扫描探针显微镜以及用于测量局部电势场的方法与流程

本发明涉及扫描探针显微镜以及用于以纳米分辨率测量局部电势场的方法。

背景技术：

按照现有技术，要么经由所谓的局部接触势差测量（开尔文探针力显微镜（kelvinprobeforcemicroscopy，kpfm））要么经由对在试样（probe）中的电荷与在金属尖端中由于感应而感生的像电荷之间的力的直接测量（静电力显微镜（electrostaticforcemicroscopy,efm））来以纳米分辨率利用扫描探针显微镜进行对电势或电场的测量。（s.sadewasser,t.glatzel,eds.kelvinprobeforcemicroscopy.springerverlagberlinheidelberg2012。j.colchero,a.gil和a.m.baró,“resolutionenhancementandimproveddatainterpretationinelectrostaticforcemicroscopy”,physicalrev.b64,245403(2001)。）

然而缺点与按照现有技术的方法相关联。在efm中也测量力，所述力对扫描力显微镜的尖端的较远的部分起作用，因为电场是远程的，而在kpfm中，所测量的接触势差受扫描探针显微镜的尖端的也较远的部分影响。因此，金属尖端的大小、尤其尖端半径限制相应的测量的可达的横向分辨率，所述尖端半径不能显著低于30nm。所述限制不仅对于开尔文探针力显微镜kpfm而且对于静电力显微镜efm是给定的。在efm的情况下不利的是，仅能够测量力，然而不能测量电场和势差，并且因此电场的确定是困难的，因为不能测量关于在尖端中所感应的电荷的安全的独立的信息。在kpfm的情况下不利的是，测量的分辨率与尖端距要检查的试样的间隔以及与尖端半径有关。因此，利用kpfm也仅能测量接触势差在试样表面上的二维图，所述二维图不能没有问题地被扩展到与试样表面垂直的第三维度中。

此外，利用扫描力显微镜所测量的力是非特定的，使得在efm中除了应当定量地被检测的电力外，也检测所有其他起作用的力、诸如范德华力。

于是测量总力。如果电力的提取或测定是完全可能的，那么因此所述电力的提取或测定需要耗费的分析方法。特别是当围绕纳米结构的局部电势场应当被测量时并且当其他力、如范德华力示出与横向位置小得多的横向相关性，但是可能比电力强得多时，该缺点显得难解决。于是，所搜寻的信号必须被确定为到大信号上的小的调制，这提出在测量技术上的问题。

技术实现要素：

本发明的任务是，消除现有技术的缺点。尤其应当防止：影响对与尖端的尖的端部相距较远的尖端部分、例如尖端的经倒圆的较宽区域的测量，因为尖端在实际中不是理想的尖的或者圆锥形的。测量的空间分辨率应当被提高。测量的分辨率尤其应当与尖端半径并且与尖端与要研究的试样的间隔无关。尤其，应当也可以测量势场的三维图。此外与efm不同地，应当测量电势场而不是电力。利用按照本发明的扫描探针显微镜和按照本发明的方法应当尤其使得能够仅仅测量电势场。对其他力场或势场、诸如范德华互相作用在测量技术上的检测应当被禁止，使得仅仅电势场由扫描探针显微镜测量检测。

以权利要求1和并列权利要求的前序部分为出发点，按照本发明利用在所述权利要求的特征部分中所说明的特征解决所述任务。

利用按照本发明的设备和按照本发明的方法现在有可能的是：测量电势场并且能够实现电势场的测量的较高空间分辨率。与尖端的端点相距较远的尖端部分不再影响测量，使得分辨率比按照根据现有技术的设备和方法变得更好。按照本发明的设备和按照本发明的方法的分辨率可以与到试样表面的间隔无关地达到0.5nm。按照本发明的设备和按照本发明的方法尤其使得能够测量势场的三维图。按照本发明的设备和按照本发明的方法尤其使得能够在测量时仅仅检测电势场，使得外来干扰影响、诸如范德华相互作用被消除，并且测量结果不失真。

在从属权利要求中说明本发明的有利的改进方案。

随后，本发明应当以其一般性的形式被表示，所述形式可以被解释为非限制的。

附图说明

图以示意性形式示出按照本发明的设备和本发明的细节。

图1a、1b在两个可能的实施方案中示出按照本发明的扫描探针显微镜的尖端的示意图。

图2a、2b、2c、2d、2e通过与电路比较示出扫描探针显微镜的按照本发明的经修改的尖端的工作原理的图解。

图3a、3b、3c示出按照本发明的电势场测量的原理的图解。

图4a示出在分子之上的电势场的示例性变化过程。

图4b-4m以与在图4n-4p中的模拟比较的方式示出分子之上的测量值。

图5示出用于确定所施加的电压的测量曲线，所述电压导致量子点的电荷变化（要么接纳要么发出电子）。

图6示出在存在和不存在扫描探针显微镜的接地的金属尖端情况下位于试样表面上的点电荷的局部电势场的变化过程和通过接地的金属尖端的局部电势场的屏蔽因子s的变化过程。

图7示出门控效率（gatingeffizienz）g的变化过程、局部电势场的屏蔽因子s的变化过程和局部电势场的测量的灵敏度因子r的倒值的变化过程。

图8示出用于针对在尖端和试样之间的不同的间隔测量局部电势场的校准线场。

图9示出用于借助于理论计算来对电势场的测量进行校准的成像。

图10示出在试样上方的电势场的所测量的等势线。

具体实施方式

图1a示出按照本发明的扫描探针显微镜的尖端1，量子点2固定在所述尖端1处。试样表面3位于具有量子点2的尖端1之下。试样表面3和尖端1经由电压源4彼此连接。

图1b示出按照本发明的扫描探针显微镜的变型方案，所述扫描探针显微镜由在试样表面3之上的尖端1和量子点2组成。在该变型方案的情况下，电压源4的电压被施加在尖端1和另一电极5之间，所述另一电极引向量子点2。

