用于多探针STM的分时复用控制装置及包括其的多探针STM的制作方法

本发明涉及扫描隧道显微镜(stm)领域，具体涉及用于多探针stm的分时复用控制装置及包括其的多探针stm。

背景技术：

扫描隧道显微镜(stm)亦称为“扫描穿隧式显微镜”，是一种利用隧道效应探测物质表面结构的仪器。stm可以观察和定位单个原子，具有原子级的分辨率，在低温下(4k)可以利用stm探针的针尖精确操纵原子，因此它是纳米材料研究领域重要的测量工具。

扫描隧道显微镜的工作原理如同一根唱针扫过一张唱片，将一根针尖慢慢地扫过要被分析的材料样品表面。在隧穿电压恒定的情况下，隧穿电流的大小取决于针尖最尖端处的原子与样品表面原子的距离。在恒高模式下，保持针尖恒高，样品表面的起伏表现为隧穿电流的变化，将该信息处理并转换成图像，便可获得样品表面原子的排列状态，即样品的结构信息。在恒流模式下，扫描过程中通过不断调节针尖的高度从而维持恒定隧穿电流，处理针尖高度的变化信息并转换成图像，亦可获得样品的结构信息。

四探针扫描隧道显微镜是在一个超高真空腔体内集成四个扫描隧道显微镜系统，每个扫描隧道显微镜都能独立工作，获得材料原子级分辨的结构信息。除此之外，四个扫描隧道显微镜还能协同工作，利用四探针法测量纳米尺度材料的电输运性质。

图1示出了现有的四探针扫描隧道显微镜的示意图。如图1所示，四探针扫描隧道显微镜1包括4个stm探针111、112、113、114，4个前置放大器121、122、123、124，4个stm控制单元131、132、133、134，以及一个输运测量单元141。每一个stm探针包括粗进针、扫描管和针尖，每一个stm探针的针尖都通过对应的前置放大器连接至输运测量单元141和对应的stm控制单元，stm控制单元接收前置放大器输出的电压，给对应的stm探针的粗进针控制端提供粗进针驱动电压使其移动，且给扫描管控制端提供扫描管驱动电压使其移动和定位。

其中粗进针移动距离大、定位精度差，而扫描管的移动范围小、定位精度可达0.01nm。在控制粗进针移动过程中，stm控制单元中的电压信号源给粗进针提供脉冲信号驱动其移动，待粗进针移动到所需的位置后，不再给粗进针提供脉冲电压信号。与粗进针不同的是，给扫描管提供的电压信号要始终维持不变。如果扫描管与stm控制单元中的电压信号源断开连接，扫描管将返回到电压为零的初始位置。

现有的四探针扫描隧道显微镜在测量样品的电输运性质的过程中，使用四个stm控制单元将四个针尖分别移动至样品的待测区域，再将四个针尖与样品欧姆接触。之后，断开四个针尖与stm控制单元之间的信号线，将四个针尖的信号线连接至输运测量单元141，输运测量单元141利用四探针法便可得到该样品的电阻率。

基于stm探针的特性，现有的四探针扫描隧道显微镜都必须使用四个stm控制单元，以将四个stm探针移动并定位至样品待测区域。然而，四探针扫描隧道显微镜具有四个完全相同的stm控制单元，每一个stm控制单元的价格约30～50万人民币，因此造成四探针扫描隧道显微镜的价格更加昂贵。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的实施例提供了一种分时复用控制装置，所述多探针stm包括一个stm控制单元以及多个stm探针，所述多个stm探针的每一个与一个前置放大器相连，所述分时复用控制装置包括：

与每个前置放大器的输出端相连的一个切换子单元，每个切换子单元连接所述stm控制单元和对应的stm探针；

与每个切换子单元相连的一个采样保持子单元；以及

切换控制装置，其用于控制每个切换子单元将相连的前置放大器输出的电压信号输出至相连的一个采样保持子单元或所述stm控制单元，将相连的一个采样保持子单元输出的电压和/或所述stm控制单元输出的扫描管驱动电压输出至对应的stm探针的扫描管控制端，以及将所述stm控制单元输出的粗进针驱动电压输出至对应的stm探针的粗进针控制端。

