Сканирующий туннельный микроскоп

 

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 пьезоэлементов в виде дисков. Сканирующий туннельный микроскоп содержит дисковый биморфный пьезоэлемант 2, в центре которого закрепляется об

СОЮЗ С0ВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (дц 4 Н 01 1 37/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCH0MY Сн ИДЕТЕЛЫ,ТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4205117/24-21 (22) 06.03.87 (46) 23. 01, 89. Бюл. Р 3 (71) Институт физических проблем

АН СССР (72) М.С.Хайкин (53) 621.385.833(088.8) .(56) Gerber Ch., Binnig С et al.

Scanning tunneling microscope combined with à scanning electron microscope. Review of Scientific InsФгишепсз 57, 9 2, 221, 1986.

„.SU„„ 3453475 А1 (54) СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП (57) Изобретение относится к электронным приборам для исследования физических свойств поверхностей твердых тел. Целью изобретения являешься расширение поля наблюдения до 1000мкм за счет использования биморфных пьезоэлементов в виде дисков. Сканирующий туннельный микроскоп содерзит дисковый биморфный пьезоэлемент 2, в центре которого закрепляется об1453475 (разец 3, напротив которого установ,:лена измерительная игла 4, закрепленная в фиксаторе 5 на цилиндрическом пьеэоблоке 6, обеспечивающем перемещение иглы 4 по координате Z. Пьеэоблок 6 жестко закреплен на упругой мембране 7 и соединен гибким стержнем 8 с сердечником 9, соединенным упругими пластинами 10 с втулками

11, установленными в центрах дисковых

; биморфных пьезоэлементов 12. Сканирование игль1 по кадру вдоль поверх1 (Изобретение относится к электронным приборам для исследования физи ческих свойств поверхностей твердых тел и может использоваться в скани5

;рующих туннельных микроскопах с раз решающей способностью порядка разме ров атома.

Цель изобретения - расширение поля наблюдения до 1000 мкм — достига10 ется за счет использования биморфнык пьезоэлементов, в виде дисков, дефор мация которых под действием прило,женного электрического поля на два порядка превосходит деформацию пье зоэлементов, работаюших на попереч. Ном пьезомодуле, и обеспечения движения по двум координатам сердечника, на. котором установлен один из элект родов 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 плоскости, 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 пьезоэлементе 2 укреплен образец 3 так„ ности образца осуществляется за счет прогиба пьезоэлементов 12 под действием подаваемого на них пилообразно" го напряжения, которые через втулки

11 толкают упругие пластины 10. При движении сердечника 9 по оси Х другие две упругие пластины изгибаются, не препятствуя его перемещению. Устройство позволяет получить геометрические профили поверхностей образ-, цов на участках с размерами до

1000 мкм, 1 ил. что его можно установить на малом расстоянии от другого электрода— измерительной иглы 4. Игла 4 укреплена в фиксаторе 5 на цилиндрическом пьезоблоке 6, обеспечивающем ее перемещение по координате Z. Пьезоблок 6 жестко закреплен на упругой мембране

7 и, соединен гибким стержнем 8 с сердечником 9. Упругие пластины 10 соединяют сердечник 9 с втулками 1 1, 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

sa счет того, что биморфные пьезоэлементы 12, прогибаясь под действием

1 подаваемого на них пилообразного напряжения, через втулки 11 толкают упругие пластины 10 лежащие в плоскости XZ и сердечник 9 в направлении оси Х (биморфные пьезоэлементы включены в электрическую схему так, что прогибаются синхронно влево или вправо). При этих движениях (малой амплитуды) сердечника 9 по оси Х другие две упругие пластины, лежащие в плоскости YZ изгибаются и не препятствуют указанному движению сканирования в направлении Х. Другая пара биморфных пьезоэлементов аналогичным обра75 числами шагов сканирования по строкам и кадрам. При этом разрешение по оси 2, т.е. по гл1гбине профиля, может достигать .10 нм и быть понижено до О, 1-1 нм.

Составитель Д.Рау

Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Пилипенко

Редактор С.Патрушева

1 Заказ 7291/49 Тираж 694 ° Подписное

BHHHIIH Государственного комитета йо изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

14534 зом производят сканирование в направлении У, Движения сердечника 9 через упругий стержень 8 передаются пьеэоблоку 6, качающемуся около центра мембраны 7 вместе с укрепленными на

5 нем фиксатором 5 и измерительной иг лой 4. Благодаря малости амплитуды качаний, сканирование кончика иглы происходит по участку сферической поверхности, практически не отличающемуся от плоскости.

Штифт 13, зажатый между винтом

14 и сердечником 9, не препятствует сканированию в плоскости ХУ, но исключает возможность движения сердечника 9 в направлении оси 2 под действием помех от внешних вибраций. Пьезоблок 6 перемещает измерительную иглу

4 вдоль оси 2 под действием сигнала обратной связи, поддерживающего пос- . . тоянный туннельный ток между электродами, и, тем самым, постоянное рас« стояние между ними в процессе сканирования. 25

Использование изобретения позволяет получать геометрические профили (карты уровней) поверхностей металлов или полупроводников, а также карты их электронных свойств на участках с раз-З0 мерами от 100 нм .с атомным разрешением в плоскости XY до ". 100 мкм (и более) с разрешением, определяемым

Формула изобретения

Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий станину с закрепленным на ней узлом позиционирования образца и узлом перемещения по трем взаимно перпендикулярным координатам измерительной иглы, выполненным из трех взаимно перпендикулярных пьезоблоков, о т т и ч а ю шийся тем, .что, с целью расширения поля наблюдения до 1000 мкм, узел перемещения выполнен в виде сердечника, соединенного через радиально расположенные четыре упругие пластины с первым и вторым пьезоблоками, каждый из которых выполнен в виде двух вертикальных и диаметрально расположенных дискоебразных биморфных пьезоэлементов, закрепленных по периметру в станине, и расположенного над сердечником и соединенного с ним через упругий стержень третьего цилиндрического пьезоблока, верхний торец которого закреплен в горизонтальной упругой мембране и снабжен фиксатором измерительной иглы,