利用STM的電流信號對AFM信號進行測量的系統的制作方法
本發明涉及掃描探針技術領域，具體涉及一種利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統。
背景技術：
掃描探針技術(spm)是一類顯微術的總稱，是在stm的基礎上發展起來的，主要分為stm和afm。首臺掃描隧道顯微鏡于1981年問世，它的出現使得人們首次可以直接探測物體表面的原子排列及其電子行為，對于物理學、材料學、表面科學、微電子加工技術、化學和生命科學等均有著重要的意義。stm的基本原理是由于粒子的波粒二象性而導致的量子隧道效應，即能量為e、質量為m的粒子入射至高度為v0的勢壘時，在粒子能量e<v0的情況下，粒子的透射幾率不為零。由于隧道效應，當探針與待測樣品表面間距z很小(<1nm)，加上電壓v后，便會有電流產生，這就是隧道電流。
stm具有許多表面分析儀器不能比擬的優點，但其僅局限于對半導體和金屬樣品進行測量。為了彌補stm這一不足，1985年afm誕生了。afm是通過探測樣品與針尖的原子間相互作用力來獲得樣品表面信息的技術。afm的研究對象包括導體、半導體和絕緣體；在溶液中也可測量。根據掃描時針尖-樣品間距離的不同，將afm工作模式分為以下三種：接觸模式(contact)、振幅調制的afm(am-afm，或稱作tapping模式)、頻率調制的afm(fm-afm)或稱nc-afm)。
afm中決定分辨率的組件是力傳感器。在afm發明后不久，就有用石英音叉作為力傳感器的研究。早期的石英音叉探針系統都是固定音叉基部，兩臂懸空，振動時音叉兩臂為對稱的反向振動狀態，具有很高的品質因數，但是其成像信號無法用理論去解釋。為 了解決上述技術問題，1998年f.j.giessibl提出將石英音叉的一個整臂固定在藍寶石基座上，而另一臂懸空，相當于傳統原子力顯微鏡探針系統的微懸臂，即qplus技術。然后將腐蝕的鎢針通過絕緣膠垂直地粘接在懸空的音叉臂前端用于掃描樣品。
qplus技術可同時測量樣品的平均隧道電流，以及音叉微懸臂的頻率偏移、能量耗散等。其技術原理圖見圖1：在鎢針尖(圖1中tip為鎢針尖，us為電源)上引一根導線取得針尖-樣品間的隧道電流，經電流放大器放大可得到隧道電流(it)的平均值
雖然qplus技術具有同時實施stm和afm的能力，但在實際的應用中，總是將兩個模式分開進行。究其原因是平均隧道電流
(1)如何實現針尖-樣品間耗散力的精確測量。目前對針尖的激勵多為利用壓電陶瓷機械激勵，由于懸臂梁后面巨大基體(base)的存在，導致激勵的效率很低。類似于用力搖動整座山，只是為了讓山頂上一根桿振蕩。這就導致了耗散力的存在，并且耗散力的大小未知。
(2)afm所需的交變電荷信號與stm的電流信號間的串擾。由于信號放大器的共地、針尖與音叉之間的電容以及寄生電容的影響，導致在qplus技術中同時實施stm和afm會有信號串擾，常 見的降低串擾的方法是分別實施stm和afm，這無疑降低了工作效率。
(3)反饋的選擇。在qplus技術中，既可以選擇平均隧道電流
(4)工作環境的局限性。由于串擾的存在，qplus技術的實現需要依次進行afm和stm，為了對樣品表面的同一區域做測量，避免熱漂，要求工作環境在液氦溫度下。該技術如何走向液氮/室溫甚至大氣環境是一個極大的挑戰。
(5)如何實現更高的分辨率。目前qplus的分辨率在原子級，如何才能進一步提高分辨率，得到原子軌道級分辨。這需要進一步降低探針振幅，提高儀器的穩定性，降低信噪比。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明實施例提供一種利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統，主要包括：
力學傳感器、高帶寬電流放大器、非正弦周期信號處理模塊、afm振幅采集器、afm頻率采集器、電流采集器、乘法器、低通濾波器、pi控制模塊、壓控振蕩器、相位調節器、gain控制器、振幅控制模塊、頻差輸出模塊和z控制模塊；