在图2a、2b、2c、2d、2e中，相同的设备特征具有相同的附图标记。子图a）和c）对应于图1中的子图a）和b）。在图2b中以等效电路的形式示出由尖端1、量子点2和试样表面3组成的组合，所述等效电路具有电容器6和电容器7，其中隧道电流有可能通过所述电容器6，隧道电流要么有可能通过所述电容器7要么不可能通过所述电容器7。隧道电流通过电容器7对于按照本发明的设备和按照本发明的方法的功能既不是必要也不是有害的。电容器6在图2a和图2c中对应于由尖端1和量子点2组成的组合。电容器7在图2a中对应于由试样表面3和量子点2组成的组合，而电容器7在图2c中对应于由电极5和量子点2组成的组合。4表示电压源。图2d对应于图2a，其中在试样表面3上具有附加的纳米结构8，所述纳米结构8的局部电势场应当被测量。图2e对应于图2c，其中在试样表面3上具有附加的纳米结构8，所述纳米结构8的局部电势场应当被测量。

图3a、3b、3c示出尖端1、量子点2、试样表面3的能量示意图。在此，基于如在图1a中示出的按照本发明的设备的配置，而这不意味着限制本发明的作用原理。附加地，图3c包含纳米结构8。纳米结构8这里简化地通过单个点电荷代表。在图3a中，量子点2的能量级l分配给电子。量子点的该状态用“n”表示。在图3b中，电压vcrit⁰被施加在尖端和试样表面3之间，使得量子点2的能量级l被放电（在图2a中位于量子点2中的电子转移到尖端1中）。量子点的该状态以“n-1”表示。在图3c中，纳米结构8位于尖端1和试样表面3之间，通过点电荷代表。所述纳米结构通过其局部电势场来修改在尖端1和试样表面3之间、尤其在量子点2的地点处的电势变化过程，使得尽管在尖端1和试样表面3之间一如既往地施加相同的电压vcrit⁰，量子点2的能量级l再次被充电，并且因此量子点2返回到状态“n”。

在图4a中示意性地示出在纳米结构8（在该情况下ptcda分子8）上的电势9的横向变化过程。量子点2被实现为ptcda分子2。在图4b至4g中，在试样表面3上示出在尖端1的三个不同高度ztip的情况下在纳米结构8之上的临界电压的偏移δvcrit的图。在此，图4b、4c和4d涉及负临界电压vcrit^0,−，而图4e、4f和4g涉及正临界电压vcrit^0,+。图4h至4m按照形貌的信号（图4h、4i和4j）和电势场（4k、4l和4m）分开地示出来自图4b至4g的数据。在图4h、4i和4j中的灰度级对应于以å为单位的形貌的值。在图4k、4l、4m中的灰度级对应于按照图9中的方法校准的电势的值。利用方法v1在如图1a/2d中的测量装置中记录了在图4b至4g中的图。图4n、4o、和4p中的图是ptcda的局部电势的模拟计算。

图5a在横坐标中示出借助于在图1a中的电压源施加的电压（以mv为单位）并且在纵坐标中示出频率调制的扫描力显微镜的频移（以hz为单位）。在尖端1和试样表面3的不同的间隔的情况下记录了不同的曲线10。峰值10a标记在负临界电压vcrit⁰时量子点2的电荷变化，所述负临界电压用vcrit^0,-表示。峰值10b标记在正临界电压vcrit⁰时量子点2的电荷变化，所述正临界电压用vcrit^0,+表示。图5b示出在尖端1和试样表面3之间的间隔与正和负临界电压的差δvcrit⁰=vcrit^0,+-vcrit^0,-之间的关系。图5c示出在尖端1和试样表面3之间的间隔与负临界电压vcrit^0,-之间的关系。虚线箭头阐述按照段落（m7）在电势场和形貌之间的分开方法。

在图6中以距试样表面3为3å的间隔的方式示出纳米结构8（这里由点电荷8代表）的电势场（在纵坐标上）的经分析计算的变化过程，而且沿着通过点电荷的直线并且与试样表面3垂直。在所述直线上的z坐标被绘制在横坐标上。点z=0处于试样表面3中。曲线13涉及不存在尖端1并且不存在量子点2的情况。于是对于z=∞，电势达到值0。曲线14涉及在z=30å时有接地的金属尖端1的情况。尖端1被假定为平坦的无穷扩展的电极。接地的尖端1在z=30å时将电势拉到值0。这在直线上的所有值z的情况下减少电势的值。曲线15示出曲线14和13之间的商（quotienten）并且因此说明与z相关的屏蔽因子s，接地的尖端1以所述屏蔽因子s屏蔽在z情况下的局部电势场。s可以采取0和1之间的值，其中小的屏蔽因子意味着大的屏蔽。可以通过点电荷的电势场的叠加来计算用于纳米结构8的任意电荷分布的电势场的屏蔽因子。

图7在尖端1和试样表面3之间的30å的恒定间隔的情况下，在纵坐标上对于量子点2根据其在尖端1和试样表面3之间的位置示出灵敏度因子r的倒值（曲线17）。灵敏度因子r被定义为在为了在尖端1的化学势上保持量子点2的能量级l需要的临界电压偏移δvcrit与在量子点2的地点处局部电势的变化之间的比例。对于作为量子点的按比例画入的ptcda分子，r^-1≈0.38，这对应于r≈2.5。灵敏度因子r作为r=s/g得出，其中g是门控效率（曲线16）并且s是局部电势（曲线15，来自图6）的屏蔽因子。门控效率g被定义为在施加在试样表面3和尖端1之间的电压与由此降落在量子点2和尖端1之间的电压的反商。在该图中，尖端1被假定为了平坦的、无穷地扩展的电极。此外已假定，在等效电路图图2b中的电容器6和7的电容随着有效的板间隔以相同的方式提高。在这些假设下，g随着量子点2的位置线性伸展。

