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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 全低壓超精密掃描隧道顯微鏡
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 掃描隧道顯微鏡（STM）是一種既有原子分辨能力，又能進(jìn)行原子操縱、微納器件加工、和電子態(tài)密度測(cè)量的顯微、測(cè)微與控微裝置，并能被置入到各種極端物理環(huán)境中，是極關(guān)鍵的納米科技工具。本作品采用國(guó)際首創(chuàng)的橫向隧道節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全低壓工作的掃描隧道顯微鏡（STM），其核心部分體積小，易于集成和極端環(huán)境化；由于是全低壓環(huán)境，精度、噪音、溫漂大大改進(jìn)，原子成像質(zhì)量顯著提高；利用我們自主開發(fā)的優(yōu)于30fA的前置放大器實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前國(guó)際最高隧道電流分辨率的STM，有助于將掃描隧道顯微鏡向弱導(dǎo)體和絕緣體領(lǐng)域拓展。
- 詳細(xì)介紹：
- 掃描隧道顯微鏡（STM）是一種既有原子分辨能力，又能進(jìn)行原子操縱、微納器件加工、和電子態(tài)密度測(cè)量的顯微、測(cè)微與控微裝置，并能被置入到各種極端物理環(huán)境中，所以是極關(guān)鍵的納米科技工具。但現(xiàn)有的STM也有重大缺陷：（1）必須使用100V以上的高電壓才能工作，而高壓器件的使用必然帶來漏電流大、精度低、噪音高、溫漂大等問題（低壓器件電源電壓的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅為15V）；（2）不能測(cè)量弱導(dǎo)電或絕緣樣品；（3）核心體積大，不利于集成和極端環(huán)境化 本作品利用我們首次提出的橫向隧道節(jié)調(diào)節(jié)技術(shù)和低壓慣性步進(jìn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)全低壓STM（全部工作電壓小于15V），兩個(gè)全同掃描管并列靠近放置將熱漂移的影響降低到最低限度，精度、噪音、溫漂大大改進(jìn)，原子成像質(zhì)量顯著提高；二維方向步進(jìn)的慣性馬達(dá)也保證了本作品在低壓下的大范圍掃描能力。本作品的體積很小，核心部分的直徑僅為21mm，高度僅有45mm，極易于集成和極端環(huán)境化（比如植入52mm口徑的20T強(qiáng)磁場(chǎng)中，制成當(dāng)今世界最強(qiáng)磁場(chǎng)的STM，當(dāng)前國(guó)際最高磁場(chǎng)STM為15T(Y.J. Song et al., 2007 APS March Meeting L38.00004 “Design of a 20mK/15T STM system”)）。 我們自主開發(fā)的STM前置放大器（超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器）的電流分辨率優(yōu)于30fA，此前放和全低壓STM結(jié)合實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今國(guó)際最高隧道電流分辨率STM(目前最高電流分辨率為50-70fA(M.Carla et al., Rev. Sci. Instrum. 75, 497 (2004)；Appl. Surf. Sci. 175, 746 (2001)； D.Duniap et al., Rev. Sci. Instrum. 66 (10), 4876 (1995)))。 本作品的創(chuàng)新點(diǎn)： (1)國(guó)際上首次提出全低壓掃描探針顯微鏡概念，并首次利用壓電掃描管的大切向位移來調(diào)節(jié)探針-樣品間距（發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?00810023612.7），實(shí)現(xiàn)了全低壓STM，獲得了極清晰的原子圖像。 (2)核心體積小，直徑僅有21mm，高度僅為45mm，極易于集成和極端環(huán)境化，特別是可植入52mm口徑20T強(qiáng)磁場(chǎng)中，制成國(guó)際最高磁場(chǎng)STM。 (3)國(guó)際上首次制成電流分辨率好于30fA的STM，所用的STM前放為我們自主研制的“超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器”（發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?00810023611.2）。 (4)大范圍無間隙原子精度的樣品搜索功能使得STM在全低壓下也能實(shí)現(xiàn)大范圍掃描(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)? 200810194864.6) 關(guān)鍵技術(shù): (1)全低壓慣性步進(jìn)馬達(dá)：采用掃描管橫向形變遠(yuǎn)大于軸向形變的原理，研制成功能在4V的低壓下順利地行走的步進(jìn)馬達(dá)；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研制成功能同時(shí)沿探針方向和隧道節(jié)方向步進(jìn)的步進(jìn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了全低壓STM的大范圍掃描。 (2)縱橫轉(zhuǎn)置隧道結(jié)結(jié)構(gòu)：采用兩個(gè)完全相同的掃描管近距離平行固定于基座，極大地抵消熱脹冷縮影響，形成高穩(wěn)定STM。體積非常?。M向?qū)挾葍H為21mm），完全與20T的強(qiáng)磁場(chǎng)兼容（52mm孔徑）。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性很高。 (3)30fA超高電流分辨電流放大器：自主研制了“超低噪聲超高精度二級(jí)連配去偏壓互阻放大器”，其中探針接真地，消除了針尖電場(chǎng)，且當(dāng)R1、R2、R3、R4構(gòu)成的電橋調(diào)到平衡時(shí)，輸出不受偏壓影響且畸變極低，提高了電流測(cè)量分辨率。其電流分辨率已高于30fA。 本作品目前已發(fā)表兩片論文，申報(bào)3項(xiàng)發(fā)明專利。并且榮獲第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團(tuán)安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 現(xiàn)有的掃描隧道顯微鏡（STM）有如下重大缺陷：1.必須使用100V以上的高壓才能工作，而高壓器件的使用必然帶來漏電流大、精度低、噪音高、溫漂大等問題（低壓器件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅為15V）；2.不能測(cè)量弱導(dǎo)電或絕緣樣品；3.核心體積大，不利于集成和極端環(huán)境化。 本作品的目的就是要在上述幾方面都獲得突破,研制出國(guó)際第一個(gè)全低壓STM和國(guó)際最高電流分辨的30fA-STM(當(dāng)前國(guó)際最高STM分辨率為50fA，見參考文獻(xiàn)[1]）,推動(dòng)STM向絕緣體領(lǐng)域拓展，減小核心體積，以利于集成和極端環(huán)境化。 基本思路為：徹底放棄高壓的使用，包括所有高壓器件，和高壓信號(hào)，這就徹底杜絕了高壓器件帶來的漏電流、低精度、高噪音和高溫漂問題，可大大提高精度與穩(wěn)定性；并在全低壓（<15V）的超干凈電子電路體系基礎(chǔ)上進(jìn)一步研制更高電流分辨能力的STM電流放大器。 本作品的創(chuàng)新點(diǎn)： (1)國(guó)際上首次提出全低壓STM概念，并首次利用壓電掃描管的大切向位移來調(diào)節(jié)探針-樣品間距，實(shí)現(xiàn)了全低壓STM。 (2)核心體積小，易于集成和極端環(huán)境化，特別是可植入20T強(qiáng)磁場(chǎng)中，制成國(guó)際最高磁場(chǎng)STM。 (3)國(guó)際上首次制成電流分辨率好于30fA的STM，所用的STM前放為我們自主研制的“超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器” (4)大范圍無間隙原子精度的樣品搜索功能使得全低壓STM也能大范圍掃描 技術(shù)指標(biāo)： 1.全套STM的工作電壓小于15V. 2.隧道電流分辨率高于30fA.
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性先進(jìn)性: 1.全低壓STM為國(guó)際首次，精度、噪音、溫漂大大改進(jìn)，原子成像質(zhì)量顯著提高 2.好于30fA的電流分辨率也是國(guó)際首次，推動(dòng)STM向絕緣體領(lǐng)域拓展 3.極大的溫漂補(bǔ)償利于實(shí)時(shí)變溫測(cè)量 4.全低壓使其成本降低近10倍，利于普及 5.小體積，利于極端條件化 參考文獻(xiàn): [1] M.Carla etal.,Rev.Sci.Instrum.75,497(2004)；Appl.Surf.Sci.175,746(2001)；D.Duniap et al.,Rev.Sci.Instrum.66(10),4876(1995) [2] Y Hou et al.,Rev.Sci.Instrum.79,113707(2008) [3] Z Pang et al.,Meas.Sci.Technol.20(2009)065503 [4] Y.J. Song et al.,2007 APS March Meeting L38.00004
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品榮獲第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團(tuán)安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng) 論文： 1.All low voltage lateral junction scanning tunneling microscope with very high precision and stability, Rev.Sci.Instru. 79, 113707 (2008) 2.Fully low voltage and large area searching scanning tunneling microscope, Meas.Sci.Technol.20 (2009) 065503.