其中，將在力學傳感器處采集得到的隧道電流信號輸入所述高帶寬電流放大器進行放大，接著將放大后的隧道電流輸入所述非正 弦周期信號處理模塊分析處理；
所述非正弦周期信號處理模塊的第一輸出端連接所述afm振幅采集器，其分析后可得到afm信號的振幅a1，將采集得到的a1輸入到所述振幅控制模塊，振幅控制模塊用于控制a1的大小與設定值aset相符，所述振幅控制模塊的輸出連接所述gain控制器，
所述非正弦周期信號處理模塊的第二輸出端連接所述afm頻率采集器，其分析后得到afm針尖在樣品表面的振動頻率信號fsample，所述afm頻率采集器連接所述乘法器的第一輸入端，所述乘法器的第二輸入端連接所述壓控振蕩器的輸出端，乘法器用于對所述afm頻率采集器的輸出信號和所述壓控振蕩器的輸出信號做乘法運算，后依次傳輸給所述低通濾波器、所述pi控制模塊，這里信號分為兩路，一路信號用于激勵陶瓷的控制，具體為：所述pi控制模塊連接所述壓控振蕩器，所述壓控振蕩器輸出連接所述相位調節器的輸入端，所述相位調節器的輸出端連接所述gain控制器的輸入端，所述gain控制器的輸出端連接激勵陶瓷。所述壓控振蕩器輸出用于激勵壓電陶瓷震蕩的高頻信號，經過相位調節器和所述gain控制器的調節，最終生成激勵信號，其中所述相位調節器用于調節壓控振蕩器輸出信號的相位；所述gain控制器連接afm力學傳感器的激勵陶瓷，用于調節所述相位調節器輸出信號的增益，并將增益調節后的信號傳輸至所述激勵陶瓷，另一路信號用于得到頻率偏移δf，具體為pi控制模塊和壓控振蕩器的信號共同輸入所述差頻輸出模塊，得到頻率偏移輸入至z控制模塊，
所述非正弦周期信號處理模塊的第三輸出端連接所述電流采集器，其分析后得到stm的隧道電流信號，例如隧道電流的最大值、最小值、平均電流等，所述電流采集器連接z控制，將隧道電流信號作為反饋值，所述z控制模塊連接afmz方向壓電陶瓷，用于根據差頻輸出模塊和所述電流采集器輸出的信號生成控制所述壓電陶 瓷在z方向運動的控制信號，并傳輸至所述壓電陶瓷，用于控制針尖和樣品間距。
1.有益效果
本發明實施例提供的利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統，通過高帶寬的電流放大器得到實時隧道電流。由于探針在樣品表面做正弦運動，針尖-樣品間隔周期性變化，實時隧道電流是非正弦周期性信號，從中可提取出針尖在樣品表面的振動頻率、振幅和相位等。用針尖頻率信號或者隧道電流作為反饋量，能夠實現長時間閉環掃描。由于可以通過stm的隧道電流得到afm的信號，可以單次掃描完成數據的提取，這就使得有可能不必在液氦環境下工作，同時相較于現有技術能夠提高掃描效率。且由于不需要在恒高模式下掃描，因而不會對研究工作有過多限制；本發明由于不需要探測電荷信號，因此可以采用電激勵方式/電檢測方式，從而能夠以更小的探測振幅工作，實現更高的空間分辨率和能量耗散信號精確探測。
2.原理概述
本專利擬基于stm電流信號實現afm信號的探測。其基本原理是：將導電針尖用絕緣膠粘在afm力學傳感器上，給針尖和樣品之間施加恒定的偏壓，用交變電壓驅動微懸臂振動，利用針尖測量隧道電流it(t,z)。將非正弦周期性it(t,z)經過高帶寬電流放大器輸入周期波形分析儀(pwa)，分析得到隧道電流信號(平均電流、峰值電流等)或振動信號(頻率、振幅等)作為反饋量，以實現長時間閉環掃描。
為便于描述，下面我們以qplus中的音叉微懸臂作為力學探測器件來闡述。給微懸臂一個激勵，使其以頻率f0震蕩。給針尖和樣品 之間施加恒定的偏壓，當其間距z進入隧道距離，會有隧道電流發生。隧道電流的大小與z成指數關系：
其中
3.目前的核心限制及本專利的核心技術：
目前核心技術限制主要在于隧道電流的實時采集及后續的分析。由于針尖-樣品間隧道電流通常在1pa-100na量級，為保證能夠實時的得到隧道電流，需要前置放大器的帶寬更大。但目前的電流放大器的最大帶寬為1.1khz，遠達不到我們的需求。