图8示出用于定量地确定局部电势场φloc(r)的倒数灵敏度因子r^-1(ztip,d)的校准线场。ztip是在尖端1和试样表面3之间的间隔，d是在量子点2和尖端1之间的间隔。曲线18中的每一个均涉及d。对于12å的间隔d确定了最上面的曲线，对于1å的间隔d确定了下面的曲线。对于处于此之间的曲线，d从下向上逐曲线地分别升高1å。按照本发明的设备和按照本发明的方法的直接的测量参量始终是δvcrit(r)，对于量子点2的每个电荷变化有一个。基于关系φloc(r)=r^-1(ztip,d)δvcrit(r)可以在得知校准线场的情况下定量地确定局部电势φloc(r)。由如在图6中所计算的屏蔽因子和如在图7中所计算的门控效率g按照r(ztip,d)=s(z)/g(ztip,d)确定了校准线场，其中d=ztip-z适用。

图9示出用于借助于理论计算对局部电势场的测量进行校准的成像。图9a至9c对于在ag(111)表面（=试样表面3）上的ag吸附原子（adatom）（=纳米结构8）以距试样表面3的三个不同的间隔z测量地示出临界电压δvcrit^gauge的偏移的所测量的图，其应当被用于校准（图9a：z=21å、图9b：z=29å、图9c：z=37å）。适用的是z=ztip-d。在相应的比例尺旁左侧说明以mv为单位的δvcrit^gauge的相应的灰度梯级。图9d作为十字包含δvcrit^gauge在z情况下垂直于吸附原子地从图9a至9c中的图取得的值。此外，图9d作为曲线21包含在给定的z处垂直于吸附原子的局部电势φloc^gauge，其借助于密度函数理论（dichtefuntionaltheorie）算出。通过应用在平坦的无穷地扩展的尖端1的模型中算出的灵敏度因子r，可以按照φloc(r)=r^-1(z,d)δvcrit^gauge(r)从临界电压δvcrit^gauge(r)的偏移确定局部电势φloc(r)。垂直于吸附电子的这样确定的值φloc在图9d中作为圆圈被画入。作为曲线22借助于方程式（z-z0）^-2对于吸附原子的偶极子场的电势的期望的性质示出拟合（fit），所述偶极子场构造在金属表面上的斯莫鲁霍夫斯基偶极子（smoluchowskidipol）。曲线21和圆圈之间的区别源出于以下因子，所述因子不被包含在按照平坦的无穷扩展的尖端1的模型算出的灵敏度因子r中。这些因子之一是在实际上弯曲的尖端1附近的场超高（feldüberhöhung），另一因子是在等效电路图图2b中的电容器6和7的电容根据其板间隔的不同升高。两个因子可以被概括成校准因子k(z)。所述因子k(z)在图9d中作为曲线23示出。借助于k(z)，对于在图9a至9c中的图可以关于参考点说明电势的绝对mv尺度（skala）：φloc^gauge(r)=r^-1(z,d)k(z)δvcrit^gauge(r)，其中r(z,d)是按照平坦的无穷扩展的尖端1的模型算出的灵敏度因子。在图9a至9c中在所述比例尺旁右侧说明所述尺度。k(z)仅与由尖端1和量子点2组成的系统的几何形状有关，并且在第一近似中与纳米结构8无关，因此可以被传输到任意的纳米结构8上（只要所述纳米结构利用相同的尖端被测量），以便因此按照φloc(r)=r^-1(z,d)k(z)δvcrit(r)计算所检定的局部电势，其中r(z,d)是按照平坦的无穷扩展的尖端1的模型算出的灵敏度因子。以这种方式，确定出在图4k、4l和4m中对于作为纳米结构8的ptcda分子的电势场的绝对尺度。

图10a示出在ag（111）表面上的多个ptcda小岛的扫描隧道显微镜图像。未遮盖的ag（111）表面在小岛之间是可见的。图10c和10d示出与图10a相同的试样和相同的图像片段。利用具有商业通用的q脉冲传感器的动态扫描力显微镜记录了图10c和10d，ptcda分子作为量子点2位于所述扫描力显微镜的尖端处。在图10c和10d中的灰度梯级示出q脉冲传感器的频移。用于图10c和10d的记录方法是在（v2）中描述的方法。图10b根据借助于电压源4所施加的电压示出频移的两个测量曲线。在未遮盖的ag（111）表面上记录了曲线19，在ptcda小岛上在中心记录了曲线20。ptcda小岛可以被解释为纳米结构8，而未遮盖的ag（111）表面对应于试样表面3。根据定义，因此在vcrit^0,-时，进行在未遮盖的ag（111）表面上方的量子点2的电荷变化。vcrit^0,-对应于在图10中的横坐标上曲线19的最小值的位置。通过选择借助于电压源4（图1a）施加的电压，可以规定要成像的等势线的电势。在图10c中选择了-1000mv作为所施加的电压。因此在图10c中的等势线的电势是φloc=r^-1（vcrit^0,-+1000mv）。在图10d中选择了-900mv作为所施加的电压。在图10d中的等势线的电势是φloc=r^-1（vcrit^0,-+900mv）。

按照本发明提供扫描探针显微镜，量子点被安置在所述扫描探针显微镜的尖端处。因此，本发明的主题是扫描探针显微镜以及用于利用该扫描探针显微镜测量电势场的方法，其中量子点被定位或安置在所述扫描探针显微镜的尖端处。在本发明的一种特别的扩展方案中，扫描探针显微镜也可以是扫描力显微镜，所述扫描力显微镜是扫描探针显微镜的特定实施方式。