优选的，每个所述切换子单元包括：

针尖切换开关，其用于使得相连的前置放大器输出的电压信号输出至相连的一个采样保持子单元或所述stm控制单元；

扫描管切换开关，其用于使得相连的一个采样保持子单元输出的电压和/或所述stm控制单元输出的扫描管驱动电压输出至对应的stm探针的扫描管控制端；

粗进针切换开关，其用于使得所述stm控制单元输出的粗进针驱动电压输出至对应的stm探针的粗进针控制端。

优选的，所述粗进针切换开关择一地使得所述stm控制单元和相连的一个采样保持子单元连接至对应的stm探针的粗进针控制端。

优选的，每个所述采样保持子单元包括：

第一采样装置，用于获得所述stm控制单元输出的扫描管驱动电压的电压数值；

第二采样装置，用于获得与其相连的前置放大器的输出电压的电压数值；

电压保持装置，用于根据所述第一采样装置获得的电压数值输出数值相等的保持电压，以及根据所述第二采样装置获得的电压数值输出用于控制对应的stm探针的针尖位置的定位电压。

优选的，所述采样保持子单元还包括用于给相应的stm探针的粗进针控制端提供脉冲电压信号的脉冲信号发生器。

优选的，所述切换控制装置控制每个所述切换子单元依次处于如下状态：

使得相连的前置放大器的输出端连接至所述stm控制单元，且所述stm控制单元输出的扫描管驱动电压和粗进针驱动电压分别输出至对应的stm探针的扫描管控制端和粗进针控制端；

使得相连的前置放大器的输出端连接至所述stm控制单元，且所述stm控制单元输出的扫描管驱动电压和相连的一个采样保持子单元输出的电压并联后输出至对应的stm探针的扫描管控制端；

使得相连的前置放大器的输出端连接至所述stm控制单元，相连的一个采样保持子单元输出的电压输出至对应的stm探针的扫描管控制端；

使得相连的前置放大器的输出端连接至对应的采样保持子单元，相连的一个采样保持子单元输出的电压输出至对应的stm探针的扫描管控制端，且所述stm控制单元与对应的stm探针的粗进针控制端之间断开连接。

本发明的实施例还提供了一种多探针stm，包括：

一个stm控制单元；

多个stm探针，所述多个stm探针的每一个与一个前置放大器相连；以及

如上所述的分时复用控制装置。

优选的，每个所述前置放大器包括隧穿电流放大器和连接在所述隧穿电流放大器的输入端和对应的stm探针的针尖之间的前置开关。

优选的，所述多探针stm还包括输运测量单元，每个所述前置放大器的所述前置开关可控地使得对应的stm探针的针尖连接至所述输运测量单元和所述前置放大器中的所述隧穿电流放大器的输入端之一。

本发明的分时复用控制装置能够实现stm控制单元的分时复用，使得多探针扫描隧道显微镜采用一个stm控制单元即可实现多个探针的移动和定位，减少了stm控制单元的数量，从而降低了成本。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1示出了现有的四探针扫描隧道显微镜的示意图。

图2是包括本发明较佳实施例的分时复用控制装置的四探针扫描隧道显微镜的结构示意图。

图3是图2所示的分时复用控制装置中的一个切换子单元和采样保持子单元的示意图。

图4是图3所示的切换子单元处于第一切换状态的示意图。

图5是图3所示的切换子单元处于第二切换状态的示意图。

图6是图3所示的切换子单元处于第三切换状态的示意图。

图7是图3所示的切换子单元处于第四切换状态的示意图。

图8是图3所示的切换子单元处于第五切换状态的示意图。

图9是图3所示的切换子单元处于第六切换状态的示意图。

图10是图2所示的分时复用控制装置中的另一个切换子单元和采样保持子单元的示意图。

图11是本发明的四探针扫描隧道显微镜测量电输运性质的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图2是具有本发明较佳实施例的分时复用控制装置的四探针扫描隧道显微镜的结构示意图。如图2所示，四探针扫描隧道显微镜2包括4个stm探针211、212、213、214，4个前置放大器221、222、223、224，1个stm控制单元231，1个输运测量单元241，以及分时复用控制装置20。

分时复用控制装置20包括与stm探针211对应的切换子单元251和采样保持子单元261，与stm探针212对应的切换子单元252和采样保持子单元262，与stm探针213对应的切换子单元253和采样保持子单元263，与stm探针214对应的切换子单元254和采样保持子单元264。

4个切换子单元完全相同，且4个采样保持子单元完全相同，因此下面仅以切换子单元251和采样保持子单元261为例详细说明本发明的分时复用控制过程。

图3是图2所示的分时复用控制装置中的切换子单元251和采样保持子单元261的示意图。如图3所示，前置放大器221包括前置开关2211和隧穿电流放大器2212，前置开关2211可控地将stm探针211的针尖连接至输运测量单元241或隧穿电流放大器2212的输入端。隧穿电流放大器2212用于输出与stm探针211中的隧穿电流对应的、放大的电压信号。切换子单元251包括针尖切换开关2511、扫描管切换开关2512和粗进针切换开关2513。切换控制装置27用于控制针尖切换开关2511将隧穿电流放大器2212输出的电压信号输出至采样保持子单元261或stm控制单元231，控制扫描管切换开关2512将采样保持子单元261输出的保持电压和/或stm控制单元231输出的扫描管驱动电压输出至stm探针211的扫描管控制端，以及控制粗进针切换开关2513将stm控制单元231输出的粗进针驱动电压输出至stm探针211的粗进针控制端中。