為解決上述問題，我們擬自己設計研發高帶寬的電流放大器，前期我們在電流放大器和電荷放大器的研發上已經達到了國際先進水平，更高帶寬的電流放大器的研發正在進行中。利用高帶寬的電流放大器將可以實現非正弦周期性隧道電流信號的實時直接提取。信號提取之后，需要進一步分析，才能得到平均隧道電流、最大隧道電流、最小隧道電流及隧道電流的頻率，我們將利用非正弦周期信號分析模塊來實現。將得到的隧道電流信號(平均電流、峰值電流等)或振動信號(頻率、振幅等)作為反饋量，能夠實現長時間閉環掃描。
此外，相較于目前已有qplus-stm/afm，上述的技術在空間分辨率上和測量耗散信號上具有巨大的優勢。目前qplus-stm/afm采 用機械激勵/電荷檢測方式，而不是采用電激勵/電檢測方式，主要是為避免電激勵信號與電荷信號的串擾問題。本專利中，由于不需要探測電荷信號，因此可以采用電激勵方式/電檢測方式，從而能夠以更小的探測振幅工作，實現更高的空間分辨率和能量耗散信號精確探測。
4.理論分析
給微懸臂一個激勵，使其在自由狀態下以頻率f0震蕩，當針尖接近樣品時，針尖的振動形式為：
a1＝a1sinω1t(2)
其中ω1＝2πfsample。a1是針尖在樣品表面的振動幅度。此時，即使針尖在恒流模式下工作，針尖-樣品的間隔z也會隨時間變化：
z＝z0+a1sinω1t(3)
其中z0是針尖距離樣品的平均位置。給針尖和樣品之間施加恒定的偏壓，當其間距進入隧道距離，會有隧道電流。將公式3代入公式1，得到隧道電流：
以上三者關系的示意圖如圖3。將it(t,z0)隨時間做平均得到的平均隧道電流可作為反饋使用。或者將it(t,z0)中不隨時間變化的部分
下面我們來討論得到afm針尖振幅的方法：在同一個位置測量，即將z0保持不變，it(t,z)的最大值和最小值將分別為：
由此可以得到針尖的振幅a1和z0分別為：
即將it(t,z)隨時間做平均可得平均隧道電流，由it(t,z)的最大值和最小值之比取對數可得針尖在樣品附近的振幅。
5.進一步的技術擴展：
本發明中基于stm電流信號測量afm信號的技術的可擴展性很強，后續有望在以下幾個方向進一步擴展：
(1)二次微分電導的成像。根據圖2的技術路線圖，可以實現微分電導(di/dv)的成像。利用鎖相技術可實現二次微分電導的成像，由此得到化學鍵的振動信息。
(2)掃描電勢成像。在針尖-樣品間再加一交流(ac)偏壓，調節針尖上的直流(dc)電壓實現補償，可同時實現掃描電勢的成像，由此可以得到樣品的功函數信息。
(3)本技術可在下恒流源模式的測量。傳統的qplus是在恒高模式下，得到頻率偏移；在本發明所提出的技術中，可以在恒流模式下測量(即維持電流恒定，探測針尖-樣品間電壓的變化)，因此可以實現一些新的功能。
附圖說明
圖1為現有的q-plusafm的信號原理框圖；
圖2為本發明基于stm電流信號實現afm信號測量的技術信號原理框圖；
圖3為本發明中針尖振幅、樣品與針尖間距和隧道電流隨時間的變化圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒 有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
參看圖2，本實施例公開一種利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統，包括：
力學傳感器、高帶寬電流放大器、非正弦周期信號處理模塊、afm振幅采集器、afm頻率采集器、電流采集器、乘法器、低通濾波器、pi控制模塊、壓控振蕩器、相位調節器、gain控制器、振幅控制模塊、頻差輸出模塊和z控制模塊，
其中，將在力學傳感器處采集得到的隧道電流信號輸入所述高帶寬電流放大器進行放大，接著將放大后的隧道電流輸入所述非正弦周期信號處理模塊分析處理，
所述非正弦周期信號處理模塊的第一輸出端連接所述afm振幅采集器，其分析后可得到afm信號的振幅a1，將采集得到的a1輸入到所述振幅控制模塊，振幅控制模塊用于控制a1的大小與設定值aset相符，所述振幅控制模塊的輸出連接所述gain控制器，
