钽轴有一定的有效质量。如果我们使用更轻但僵硬的足够的材料如钛或蓝宝石轴,它将降低减少径向共振频率(使它可以忽略不计)以及提高轴向共振频率的增加。因此,总体趋势为轴向和径向共振频率都较高的使用作为一个硬轴。更高的共振频率意味着它是不容易的外部振动引起的 X Y pt的共振,这意味着 X Y pt更耐恶劣环境。

径向和轴向共振频率扫描轴半径的函数。第一行是扫描头没有小费持有人。

半径(毫米) 径向频率(赫兹) 轴向频率(赫兹)
0 35995年 108461年
0.5 35361年 126304年
0.575 35122年 128861年
0.65 35022年 131385年
0.725 35072年 133869年
0.8 35284年 136363年
0.875 35661年 138895年
0.95 36205年 141492年
1.025 36893年 144085年
1.1 37738年 146777年
1.175 38709年 149441年
1.25 39791年 152094年

径向和轴向共振频率与扫描轴的半径。

 3所示。粗糙的方法

实现tip-sample粗的方法(见图 1(一)),样品在第一次在同轴相连一端管状结构。上面的TTT扫描仪spring-clamped同轴相连的管状结构通过“rod-sliding-in-tube”指导机制,由同轴安装推方法示例SpiderDrive [ 12压电马达。结构细节如下。

TTT扫描仪是安装在一个方形同轴钽棒(长23毫米,宽5毫米),后者被安置在同轴相连和spring-clamped引导管的内壁。整件事然后安置在同轴相连的管状结构引导管的内壁被安装在管状结构通过一对固定螺丝钉。SpiderDrive也采用固定在管状结构,它把广场钽棒在指导管和带来的TTT滑动扫描方法前面的示例,从而实现粗的方法。广场钽棒(因此TTT扫描仪)也可以撤销(回落)SpiderDrive通过一对钩之间的广场钽棒和推动SpiderDrive轴。这些钩子略微松散连接(大约0.5毫米空间沿轴向方向),这样他们就可以成为独立(不接触)如果SpiderDrive推(拉)广场钽棒在一个方向上,向后走。这可拆式连接设计的好处是,扫描仪会站在一个图像扫描期间或任何隧穿电流测量,从而防止粗方法运动的不稳定影响扫描。

粗的方法完成后,我们可以很好地执行 Z 调整,以达到一个适当的隧穿电流的STM测量。这是通过应用 Z 控制信号 Z pt TTT扫描仪。的 X Y 扫描样本平面上实现应用 X 和 Y 扫描信号 X Y pt。对称的管状结构设计应尽可能高,所有的部件安装在它应该尽可能同轴,可帮助减少热漂移和任何领域(磁场,例如)诱导漂移。

 4所示。性能测试

我们选择使用一段刻花0.25毫米厚的铂丝90/10 Pt / Ir的STM小费。一个商业控制器CASMF科技有限公司(参考 http://www.casmf.com)是用于实现TunaDrive粗的方法控制,图像扫描和数据采集,等等。使用的前置放大器电路是由我们自己设计( 20.)当前分辨率高的优越性。它的工作原理可以发现在 20.]。

STM扫描头包括新的TTT扫描单元测试通过扫描石墨样品(从NT-MDT GYBS / 1.7、类型的ZYB)在空气和在室温下。一个高质量的自动解决图像如图(原始数据) 4(一)扫描模式是恒流模式,提示和示例之间的偏置电压是300 mV(样本阳性),每行扫描速度是0.2秒。

(一)自动解决石墨图像拍摄于空气和在室温下恒流模式与sample-positive偏压300 mV, 0.8的定位点,和一个扫描面积10×10。(b)和(c)两个重复的图像扫描8×8的时间间隔5分钟,漂流的绿线可以测量的速度。绿线的线路纵断面每张图片底部,平均起皱的0.41 nm(误差范围0.03)。(d) Z 方向漂移距离测量作为时间的函数,使漂移率约为0.1 /分钟当STM的头变得稳定。

衡量严重漂移问题,我们进行了两个重复图像扫描时间间隔为5分钟。他们给出的数据 4 (b)和 4 (c),分别。扫描区域被选为小于图 4(一),这将使我们能够更精确地测量漂移值。从绿线获得的谱线轮廓的图像如图 4 (b)下面给出。这个绿色的线被漂流到一个稍微不同的位置在图像如图 4 (c),和相应的配置文件也显示下面。从这两个绿色线条和个人资料,我们可以发现有轻微的漂移 Y 方向(约5点/分钟),但是没有看到显然在漂移 X 方向。这些概要文件的平均起皱的十个图片是0.41海里(误差范围0.03 nm)获得的高于其他组( 17),有助于增强图像的对比度。我们认为这种改善是由于刚度和减少TTT扫描仪的背景电子噪声。

的测量漂移 Z 方向绘制作为时间的函数是显示在图 4 (d)。的漂移 Z 方向是衡量运行反馈程序将隧穿电流在0.5(扫描面积= 0)和记录扫描仪的位移 Z (来自电压方向 Z pt)每5分钟。测量持续了大约两个半小时。这表明该国的尖端略一开始时接近示例。提示成为定居下来后,漂移 Z 方向是稳定在0.1 /分钟,由其他人(比这更好的报道 9]。

 5。结论

我们已经演示了如何构建一个精度高、刚性扫描单元和相应的基于提出的TTT扫描头扫描结构,分离的优点 X Y 和 Z 扫描运动和减少扫描区域通过机械杠杆运动进行了讨论。有限元分析揭示新的TTT扫描结构可以实现更高的轴向和径向的频率,这是有价值的改进免疫外部恶劣的振动。高质量的原子分辨率的图像和低漂移值测量 X , Y , Z 方向提出了确认性能,获得使用新的扫描头建基于TTT扫描结构。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 作者的贡献

徐陈和郭腾飞贡献同样这项工作。

 确认

这项工作得到了中国科学院科研设备、安徽省自然科学基金,发展基金会的主要/创新计划合肥体育中心的科技、中国国家高磁场的项目设施,科研拨款中科院合肥科学中心和中国国家自然科学基金(YZ201628号,1608085 mb36、U1232210 U1632160, 21505139, 11374278, 11704384,和YZJJ20162)。

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