采样保持子单元261包括第一采样装置2611、第二采样装置2612和电压保持装置2613。其中第一采样装置2611用于获得stm控制单元231施加在stm探针211的扫描管控制端上的扫描管驱动电压的数值，第二采样装置2612用于获得隧穿电流放大器2212输出的电压数值，电压保持装置2613根据第一采样装置2611获得的电压数值输出与该电压数值相等的保持电压，或根据第二采样装置2612获得的电压数值输出用于控制stm探针211的针尖位置的定位电压。

图4是图3所示的切换子单元处于第一切换状态的示意图，前置开关2211被控制为使得stm探针211的针尖连接隧穿电流放大器2212的输入端。切换控制装置27控制针尖切换开关2511使得隧穿电流放大器2212的输出端连接至stm控制单元231，控制粗进针切换开关2513和扫描管切换开关2512使得stm控制单元231分别连接至stm探针211的粗进针控制端和扫描管控制端。其中图4中的针尖切换开关2511、粗进针切换开关2513和扫描管切换开关2512与stm控制单元231之间的实心箭头表示电压信号的传输方向。

stm控制单元231根据其接收的电压来判断并控制stm探针211的针尖与样品表面的距离。stm控制单元231首先通过粗进针切换开关2513输出电压脉冲信号至stm探针211的粗进针控制端，从而控制stm探针211的粗进针逐步靠近样品表面，之后stm控制单元231通过扫描管切换开关2512输出缓慢增加的扫描管驱动电压至stm探针211的扫描管控制端，使得stm探针211的扫描管和针尖进一步靠近样品表面移动。当针尖非常靠近样品表面并产生隧穿电流时，stm控制单元231输出恒定的扫描管驱动电压至stm探针211的扫描管控制端，从而使得针尖的位置保持不变。

图5是图3所示的切换子单元处于第二切换状态的示意图，如图5所示，采样保持子单元261中的第一采样装置2611获得stm控制单元231中存储的扫描管驱动电压的电压数值。

图6是图3所示的切换子单元处于第三切换状态的示意图，如图6所示，采样保持子单元261中的电压保持单元2613根据第一采样装置2611获得的电压数值输出数值相同的保持电压。图6中的电压保持装置2613和扫描管切换开关2512之间的实心箭头表示电压信号的传输方向。

图7是图3所示的切换子单元处于第四切换状态的示意图，如图7所示，切换控制装置27控制扫描管切换开关2512使得stm控制单元231和电压保持装置2613都连接至stm探针211的扫描管控制端。此时，电压保持装置2613输出的保持电压和stm控制单元231输出的扫描管驱动电压并联后施加在stm探针211的扫描管控制端。

图8是图3所示的切换子单元处于第五切换状态的示意图，如图8所示，切换控制装置27控制扫描管切换开关2512以断开stm控制单元231和stm探针211的扫描管控制端之间的连接。由于此时采样保持子单元261输出的保持电压施加在stm探针211的扫描管控制端上，使得stm探针211的针尖的位置保持不变。

图9是图3所示的切换子单元处于第六切换状态的示意图，如图9所示，切换控制装置27控制针尖切换开关2511使得隧穿电流放大器2212的输出端连接至采样保持子单元261的第二采样装置2612，且控制粗进针切换开关2513使得stm控制单元231与stm探针211的粗进针控制端之间断开连接。此时stm探针211的针尖的位置由采样保持子单元261控制，而stm控制单元231并不用于保持stm探针211的针尖的位置，因此stm控制单元231在其他时段可以用来移动stm探针212、213、214的位置。

图10是图2所示的分时复用控制装置中的切换子单元252和采样保持子单元262的示意图，前置放大器222的前置开关2221被控制为使得stm探针212的针尖连接至隧穿电流放大器2222的输入端。切换控制装置27控制切换子单元252的针尖切换开关2521使得隧穿电流放大器2222的输出端连接至stm控制单元231，并且控制粗进针切换开关2523和扫描管切换开关2522使得stm控制单元231分别连接至stm探针212的粗进针控制端和扫描管控制端。此时stm控制单元231根据其接收的隧穿电流放大器2222输出的电压来判断并控制stm探针212的针尖与样品表面的距离。依次重复上述过程，最后使得采样保持子单元262用于维持stm探针212的针尖的位置。