所述非正弦周期信號處理模塊的第二輸出端連接所述afm頻率采集器，其分析后得到afm針尖在樣品表面的振動頻率信號fsample，所述afm頻率采集器連接所述乘法器的第一輸入端，所述乘法器的第二輸入端連接所述壓控振蕩器的輸出端，乘法器用于對所述afm頻率采集器的輸出信號和所述壓控振蕩器的輸出信號做乘法運算，后依次傳輸給所述低通濾波器、所述pi控制模塊，這里信號分為兩路，一路信號用于激勵陶瓷的控制，具體為：所述pi控制模塊連接所述壓控振蕩器，所述壓控振蕩器輸出連接所述相位調節器的輸入端，所述相位調節器的輸出端連接所述gain控制器的輸入端，所述gain控制器的輸出端連接激勵陶瓷。所述壓控振蕩器輸出用于激勵壓電陶瓷震蕩的高頻信號，經過相位調節器和所述gain控制器的調節，最終生成激勵信號，其中所述相位調節器用于調節 壓控振蕩器輸出信號的相位；所述gain控制器連接afm力學傳感器的激勵陶瓷，用于調節所述相位調節器輸出信號的增益，并將增益調節后的信號傳輸至所述激勵陶瓷。另一路信號用于得到頻率偏移δf，具體為pi控制模塊和壓控振蕩器的信號共同輸入所述差頻輸出模塊，得到頻率偏移輸入至z控制模塊，
所述非正弦周期信號處理模塊的第三輸出端連接所述電流采集器，其分析后得到stm的隧道電流信號，例如隧道電流的最大值、最小值、平均電流等，所述電流采集器連接z控制，將隧道電流信號作為反饋值，所述z控制模塊連接afm的z方向壓電陶瓷，用于根據差頻輸出模塊和所述電流采集器輸出的信號生成控制所述壓電陶瓷在z方向運動的控制信號，并傳輸至所述壓電陶瓷，用于控制針尖和樣品間距。
根據一個周期內最大隧道電流與最小隧道電流的差別，可得到針尖的振幅。基于非正弦周期信號處理模塊，可測量獲得的物理量有：在樣品表面afm針尖的振動頻率、振幅、相位；樣品的實時隧道電流、平均電流、最大/最小電流以及形狀等。將這些參數進一步分析，可得到樣品表面的原子級結構、電子態密度、能帶結構和微分電導等。因此，僅僅通過隧道電流就可以得到afm模式下的所有信息。
此外，相較于目前已有qplus-stm/afm，上述的技術在空間分辨率上和測量耗散信號上具有巨大的優勢。目前qplus-stm/afm采用機械激勵/電荷檢測方式，而不是采用電激勵/電檢測方式，主要是為避免電激勵信號與電荷信號的串擾問題。本發明中，由于不需要探測電荷信號，因此可以采用電激勵方式/電檢測方式，從而能夠以更小的探測振幅工作，實現更高的空間分辨率和能量耗散信號精確探測。
本發明實施例提供的利用stm的電流信號對afm信號進行測 量的系統，通過高帶寬的電流放大器得到實時隧道電流，而由于探針在樣品表面做正弦運動，由于針尖-樣品間隔周期性變化而具有周期，可得到非正弦具有周期性的實時隧道電流，從中可提取出針尖在樣品表面的振動頻率、振幅和相位等，因此，通過隧道電流可以得到afm模式下的頻率信息；用針尖頻率信號或者隧道電流作為反饋量，能夠實現長時間閉環掃描。由于可以通過stm的隧道電流得到afm的信號，可以單次掃描完成數據的提取，這就使得可能不必在液氦溫度下工作；不需要分別實施stm和afm，從而相較于現有技術能夠提高掃描效率；且由于不需要在恒高模式下掃描，因而不會對研究工作有過多限制。
可選地，在本發明利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統的另一實施例中，所述電流為平均隧道電流、最大隧道電流或者最小隧道電流。
可選地，在本發明利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統的另一實施例中，所述非正弦周期信號處理模塊確定afm信號的振幅a1的計算公式為
可選地，在本發明利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統的另一實施例中，所述高帶寬電流放大器的帶寬大于力學傳感器的振動頻率。
可選地，在本發明利用stm的電流信號對afm信號進行測量的系統的另一實施例中，所述非正弦周期信號處理模塊為周期波形分析儀。
雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型， 這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。
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