概念量子点对于本领域技术人员是已知的。量子点可以被理解为功能概念。这涉及在空间上受限制的结构，在其中电子采取离散能量值。

可以通过所有介质（mittel）实现量子点，所述介质实现所述特性。

所述介质可以是物质或设备。

在物质的情况下，可以示例性地但是非限制性地提及以下物质或物质类。原则上考虑有机、金属有机或无机材料。

作为物质可以考虑材料的所有分子或空间受限制的布置，它们满足以下准则：实现量子点的特性。在此重要的是，在受限制的空间区域中对电子确定位置。

材料的空间受限制的布置可以是在原子方面或分子方面有序的或无序的。

材料的空间受限制的布置可以是纳米晶体、有序的或无序的团簇、纳米管、例如碳纳米管（cnt）或光刻结构。

纳米晶体例如可以是尤其但是不必要具有由有机配体组成的壳层的金属团簇、具有或不具有掺杂的半导体纳米结构、尤其纳米线、以及分子的团簇或纳米晶体。

分子可以是有机的、生物有机的、无机的或金属有机的分子、诸如金属络合物、金属茂络合物、芳香族分子、稠合芳香族分子或脂肪族分子和其衍生物，具有或不具有杂原子、例如o、n、s或p（例如如在图4a中示出的，3,4,9,10-苝四甲酸二酐（ptcda））。

量子点的同样可能的实现方案是以下设备，所述设备使得能够在适当的材料中将电子气限制到受限制的空间区域上。所述设备可以包含适当的微或纳米级电极，所述电极利用其电场在适当的材料中产生电子气的空间限制。适当的材料例如是掺杂的半导体、石墨烯（graphen）、硅烯（silizen）或其他二维材料或者物质，在所述适当的材料中可以借助于这样的电极产生电子气的空间限制。其他适当的设备可以是以光刻方式适当地结构化的材料。适当的光刻结构也可以直接地结构化到扫描探针显微镜的尖端中。

在特别有利的实现方案中，在扫描探针显微镜的导电尖端和量子点之间的接触部在机械和化学上是稳定的，使得在扫描过程期间量子点在尖端处保持不移动。在特别有利的实现方案中，接触部（kontakt）此外具有以下特性，即所述接触部是隧道势垒（tunnelbarriere），使得量子点到金属尖端的电子储层上的电子耦合是小的。隧道势垒在图2b中在功能上对应于电容器6。这导致：量子点在尖端处特别良好地保留其作为量子点的特性。具体地，这可以通过与尖端的适当的化学键或通过在量子点和金属尖端之间的薄的电绝缘层来实现。化学键可以被理解为在尖端和量子点之间的化学键。绝缘层可以通过不同的构型、例如盐、氧化物或其他绝缘体来实现。在存在分子或纳米晶体作为量子点的情况下，其一部分也可以承担绝缘层的功能。这可以是杂原子、诸如o、s、n或p或者是量子点的结构子单元。在ptcda分子作为量子点（图4a）的情况下，绝缘体通过氧原子以及其到尖端上的化学键来实现。

在特别有利的实现方案中，量子点的空间扩展是小的，使得空间区域是尽可能小的，但是同时是足够大的，使得量子点的离散能量级在能量轴上不彼此相距太远，以便可以使具有适度的电压（按照小于几10v的数值）的所述级别中的至少一个向尖端的化学势偏移，其中电势场在所述空间区域上被取平均。空间区域对应于量子点的大小，其中电势在所述空间区域上被取平均。在特别有利的实现方案中，这通过紧凑的、优选地芳香族分子实现，由此空间区域的扩展可以达到向下直至0.5nm的值，其中在所述空间区域上取平均。

可以通过化学或物理（例如分散力）键来将量子点固定到金属尖端上。量子点可以要么利用扫描探针显微镜的尖端由基体（unterlage）接纳，要么直接地在尖端处被制造。为此一方面提供借助于扫描探针方法的所建立的操纵方法，另一方面提供（半导体）纳米结构的外延生长、光刻结构化方法或催化生长的所建立的方法。所述固定的特别有利的实现方案将机械和化学稳定性与电绝缘特性组合，并且在空间上限制到一个或几个原子的大小。

在执行按照本发明的方法时，扫描探针显微镜的加载有量子点的尖端被引导到要研究的试样（probe）上方。在此发生电势场的测量，其方式是在不同的点处相继地测量电势。在以下段落中（p1至p6）经由物理工作原理更准确地描述在给定的点处电势的测量。

（p1）通过借助于电压源4所施加的电压可以相对于尖端1的化学势偏移量子点2的能量级，这被称作门控（gating）。因此，可以控制用电子对量子点的占据（besetzung）。图1示出两种可能性：可以如何借助于电压源4要么在尖端1和试样表面3之间（图1a）要么在尖端1和引向量子点的电极5之间施加电压。在这不应当是限制性的情况下，按照现有技术的多尖端扫描探针显微镜是在图1b中的测量装置的可能的实现方案。多尖端扫描探针显微镜的尖端之一在此被用作尖端1，另一个被用作电极5。

（p2）尤其可以选择借助于电压源4施加的电压，使得使量子点2的能量级之一（能量级l）向尖端1的化学势偏移（图3b）。于是发生量子点2的电荷变化（要么电子的接纳要么发出；在图3b中示出电子的发出；而这不是限制性的）。如果量子点2在空间中处于以下点处，即在所述点处不存在要测量的电势，那么对于量子点2的电荷变化（要么由于电子的接纳要么由于发出）所需要的、借助于电压源4施加的电压是vcrit⁰。vcrit⁰可以是正的或负的。正的vcrit⁰用vcrit^0,+表示，负的vcrit⁰用vcrit^0,-表示。

（p3）如果使具有量子点2的尖端1向以下点移动，即在所述点处存在要测量的局部电势，则在量子点2的地点处由于借助于电压源4施加的电压存在的外部电势与源出于纳米结构8的要测量的局部电势叠加（图3c），所述局部电势例如通过纳米结构8的确定的电荷分布产生，所述纳米结构位于试样表面3上或者位于试样表面3中。由此，借助于电压源4施加的临界电压被改变，在所述临界电压的情况下量子点2的能量级l被充电或放电。新的值vcrit相比于δvcrit⁰相差δvcrit、也即vcrit=vcrit⁰+δvcrit。因此，量子点2履行选择性传感器用于要测量的局部电势的功能。从电压变化vcrit可以定量地回算出局部电势，参见在说明书的该段落中的点（p6）。