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作科研,成果共享;整機(jī)出售；技術(shù)轉(zhuǎn)讓；銷售提成；合伙經(jīng)營(yíng)。
作品可展示的形式
- 實(shí)物，圖紙，圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品的技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì) (1)國(guó)際首創(chuàng)橫向隧道節(jié)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了全低壓STM；兩個(gè)全同壓電掃描管并列靠近放置將熱漂移的影響減小到最低限度；核心體積小，易于集成和極端環(huán)境化；全套系統(tǒng)具有高穩(wěn)定、高精度和低噪音的優(yōu)點(diǎn)。 (2)大范圍搜索功能：既能沿樣品方向步進(jìn)也能沿隧道節(jié)方向步進(jìn)，大大提高了掃描范圍。 (3)自主開發(fā)出STM領(lǐng)域國(guó)際最高電流分辨率的前置放大器。 適用范圍：本作品適用于高要求的表面表征與微加工等科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，也適用于中、高級(jí)學(xué)校的教學(xué)。 推廣前景及模式:STM的主要用戶為物理、化學(xué)、材料、生物、冶金類科研單位，高校和研究所，高科技材料、器件和半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)對(duì)STM的需求量隨納米科技的發(fā)展而迅速增加。國(guó)內(nèi)對(duì)STM的購買多數(shù)為進(jìn)口，價(jià)格昂貴。本作品具有成為STM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的潛力，有望能逐漸取代現(xiàn)有大部分STM而成為未來市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。市場(chǎng)潛力很大。最重要的是，本作品最低要求制作的成本僅需3萬元。
同類課題研究水平概述
- 掃描隧道顯微鏡（STM）是一種既有原子分辨能力，又能進(jìn)行原子操縱、微納器件加工、和電子態(tài)密度（波函數(shù)）測(cè)量（從而與量子力學(xué)理論比較）的顯微、測(cè)微與控微裝置，并能被置入到各種極端物理環(huán)境中，所以是極關(guān)鍵的納米科技工具。但現(xiàn)有的STM具有如下重大缺陷：（1）需要使用高電壓（大于15V）才能工作，而高壓器件的使用必然帶來漏電流大、精度低、噪音高、溫漂大等問題；（2）不能測(cè)量弱導(dǎo)電或絕緣樣品。在測(cè)量精度方面，目前國(guó)際上達(dá)到的最高電流分辨率也只到50fA，遠(yuǎn)未達(dá)到測(cè)量絕緣樣品的能力（M.Carla et al., Rev. Sci. Instrum. 75, 497 (2004)；Appl. Surf. Sci. 175, 746 (2001)；以及D.Duniap et al., Rev. Sci. Instrum. 66 (10), 4876 (1995).）。 本作品采用自主設(shè)計(jì)的低電壓慣性步進(jìn)馬達(dá)以及全新的隧道結(jié)轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)克服了以往STM必須使用高電壓實(shí)現(xiàn)探針到樣品的逼近過程，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了STM在完全低壓（小于15V）下工作，獲得了極清晰的石墨原子圖像，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍無間隙原子精度的樣品搜索功能。 本作品采用自主研發(fā)的優(yōu)于30fA電流分辨率的“超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器”，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于30fA電流分辨率的STM，有望將STM向公認(rèn)禁區(qū)：不良導(dǎo)體與絕緣體領(lǐng)域拓展。 本作品具有結(jié)構(gòu)緊湊，小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，能夠很容易的移植到極端環(huán)境中（例如置于52毫米孔徑20特斯拉磁體中，制成國(guó)際最高磁場(chǎng)的STM。當(dāng)前記錄為15特斯拉STM，見Y.J. Song et al., 2007 APS March Meeting L38.00004 “Design of a 20 mK/15 T STM system”）； 本作品的成本降低了近10倍，極易于推廣，且更加安全。
