Сканирующий туннельный микроскоп Советский патент 1989 года по МПК H01J37/26 

1

Изобретение относится к электронным приборам для исследования физических свойств поверхностей твердых тел и может использоваться в сканирующих туннельных микроскопах с раз- решакщей способностью порядка размеров атома.

Цель изобретения - расширение поля наблюдения до 1000 мкм - достигается за счет исп ользования биморфных пьезоэлементов,. в виде дисков, деформация которых под действием приложенного электрическо1 о поля на два порядка превосходит деформацию пьезоэлементов, работающих на поперечном пьезомодуле, и обеспечения дви- жения по двум координатам сердечника, на. котором установлен один из электродов микроскопа - игла, при помощи двух пар биморфных пьезоэлементов,, установленных взаимно перпендикулярно и связанных с сердечником упругими пластинами так, что пара пластин одного направления не препятствует движению сердечника под действием пары упругих пластин другого направления„ причем каждая пара упругих пластин, соединяющих биморфные пьезоэлементы с сердечником, расположена в одной плос- кости, перпендикулярной плоскости расположения другой пары упругих пластин.

На чертеже изображено устройство, общий вид.

Сканирующий туннельный микроскоп содержит станину 1, в верхней части которой на дисковом биморфном пьезо- элементе 2 укреплен образец 3 так,,

5

Q 5 Q

0

5

что его можно установить на малом расстоянии от другого электрода - измерительной нг.пы 4. Игла 4 укреплена в фиксаторе 5 на цилиндрическом пьезоблоке 6, обеспечивающем ее перемещение по координате Z. Пьезоблок 6 жестко закреплён на упругой мембране 7 и/ соединен гибким стержнем 8 с сердечником 9. Упругие пластины 10 соединяют сердечник 9 с втулками 11, установленными в центральных отверстиях дисковых биморфных пьезоэлементов 12, которые укреплены по их внешнему краю на станине 1. Сердечник 9 опирается на остроконечный штифт 13, в свою очередь опирающийся на регулировочный винт 14, ввернутый в нижнюю часть станины 1.

Устройство работает следующим образом.

Сканирование иглы по кадру вдоль поверхности образца осуществляется за счет того, что биморфные пьезоэлементы 12, прогибаясь под действием подаваемого на них пилообразного напряжения, через втулки 11 толкают упругие пластины 10, лежащие в плоскости XZ, и сердечник 9 в направлении оси X (биморфные пьезоэлементы включены в электрическую схему так, что прогибаются синхронно влево или вправо) . При этих движениях (малой амплитуды) сердечника 9 по оси X другие две упругие пластины, лежащие в плоскости YZ, изгибаются и не препятствуют указанному движению сканировайия в направлении X. Другая пара биморфных пьезоэлементов аналогичным образон производят сканирование в направлении Y. Движения сердечника 9 через упругий стержень 8 передаются пьезе- блоку 6 качающемуся около центра мембраны 7 вместе с укрепленными на нем фиксатором 5 и измерительной иглой 4, Благодаря малости амплитуды качаний, сканирование кончика иглы

1453475

числами шагов сканирования по строкам и кадрам. Йри этом разрешение по оси Z, т.е. nq глубине профиля, может достигать -10 нм и быть понижено до 0,1-1 нм.

Формула изобретения Сканирукяций туннельный микроскоп.

-- -лаиирукяции туннельный микооск

происходит по участку сферической по- ,о содержащий станину с

ВерХНОСТИ. практически HP лтпыиаито- .. ...... оал1 сш1еииым

верхности, практически не отличающемуся от плоскости.

Штифт 13, зажатый между винтом 14 и сердечником 9, не препятствует сканированию в плоскости XY, но исключает возможность движения сердечника 9 в направлении оси Z под действием помех от внешних вибраций. Пьезо- блок 6 перемещает измерительную иглу 4 вдоль оси Z под действием сигнала обратной связи, поддерживающего постоянный туннельный ток между электродами, и, тем самым, постоянное расна ней узлом позиционирования образца и узлом перемещения по трем взаимно перпендикулярным координатам измерительной иглы, выполненным из трех

t5 взаимно перпендикулярных пьезоблоков, отл- ичающийся тем, .что, с целью расширения поля наблюдения до 1000 мкм, узел перемещения выполнен в виде сердечника, соединенного

20 через радиально расположенные четьфе упругие пластины с первым и вторым пьезоблоками, каждый из которых выполнен в виде двух вертикальных и диаметрально расположенных дисковбстояние между ними в процессе сканирования.25 разных биморфных пьезоэлементов, закИспользование изобретения позволя- репленных по периметру в станине, и ет получать геометрические профили расположенного над сердечником и сое- (карты уровней) поверхностей металлов диненного с ним через упругий стер- или полупроводников, а также .карты их жень третьего цилиндрического пьезо- мапамГ 1пГ участках с раз-до блока, верхний торец которого закреп- мерами от - 100 нм с атомным разре- лен в горизонтальной упругой мембране шением в плоскости XY, до 100 мкм „ снабжен фиксатором измерительной (.и более; с разрешением, определяемым иглы.

з

1453475

числами шагов сканирования по строкам и кадрам. Йри этом разрешение по оси Z, т.е. nq глубине профиля, может достигать -10 нм и быть понижено до 0,1-1 нм.

Формула изобретения Сканирукяций туннельный микроскоп.

-лаиирукяции туннельный микооск

содержащий станину с

содержащий станину с

.. ...... оал1 сш1еииым

на ней узлом позиционирования образца и узлом перемещения по трем взаимно перпендикулярным координатам измерительной иглы, выполненным из трех

взаимно перпендикулярных пьезоблоков, отл- ичающийся тем, .что, с целью расширения поля наблюдения до 1000 мкм, узел перемещения выполнен в виде сердечника, соединенного

через радиально расположенные четьфе упругие пластины с первым и вторым пьезоблоками, каждый из которых выполнен в виде двух вертикальных и иаметрально расположенных дисковбразных биморфных пьезоэлементов, зак

Изобретение относится к электронным приборам для исследования физических свойств поверхностей твердых тел. Целью изобретения является расширение поля наблюдения до 1000 мкм за счет использования биморфных пье- зоэлементов в виде дисков. Сканирующий туннельный микроскоп содержит дисковый биморфный пьезоэлемант 2, в центре которого закрепляется об