基本信息
- 项目名称：
- 全低压超精密扫描隧道显微镜
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 扫描隧道显微镜（STM）是一种既有原子分辨能力，又能进行原子操纵、微纳器件加工、和电子态密度测量的显微、测微与控微装置，并能被置入到各种极端物理环境中，是极关键的纳米科技工具。本作品采用国际首创的横向隧道节技术实现了全低压工作的扫描隧道显微镜（STM），其核心部分体积小，易于集成和极端环境化；由于是全低压环境，精度、噪音、温漂大大改进，原子成像质量显著提高；利用我们自主开发的优于30fA的前置放大器实现了当前国际最高隧道电流分辨率的STM，有助于将扫描隧道显微镜向弱导体和绝缘体领域拓展。
- 详细介绍：
- 扫描隧道显微镜（STM）是一种既有原子分辨能力，又能进行原子操纵、微纳器件加工、和电子态密度测量的显微、测微与控微装置，并能被置入到各种极端物理环境中，所以是极关键的纳米科技工具。但现有的STM也有重大缺陷：（1）必须使用100V以上的高电压才能工作，而高压器件的使用必然带来漏电流大、精度低、噪音高、温漂大等问题（低压器件电源电压的工业标准仅为15V）；（2）不能测量弱导电或绝缘样品；（3）核心体积大，不利于集成和极端环境化 本作品利用我们首次提出的横向隧道节调节技术和低压惯性步进马达实现了第一台全低压STM（全部工作电压小于15V），两个全同扫描管并列靠近放置将热漂移的影响降低到最低限度，精度、噪音、温漂大大改进，原子成像质量显著提高；二维方向步进的惯性马达也保证了本作品在低压下的大范围扫描能力。本作品的体积很小，核心部分的直径仅为21mm，高度仅有45mm，极易于集成和极端环境化（比如植入52mm口径的20T强磁场中，制成当今世界最强磁场的STM，当前国际最高磁场STM为15T(Y.J. Song et al., 2007 APS March Meeting L38.00004 “Design of a 20mK/15T STM system”)）。 我们自主开发的STM前置放大器（超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器）的电流分辨率优于30fA，此前放和全低压STM结合实现了当今国际最高隧道电流分辨率STM(目前最高电流分辨率为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)))。 本作品的创新点： (1)国际上首次提出全低压扫描探针显微镜概念，并首次利用压电扫描管的大切向位移来调节探针-样品间距（发明专利申请号200810023612.7），实现了全低压STM，获得了极清晰的原子图像。 (2)核心体积小，直径仅有21mm，高度仅为45mm，极易于集成和极端环境化，特别是可植入52mm口径20T强磁场中，制成国际最高磁场STM。 (3)国际上首次制成电流分辨率好于30fA的STM，所用的STM前放为我们自主研制的“超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器”（发明专利申请号：200810023611.2）。 (4)大范围无间隙原子精度的样品搜索功能使得STM在全低压下也能实现大范围扫描(发明专利申请号: 200810194864.6) 关键技术: (1)全低压惯性步进马达：采用扫描管横向形变远大于轴向形变的原理，研制成功能在4V的低压下顺利地行走的步进马达；并在此基础上进行改进，研制成功能同时沿探针方向和隧道节方向步进的步进马达，实现了全低压STM的大范围扫描。 (2)纵横转置隧道结结构：采用两个完全相同的扫描管近距离平行固定于基座，极大地抵消热胀冷缩影响，形成高稳定STM。体积非常小（横向宽度仅为21mm），完全与20T的强磁场兼容（52mm孔径）。结构简单，可靠性很高。 (3)30fA超高电流分辨电流放大器：自主研制了“超低噪声超高精度二级连配去偏压互阻放大器”，其中探针接真地，消除了针尖电场，且当R1、R2、R3、R4构成的电桥调到平衡时，输出不受偏压影响且畸变极低，提高了电流测量分辨率。其电流分辨率已高于30fA。 本作品目前已发表两片论文，申报3项发明专利。并且荣获第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 现有的扫描隧道显微镜（STM）有如下重大缺陷：1.必须使用100V以上的高压才能工作，而高压器件的使用必然带来漏电流大、精度低、噪音高、温漂大等问题（低压器件工业标准仅为15V）；2.不能测量弱导电或绝缘样品；3.核心体积大，不利于集成和极端环境化。 本作品的目的就是要在上述几方面都获得突破,研制出国际第一个全低压STM和国际最高电流分辨的30fA-STM(当前国际最高STM分辨率为50fA，见参考文献[1]）,推动STM向绝缘体领域拓展，减小核心体积，以利于集成和极端环境化。 基本思路为：彻底放弃高压的使用，包括所有高压器件，和高压信号，这就彻底杜绝了高压器件带来的漏电流、低精度、高噪音和高温漂问题，可大大提高精度与稳定性；并在全低压（<15V）的超干净电子电路体系基础上进一步研制更高电流分辨能力的STM电流放大器。 本作品的创新点： (1)国际上首次提出全低压STM概念，并首次利用压电扫描管的大切向位移来调节探针-样品间距，实现了全低压STM。 (2)核心体积小，易于集成和极端环境化，特别是可植入20T强磁场中，制成国际最高磁场STM。 (3)国际上首次制成电流分辨率好于30fA的STM，所用的STM前放为我们自主研制的“超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器” (4)大范围无间隙原子精度的样品搜索功能使得全低压STM也能大范围扫描 技术指标： 1.全套STM的工作电压小于15V. 2.隧道电流分辨率高于30fA.