（p4）对于借助于量子点2对局部电势的测量决定性的以下可能性：准确地确定在量子点的借助于电压源4施加的哪个电压vcrit或vcrit⁰的情况下经历电荷变化（要么电子的接纳要么发出）。这例如可以通过力测量发生，而这不是限制性的。在该情况下，尖端1必须是扫描力显微镜的尖端。其他探测方法是可能的。

（p5）如果应当借助于力测量确定外部施加的电场，其中量子点2经历电荷变化（要么电子的接纳要么发出），那么这可以以下方法来实施：由于量子点的电荷变化，在扫描力显微镜的尖端附近的电荷分布变化。由此引起作用于尖端的力的跳跃式变化。所述跳跃式变化可以通过扫描力显微镜的力测量系统来测量（图5a）。因此，局部电势的要测量的信号选择性地被转换为可测量的力。因此量子点2履行信号变换器的功能，其方式是所述量子点将局部电势转换为力信号，基本上通过量子点2的特性、较少地通过局部电势自身对所述力信号产生影响。

（p6）借助于电压源4施加的电压vcrit的改变δvcrit允许定量地确定局部电势φloc，其中量子点2经历电荷变化（要么电子的接纳要么发出）。以下描述用于量化局部电势的方法：

应给定通过纳米结构8产生的局部电势场φloc(r)，所述局部电势场应当被测量。为此，具有量子点2的尖端1被定位，使得量子点2相继地被带到地点r。在每个r的情况下，按照段落p3确定δvcrit(r)。在地点r处外部电势的变化δφext(r)对应于电压变化δvcrit(r)。因为对于给定的n和m对于所有的地点r在相同的总电势φloc(r)+δφext(r)的情况下进行量子点2的电荷变化，其中所述量子点2的总电子数从n向m变化（其中|n-m|=1适用），所以关于在参考测量的地点r0处的局部电势φloc(r0)，可以从δvcrit(r)原则上推断出在任意地点r处的局部电势φloc(r)，在所述地点r0处临界电压具有值vcrit⁰。

由尖端1、量子点2和试样表面3组成的测量装置的几何形状对于φloc(r)的实际确定是相关的，而且出于以下三个原因：

第一，接地的金属尖端1在点r附近的在场（gegenwart）将在该地点r处的实际电势改变为新的值φ*loc(r)，其中要测量的电势φloc(r)位于所述点r处。原因如下：在没有尖端1的情况下，在常规的定义中电势φloc(r)在无穷处消失。在具有尖端1的情况下，电势的消失被转移到尖端1的地点上。这使局部电势场φloc(r)的等势线失真，因为所述等势线必须就在金属尖端1附近与尖端1的表面平行地伸展。

然而，局部电势从φloc(r)到φ*loc(r)的这种改变不是问题，因为在得知尖端几何形状的情况下可以算出局部电势的这种改变。改变可以通过与地点有关的屏蔽因子s(r)来给定：φ*loc(r)=s(r)φloc(r)。在图6中示出针对点电荷的屏蔽因子s(r)的示例性计算。在此采取了平坦的无穷扩展的尖端1。对于这样的尖端，屏蔽因子s与横向坐标x和y的相关性对于不太小的z是弱的，也即s(r)≈s(z)。每当在测量的地点处的局部电势场的等势线仅弱地弯曲并且几乎与尖端1的表面平行地伸展时，这尤其适用。对于其他尖端几何形状和纳米结构8的电荷分布，屏蔽因子s(r)可以利用静电学的标准方法（边值问题）来计算。在此，每个纳米结构8的电荷分布可以被表示为关于点电荷的总和。因为的确由纳米结构8引起的局部电势按定义地鉴于相对于尖端1的曲率半径小的长度尺度显著地改变，所以以以下为出发点：平坦的无穷地扩展的尖端1的假定是非常好的近似。

第二，电压变化δvcrit(r)的在量子点2和尖端1之间有效的分量δφext(r)与测量装置的几何形状有关，所述测量装置由尖端1、量子点2和试样表面3组成。对于图1中的测量装置，所述分量由门控效率g：δφext(r)=g(r)δvcrit(r)给定。这可以直接由成像3推断，对于所述成像适用的是：δel=gevcrit和δel=eφext，其中e是元电荷。

门控效率g是测量装置的几何形状和在等效电路图图2b中的电容器的电容的函数，所述测量装置由尖端1、量子点2和试样表面3或者电极5组成。在任何情况下，如果纳米结构8处于试样表面3中、也即不具有与试样表面3不同的形貌，那么门控效率g与在具有纳米结构8的试样表面3之上的尖端1的横向位置无关，因为试样表面3是平坦地和横向无穷地扩展的。对于图1b中的测量装置，门控效率g此外与在尖端1和试样表面3之间的间隔和纳米结构8的可能的形貌特性无关。对于在图1a中的测量装置，门控效率g与ztip（定义为在尖端1和试样表面3之间的间隔）和d（定义为量子点2和尖端1之间的间隔）有关，并且也与纳米结构8的形貌有关。在图7中示出对于ztip的固定的值在图1a中的测量装置中门控效率g(ztip,d)的示例性计算。在此采取了平坦的无穷扩展的尖端1。由于关系d=ztip-z，门控效率g也可以被写为z和d的函数。

由在地点r=(x,y,z)处局部电势的屏蔽因子s(r)和门控效率g(ztip,d)可以算出灵敏度因子r(r,ztip,d)=s(r)/g(ztip,d)。值r的灵敏度因子说明，需要借助于电压源4所施加的电压δ(δvcrit）=rδφloc，以便在不存在尖端1和量子点2的情况下来均衡局部电势δφloc的变化。由于关系d=ztip-z，灵敏度因子r也可以被写作r和d的函数：r(r,d)=s(r)/g(z,d)。如果s(r)≈s(z)，那么由此变得r(z,d)=s(z)/g(z,d)。r(z,d)=s(z)/g(z,d)的倒数值在图7中作为曲线17示出。

