大范围高分辨扫描隧道显微镜的研究

　　八十年代初问世的扫描隧道显微镜scanningTunnelingMicrdscope(简称STM)是一种新型表面观测仪器。在三维空间都达到原子分辨率，对样品无任何破坏性以及可在超高真空、大气甚至液体中工作等独特优点使其在短短几年里得到了飞速发展并获得了广泛应用。[l]。为进一步提高sTM性能，扩大应用领域，本文将讨论一种大范围高分辨扫描隧道显微镜。

　　分辨率和扫描范围是衡量STM性能的两个主要技术指标。目前绝大多数具有原子分辨率的STM，最大扫描范围局限在1微米左右，主要用于原子或纳米尺度下观察结构均匀的材料表面。但是，实际应用中存在的以下几个问题显露了现有STM扫描范围小的不足以及研制大范围高分辨STM的必要。第一、观察具有较大结构材料表面，例如:光栅、超精加工表面、集成电路以及开展微加工研究，一般需要几十甚至上百微米的扫描范围。第二、观察具有结构非均匀性材料表面，例如生物材料等，往往要求大范围的粗略观察和小范围以至原子尺度下的精细观察。因此，我们开展了大范围高分辨STM的研究。

　　目前STM中广泛采用电致伸缩陶瓷材料制作三维扫描控制器。主要有管状和三角架式等。其扫描控制伸缩量与所加的电压成线性关系。单位电压产生的伸缩量称为机电响应系数，它与所用电致伸缩材料及制成的几何形状尺寸有关，一般在几纳米/伏到十几纳米/伏之间。而最大

扫描控制电压通常为士150伏，因而最大扫描控制范围局限在几微米。提高机电响应系数是提高扫描控制范围的基本途径。采用特殊的设计方案，例如用双压电陶瓷片I2]或压电陶瓷体驱动的机械放大结构I3]可得到较大的机电响应系数及扫描控制范围。另一方面，分辨率和扫描控制范围有关。当最小扫描控制电压一定时，过大的机电响应系数必然导致分辨率降低甚至达不到原子分辨率。我们设计制作了一种双偶合式扫描控制器。如图所示，它由大范围的扫描器(以下简称W扫描器)和高分辨扫描控制器(简称H扫描控制器)组成。我们采用压电陶瓷体驱动和机械位移放大原理，设计制作了结构独特的W扫描器，其最大扫描范围可达200微米。H扫描控制器由通常的压电陶瓷管制成，最大扫描控制范围为几微米。这一设计较好地解决了大范围扫描和高分辨率这一问题。另外，制作大范围高分辨STM同样要解决样品一针尖的隧道调节，针尖制作、样品台移动、防震以及反馈控制等一系列技术问题。我们曾做过较为详细的讨论l4][5]。

　　利用这台STM，我们曾多次观察了石墨，光栅、金膜、块规、铜网等样品，得到了令人满意的结果。