科学性、先进性
- 科学性先进性: 1.全低压STM为国际首次，精度、噪音、温漂大大改进，原子成像质量显著提高 2.好于30fA的电流分辨率也是国际首次，推动STM向绝缘体领域拓展 3.极大的温漂补偿利于实时变温测量 4.全低压使其成本降低近10倍，利于普及 5.小体积，利于极端条件化 参考文献: [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
获奖情况及鉴定结果
- 本作品荣获第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖 论文： 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.
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作科研,成果共享;整机出售；技术转让；销售提成；合伙经营。
作品可展示的形式
- 实物，图纸，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的技术特点、优势 (1)国际首创横向隧道节结构,实现了全低压STM；两个全同压电扫描管并列靠近放置将热漂移的影响减小到最低限度；核心体积小，易于集成和极端环境化；全套系统具有高稳定、高精度和低噪音的优点。 (2)大范围搜索功能：既能沿样品方向步进也能沿隧道节方向步进，大大提高了扫描范围。 (3)自主开发出STM领域国际最高电流分辨率的前置放大器。 适用范围：本作品适用于高要求的表面表征与微加工等科学研究与工业应用领域，也适用于中、高级学校的教学。 推广前景及模式:STM的主要用户为物理、化学、材料、生物、冶金类科研单位，高校和研究所，高科技材料、器件和半导体工业等领域。国内对STM的需求量随纳米科技的发展而迅速增加。国内对STM的购买多数为进口，价格昂贵。本作品具有成为STM标准设计的潜力，有望能逐渐取代现有大部分STM而成为未来市场的主流产品。市场潜力很大。最重要的是，本作品最低要求制作的成本仅需3万元。
同类课题研究水平概述
- 扫描隧道显微镜（STM）是一种既有原子分辨能力，又能进行原子操纵、微纳器件加工、和电子态密度（波函数）测量（从而与量子力学理论比较）的显微、测微与控微装置，并能被置入到各种极端物理环境中，所以是极关键的纳米科技工具。但现有的STM具有如下重大缺陷：（1）需要使用高电压（大于15V）才能工作，而高压器件的使用必然带来漏电流大、精度低、噪音高、温漂大等问题；（2）不能测量弱导电或绝缘样品。在测量精度方面，目前国际上达到的最高电流分辨率也只到50fA，远未达到测量绝缘样品的能力（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).）。 本作品采用自主设计的低电压惯性步进马达以及全新的隧道结转置结构克服了以往STM必须使用高电压实现探针到样品的逼近过程，在世界上首次实现了STM在完全低压（小于15V）下工作，获得了极清晰的石墨原子图像，同时实现大范围无间隙原子精度的样品搜索功能。 本作品采用自主研发的优于30fA电流分辨率的“超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器”，在国际上首次实现了优于30fA电流分辨率的STM，有望将STM向公认禁区：不良导体与绝缘体领域拓展。 本作品具有结构紧凑，小尺寸的优点，能够很容易的移植到极端环境中（例如置于52毫米孔径20特斯拉磁体中，制成国际最高磁场的STM。当前记录为15特斯拉STM，见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，极易于推广，且更加安全。