借助于灵敏度因子r，可以从δvcrit（r）如下关于在r0情况下的值φloc(r0)确定局部电势φloc(r)：φloc(r)=r^-1(r,d)δvcrit(r)，在所述值r0处确定了vcrit⁰。如果s(r)≈s(z)，那么适用的是：φloc(r)=r^-1(z,d)δvcrit(r)，或者以其他写法φloc(r)=r^-1(ztip,d)δvcrit(r)。可以从校准线场取得灵敏度因子r。在图8中示出这样的校准线场。在那里根据在横坐标上的ztip示出在纵坐标上示出r^-1(ztip,d)。示出的校准曲线18中的每一个均适用于在尖端1和量子点2之间的其他间隔d。对于平坦的无穷扩展的尖端1计算了图8中的校准线场。对于其他尖端几何形状和纳米结构8的电荷分布，可以利用静电学的标准方法（边值问题）计算校准线场r^-1。

第三，要注意到的是，在得知正确的灵敏度因子r(r,d)的情况下，在原则上可以总是通过φloc(r)=r^-1(r,d)δvcrit(r)关于在r0情况下的值φloc(r0)确定局部电势场。然而要考虑的是，借助于平坦的无穷地扩展的尖端1的模型确定门控效率g（如在图7中发生的那样）仅在特殊情况下是允许的。原因如下：因为源出于借助于电压源4施加的电压δvcrit的势场δφext(r)由于试样表面3的宏观扩展具有宏观维度，所以鉴于这种直线比例尺（längenmaßstab），尖端1的有限的曲率半径不可忽略。因此在尖端附近并且因此也在量子点2的位置处发生场超高，在所述量子点处测量电势，所述场超高超过按照平坦的无穷扩展的尖端1的模型所确定的g的值提高实际的门控效率g。与此相应地，降低灵敏度因子r(r,d)=s(r)/g(z,d)。

通过弯曲的、圆锥形的或此外不管以什么方式成形的尖端的场超高，可以在较准确地得知其几何形状的情况下利用静电学的标准方法（边值问题）来确定。可替代地，可以检定未知几何形状的给定的尖端，其方式是首先确定关于纳米结构的δvcrit^gauge，其局部势场φgauge(r)（例如由理论计算）是已知的。因此，可以通过k(r)=φgauge(r)/(r^-1(r,d)δvcrit^gauge(r))来确定校准因子k，其中r^-1(r,d)是按照平坦的无穷扩展的尖端1的模型确定的灵敏度因子。所述校准因子k于是可以被用于按照φloc(r)=r^-1(r,d)k(r)δvcrit(r)来确定任意纳米结构8的局部电势场。在图9中示出这样的校准的示例。

本发明的主要特征是：

（m1）可以以无电流的方式进行量子点2的能量级的偏移，因此也对于在尖端1和试样表面3之间的大的间隔来进行，其中隧道电流不再在试样表面3和量子点2之间（图2b中电容器7）之间流动。由此，电势场也可以远离试样表面地或者在电绝缘试样上方被确定。此外，对于按照本发明的设备和按照本发明的方法不再需要试样表面3的无论如何形成的信号。因此，可以完全无接触地在自由空间中测量电势场。试样表面3仅仅具有以下目的：用作用于纳米结构8的支承物（auflage）并且在图2d中的测量装置中也用作对应电极。在图2e中的测量装置中，试样表面不需要作为对应电极，并且仅用作用于纳米结构8的支承物。如果在图2e中的测量装置中不需要用于纳米结构的支承物，那么试样表面3是完全不是必要的。因此不仅在图1a/2d中的测量装置中而且在图1b/2e中的测量装置中得出以下可能性：在试样表面3之上的完整半空间中逐层地对在那里由例如位于试样表面3上或位于试样表面3中的纳米结构8的电荷分布所引起的电势场成像，并且因此产生电势场的三维图。通过使用在图1b/2e中成像的测量装置，用于测量电势场的按照本发明的方法也可以被应用于不导电的试样。

（m2）量子点2的能量级在能量轴上是足够敏锐（scharf）的。这通过量子点2到金属尖端1的电子储层上的弱电子耦合实现。具体地，这也可以通过薄的绝缘层或在量子点2和金属尖端1之间的适当的键来实现。

（m3）通过量子点2的足够敏锐的能量级，可以测量借助于电压源4施加的电压的非常小的改变（1mv数量级），其中量子点2经历电荷变化（电子的接纳或发出），并且因此可以测量非常小的局部电势场。

（m4）量子点2作为用于电势场的局部探针起作用。仅在量子点2的空间区域中的取平均的电势场影响测量。

（m5）量子点2作为过滤器起作用。仅导致在量子点2中的电荷变化的势场类型可以被测量。仅仅对尖端1的较远的部分起作用的所有其他力和势场、尤其电力和电势场不影响测量信号。

（m6）量子点2作为放大器起作用。只要局部电势场导致量子点2的电荷变化（电子的接纳或发出），那么所述电荷变化可以被记下，并且因此可以进行局部电势场的测量，而且与局部电势场的强度无关地进行，所述电势场造成量子点2的电荷变化。在特定的情况下，当借助于力测量来记下量子点2的电荷变化时，量子点2作为力放大器起作用：视量子点的构型而定，利用扫描力显微镜按照量子点2的电荷变化测量的力改变可能比以下力大得多：如果所述力会直接被测量，则所述力可能对应于在测量的地点处的局部电势场。

（m7）由量子点2和尖端1组成的组合在对试样表面3扫描时允许在例如源出于纳米结构8的形貌的纯形貌信号和源出于例如由纳米结构8导致的电势场的信号之间进行区别。在图4h至4m中示出了这种区别的示例。在形貌信号和源出于电势场的信号之间进行区别可以利用以下方法被执行：