同理，采样保持子单元263维持stm探针213的针尖的位置，采用保持子单元264维持stm探针214的针尖的位置。

本发明仅使用1个stm控制单元231，首先控制一个stm探针的针尖移动至待测区域以获得该样品的表面结构信息，接着利用对应的采样保持子单元将该stm探针的针尖维持在原位置，之后stm控制单元231将下一个stm探针的针尖移动至待测区域以获得该样品的表面结构信息，最终实现将所有的stm探针的针尖都移动到待测区域。

stm控制单元231在同一个时刻只获得一个stm探针的隧穿电流的相关信息并控制其针尖移动，对应的采样保持子单元从stm控制单元231获取此stm探针的针尖的当前位置信息(即施加在扫描管上的扫描管驱动电压)，并输出相同的电压至stm探针的扫描管控制端上以将该stm探针的针尖维持在原位置。stm控制单元231在其他时间段内控制下一个stm探针，实现了对stm控制单元231的分时复用，减少了stm控制单元231的数量，极大地降低了成本。

在获得了样品表面结构信息之后，如果需要进一步测量样品的电输运性质，本发明的分时复用控制装置20还用于将stm探针211、212、213、214与样品表面欧姆接触。下面同样仅以切换子单元251和采样保持子单元261为例进行说明。

再次参考图9所示，采样保持子单元261的第二采样装置2612通过针尖切换开关2511获得隧穿电流放大器2122输出的电压数值，电压保持装置2613根据第二采样装置2612接收的电压数值给stm探针211的扫描管控制端提供电压，以控制stm探针211的针尖逐渐靠近样品表面，最终驱动stm探针211的针尖与样品表面欧姆接触。

同理，切换子单元252和采样保持子单元262用于驱动stm探针212的针尖与样品表面欧姆接触。切换子单元253和采样保持子单元263用于驱动stm探针213的针尖与样品表面欧姆接触。切换子单元254和采样保持子单元264用于驱动stm探针214的针尖与样品表面欧姆接触。此时采样保持子单元261、262、263、264分别通过切换子单元251、252、253、254给stm探针211、212、213、214的扫描管控制端提供定位电压，使得stm探针211、212、213、214的针尖都维持与样品表面欧姆接触。

图11示出了本发明的四探针扫描隧道显微镜测量电输运性质的示意图。如图11所示，前置放大器221、222、223、224中的前置开关被控制为分别使得stm探针211、212、213、214的针尖连接至输运测量单元241。输运测量单元241即可利用四探针法来测量样品的电输运性质。

在上述实施例中，切换子单元21、252、253、254在第三状态至第五状态时，stm控制单元231并不提供粗进针驱动信号至stm探针的粗进针控制端中，因此在其他的实施例中，切换控制装置27可以控制切换子单元的粗进针切换开关在切换子单元的第三状态至第五状态处于断开状态。

本发明的切换子单元和采样保持子单元的数目都与stm探针的数目相同。在本发明的其他实施例中，当stm探针的数目改变时，无需改变stm控制单元的数目，只要相应地改变切换子单元和采样保持子单元的数目即可。

在本发明的其他实施例中，每一个采样保持子单元还包括用于给stm探针的粗进针控制端提供脉冲电压信号的脉冲信号发生器，且切换子单元中的粗进针切换开关为单刀双掷开关，该粗进针切换开关被控制为使得脉冲信号发生器输出的脉冲电压信号或stm控制单元输出的粗进针驱动电压输出至stm探针的粗进针控制端。

在本发明的其他实施例中，采样保持子单元直接测量stm控制单元施加在stm探针的扫描管控制端上的扫描管驱动电压的电压数值，并输出与该电压值相同的保持电压。

本发明并不限于切换开关的具体形式，可以采用各种形式的机械开关或电子开关等。

本发明并不限于获得stm控制单元施加在stm探针的扫描管控制端上的扫描管驱动电压的电压数值，可以直接测量或与stm控制单元通信获取对应寄存器的值等。

本发明的另一实施例还提供了一种四探针扫描隧道显微镜，其与上述的四探针扫描隧道显微镜2基本相同，区别在于，其并不具有输运测量单元241。

本发明的又一实施例还提供了一种多探针扫描隧道显微镜，其结构与上述的四探针扫描隧道显微镜2基本相同，区别在于，stm探针、前置放大器、切换子单元和采样保持子单元的数量可以大于或小于4。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。