所述方法的必要前提是，对于电子点2在借助于电压源4施加的至少两个不同的电压的情况下可以观察电荷变化，其临界电压vcrit^0,i具有与在尖端1和试样表面3之间的间隔不同的相关性，也即差δvcrit^0,ij=vcrit^0,i−vcrit^0,j随着在尖端1和试样表面3之间的间隔变化，其中i表示不同的电荷变化。不应被理解为限制性的示例是根据ztip在图5a的峰值10a和10b之间在电压轴上的间隔的变化，ztip说明在尖端1和试样表面3之间的间隔。

与此不同，对于在尖端1和试样表面3之间的给定的间隔，在固定的地点处要测量的局部电势场的（假设的）改变对于所有的临界电压vcrit^0,i导致平行地偏移相同的绝对值δvcrit，使得差δvcrit^ij=vcritⁱ-vcrit^j与要测量的电势的值无关，并且因此δvcrit^ij=δvcrit^0,ij=vcrit^0,i-vcrit^0,j适用。

如果给定的纳米结构8不仅具有与试样表面3不同的形貌，而且产生要测量的局部电势场，那么通过与在不存在要测量的局部电势场时的参考测量比较、也即由vcrit^0,i和vcrit^0,j根据z，将两个分量、也即纳米结构8的形貌和电势场彼此分离。这随后对于以下情况被示出：量子点2的电荷变化之一在负临界电压vcrit^-的情况下进行，另一电荷变化在正临界电压vcrit⁺的情况下进行，（如在图5a中示出的），而这不应当是限制。

为了将形貌与电势场分开，首先在在试样表面3上的参考地点a处根据在尖端1和试样表面3之间的间隔确定值vcrit^0,+和vcrit^0,-，其中在所述参考地点处要测量的电势是零，并且形貌对应于在没有纳米结构8的情况下的纯试样表面的形貌。在图5中使用了扫描力显微镜用于确定vcrit^0,+（峰值10b）和vcrit^0,-（峰值10a），而这不是限制。

于是，vcrit^0,+、vcrit^0,-和δvcrit⁰=vcrit^0,+-vcrit^0,-关于在尖端1和试样表面3之间的间隔被绘制。这在图5b和c中示例性地对于vcrit^0,-和δvcrit⁰示出。在图5a、5b和5c中，在尖端1和试样表面3之间的间隔用ztip表示。按照图5a和5b，差δvcrit⁰=vcrit^0,+-vcrit^0,-随着在尖端1和试样表面3之间的间隔单调地变化。

现在选择在尖端1和表面3之间的固定的间隔ztip=a。于是，具有量子点2的尖端1以与试样表面3恒定的间隔被置于纳米结构8上方的地点b，在该地点b处存在要测量的电势场。纳米结构8的形貌导致在尖端1和表面之间的有效间隔的改变，因为现在纳米结构8的表面而不是试样表面3是实际的表面。

于是在纳米结构8上方的点b处确定vcrit⁺、vcrit^-和δvcrit=vcrit⁺-vcrit^-。由差δvcrit=vcrit⁺-vcrit^-可以借助于针对δvcrit⁰记录的检定曲线图5b确定在尖端1和纳米结构8之间的间隔。这在图5b中通过虚线箭头表明：借助于检定曲线搜寻属于δvcrit的值的ztip的值，将所述值称为b。因此，纳米结构8的形貌信号可以被确定为a-b。

于是，按照在（p6）中描述的方法从临界电压vcrit的变化得出对电势场的确定，其中在地点a处记录的检定曲线图5c（或者对于vcrit^0,+的其等价方案）被使用，以便对于间隔ztip=b确定参考值vcrit^0,-（或者其等价方案vcrit^0,+）。这在图5c中通过虚线箭头表明：借助于检定曲线搜寻属于ztip=b的值的vcrit^0,-的值。所述值于是被用作用于确定δvcrit^-的新参考值，其中实际的在地点b处测量的值vcrit^-涉及借助于检定曲线确定的vcrit^0,-：δvcrit^-=vcrit^--vcrit^0,-。于是从所述δvcrit^-按照（p6）确定在点b处的局部电势。

（m8）因为按照本发明的设备和按照本发明的方法允许测量元电荷e（e=1.60310^-19c）的局部电势场直至1μm的间隔为止（这对应于在δvcrit的探测中1mv的灵敏度），所以按照本发明的设备和按照本发明的方法可以被用于无接触地对电存储元件进行读出，在所述电存储元件中，通过在处于埃的大小范围中的纳米结构中的一个或多个元电荷e存储单独的信息位。即使各个存储单元彼此具有0.5nm的间隔，由于其高横向分辨率（0.5nm），按照本发明的设备和按照本发明的方法也可以被应用于无接触地对存储单元的装置进行读出。此外，由于无电流地测量局部电势场的事实可以排除：借助于按照本发明的设备和按照本发明的方法对信息存储器的读取过程随着基于电流的不想要的（ungewollt）写过程而出现。

随后描述以下方法，所述方法要被解释为非限制性的。由扫描探针显微镜的量子点2和尖端1组成的组合式系统随后被称作“量子点传感器”。提及用于借助于量子点传感器来局部地或者成像地测量电势场的三种示例性方法。在此，以使用扫描力显微镜用于确定量子点的电荷变化（电子的接纳或发出）为出发点。这些方法的列表以及扫描力显微镜作为扫描探针显微镜的特定实现的使用必须被理解为非限制性的。所有方法通用地具有首先被提及的步骤。

在执行按照本发明的方法时，扫描力显微镜的加载有量子点2的尖端1在要研究的试样表面3上方被引导。在此，相继地驶向以下位置，在所述位置处应当测量电势场。这些位置可以不仅在其横向坐标上而且在其垂直坐标上关于试样表面彼此不同，因为所述方法不需要与试样表面的直接接触，并且允许测量电势场的三维图。

在不存在要测量的电势场的参考位置处，临界电压vcrit⁰被确定，所述临界电压导致量子点2的电荷变化（电子的接纳或发出）。如果对于整个系列的正和负临界电压vcrit⁰出现量子点2的电荷变化，那么确定两个临界电压是足够的，所述两个临界电压的性质（verhalten）随着在尖端1和试样表面3之间的间隔而不同。在这不表示限制的情况下，这可以是正临界电压vcrit^0,+和负临界电压vcrit^0,-。

为了确定临界电压vcrit⁰，借助于电压源4施加的电压被改变并且扫描力显微镜按照其标准运行模式被使用，以便探测在量子点传感器上的力的突然变化，这作为量子点2在临界电压vcrit⁰时的电荷变化的结果出现。在一种特别有利的实现方案中，这在扫描力显微镜的调幅动态模式中通过探测被执行，所述调幅动态模式利用扫描力显微镜的力传感器的频移提供信号，所述信号与力梯度成比例，并且因此非常灵敏地对力的突然变化作出反应。由于电荷变化引起的力的突然变化在此情况下导致特别强的信号。

用于探测量子点2的电荷变化的可能的其他测量参量是：第一，在扫描力显微镜的静态模式中悬臂偏转（kantileverauslenkung）的变化，以及第二，在扫描力显微镜的动态模式中能量耗散的变化。

现在可以以以下方法确定在试样表面3上方和在纳米结构8上方量子点传感器的所有其他期望位置处的、借助于电压源4施加的临界电压vcrit。

（v1）光谱学方法

在此情况下，在每个其他点处重复上面描述的方法。以这种方式获得临界电压vcrit的三维图，从中可以按照在（p6）和（m7）中所描述的方法确定电势场。

（v2）利用直接成像的方法：

在此情况下，充分利用围绕vcrit的电压区间的有限宽度（以下称作“峰宽（peakbreite）”），其中发生量子点2的电荷变化。为此，将所施加的电压设定为临界电压vcrit附近的固定值，其中发生量子点2的电荷变化，并且在在试样上方的半空间的要研究的区域被扫描期间，使用扫描力显微镜的标准运行模式用于成像。在一种特别有利的实现方案中，设定电压值，对于所述电压值而言在所施加的电压情况下扫描力显微镜的信号的变化是最大的。如果临界电压vcrit的变化不超过半峰宽，并且因此在扫描力显微镜的信号和临界电压vcrit之间存在唯一的关系，那么扫描力显微镜的信号可以直接被解释为临界电压vcrit的变体（variation），并且根据在（p6）和（m7）中的方法被校准。如果临界电压vcrit的变化超过峰宽，那么在二维成像中的线可以被理解为恒定电势的线、也即电势场的等势线，其中沿着所述线，扫描力显微镜的信号的变化是最大的。在图10c和10d中示出两个利用所述方法所记录的二维图像，所述二维图像示出在电势的两个不同值的情况下的等势线。同样地，当所设定的电压根据vcrit随着在尖端1和试样表面3之间的间隔的变化被适配时，在三维成像中，面可以被理解为恒定电势的面、也即电势场的等势面，在所述面上，扫描力显微镜的信号的变化是最大的。

（v3）调节回路控制式方法：

在此情况下使用调节回路，以便在扫描在试样表面之上的半空间期间，将所施加的电压作为调定量连续地保持在临界值vcrit处，其中发生量子点2的电荷变化。用于调节参量的示例（其然而不能被看作是限制性的）是按照所施加的电压导出扫描力显微镜的力传感器的频移。所述频移可以例如借助于锁定放大器（lock-inverstärker）被测量。调节的目标是，将调节参量持续地保持在零处。在峰宽的范围中，调节参量强烈地随着调定量改变，这能够实现良好的调节。在一种特别有利的实现方案中，这对于至少两个不同的、借助于电压源4施加的电压被执行，其中量子点的电荷变化被观察，其临界电压vcrit^0,i与在尖端1和试样表面3之间的间隔具有不同的相关性。以这种方式获得临界电压vcritⁱ的三维图，所述临界电压可以根据在（p6）和（m7）中的方法被用于确定电势场。

随后示例性地表示本发明，而所述表示应被解释为非限制性的。

在一种具体的实施例中，量子点2是ptcda分子，其利用扫描力显微镜的尖端1从ag（111）表面被接纳（图4a））。从隧道光谱法研究中知道，分子经由终端氧原子到尖端上的键合的电子耦合作用是足够弱的，使得敏锐的分子能级（molekülniveaus）仅无关紧要地扩大（大约10mev宽度），这是特别有利的构型。在该具体的实施例中，通过q脉冲类型的动态力传感器执行力探测。在所述力传感器的情况下，频移与起作用的力梯度成比例。因此，在量子点2的电荷变化的情况下，在频移的信号中出现尖锐的尖端（图5a），在所述量子点处出现在在尖端1和试样表面3之间的力的跳跃。对于q脉冲传感器的足够小的振荡幅度，所述尖端的宽度与量子点的能级的敏锐度直接关联。在该具体的实施例中，具有尖端1和量子点2的q脉冲传感器在ag（111）试样表面3上已被栅格化（gerastert），其他ptcda分子作为纳米结构8位于所述试样表面3上。由于在该分子中的化学元素的不同的负电性，所述分子具有电四极矩。利用具有尖端1和量子点2的q脉冲传感器对局部电势场的源出于所述四极矩的分布进行了成像（图4b-4m），其方式是光谱学方法（v1）与方法（p6）和（m7）得以组合。此外，利用与ptcda分子相同的方法对在ag（111）表面上的ag吸附原子进行了成像（图9a-9c），以便对ptcda分子的所测量的局部电势场进行校准。最后，利用方法（v2）对关于在ag（111）上的ptcda小岛的等势线进行了成像（图10c、10d）。