İlerleme | Ultra yüksek vakumlu dört problu taramalı tünel mikroskop sisteminin tam dönüşümü ve güçlü işlevlerinin gerçekleştirilmesi
Taramalı tünelleme mikroskobu (STM) 1980'lerin başında icat edildi.Bu güçlü araç insanlara mikroskobik sistemleri inceleme ve kullanma yeteneği verir. Geleneksel tek problu STM, numunenin morfolojisini ve malzemenin yerel elektronik yapısını incelemek için kullanılabilir, ancak, düşük boyutlu sistemlerin yanal elektriksel taşıma özelliklerini ölçemez. Taşıma testi yeteneğini son derece yüksek uzaysal çözünürlükle birleştirmek için, insanlar art arda çift prob, üç prob ve hatta dört prob gibi çok problu STM sistemleri geliştirdiler. Bunların arasında, dört problu STM, numunelerin yerinde taşıma özelliklerini daha doğru bir şekilde karakterize edebilen standart dört terminalli taşıma testi yöntemiyle uyumludur.
Dünyadaki ilk nesil ticari ultra yüksek vakum (UHV) dört problu STM sistemi, Almanya'daki tanınmış bilimsel araştırma cihazı üreticisi Omicron tarafından üretildi. Dünyanın en eski ticarileştirilmiş çoklu prob sistemi (model: UHV Nanoprobe) olarak, nanosistemlerin yerinde morfolojisini ve taşınmasını etkili bir şekilde inceleyemez, örneğin: atomik düzeyde çözünürlük görüntüleri normal koşullar altında elde edilemez. Ayrıca kararlı bir nokta elektrot teması oluşturamaz. Yukarıda bahsedilen eksiklikler, sistemin tasarım kusurlarından kaynaklanmaktadır: Birincisi, sistemin mekanik titreşim izolasyon tasarımı nispeten basittir ve görüntüleme sırasında ciddi gürültü vardır. İkinci olarak, sadece numune soğutulur ve soğutma sırasında doğrudan oda sıcaklığı ortamına maruz bırakılır. Bu nedenle, numunenin minimum sıcaklığı çok yüksektir ve numune ile uç arasında büyük bir sıcaklık gradyanı vardır, bu da önemli termal sapmaya ve sıcak elektron enjeksiyonuna yol açar, bu da taşıma ölçümünün doğruluğunu büyük ölçüde etkiler Ölçülen tarama tüneli spektrumu ( dI / dV) da güvenilmezdir. Ayrıca sistemde ayrıca, tarama yapısında gürültünün kolay bağlanması ve konumlandırma için kullanılan taramalı elektron mikroskobunun (SEM) eskimesi gibi kusurlar ve problemler bulunmaktadır.
Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü'nün Gao Hongjun araştırma grubu (Grup N04), uzun yıllardır tarama prob mikroskobu ve yüksek hassasiyetli teknoloji ve ekipmanın araştırılması ve geliştirilmesi konusunda kararlıdır ve bir dizi önemli bilimsel başarı elde etmiştir. Sınıfının yüksek hassasiyetli aletleri sağlam bir temel oluşturmuştur. Son zamanlarda, Fizik Enstitüsü Teknik Bölümünden yardımcı araştırmacı Xun Qing'in doğrudan rehberliği ve önderliği altında, araştırma grubundan doktora öğrencileri Ma Ruisong, Yan Jiahao ve Wu Liangmei, bu ticari dört problu STM sistemini tamamen ve tamamen dönüştürdüler. Sistem sinyal-gürültü oranı, mekanik ve sıcaklık kararlılığı, görüntüleme çözünürlüğü ve soğutma sorunlarını temelden çözün.
Büyük gürültü, önemli sıcaklık sapması ve orijinal sistemin düşük çözünürlüğü sorunlarına yanıt olarak (bkz.Şekil 4 bc), titreşim azaltma ve sönümleme, tarama yapısı, termal bağlantı dahil olmak üzere sistemde kapsamlı bir dönüşüm gerçekleştirdiler. Isı kalkanının değiştirilmesi, iğne noktası konumlandırma SEM, vb.
1. Titreşim azaltma ve sönümleme
Hava ayağı sönümleme ve flor kauçuk halka sönümleme korunurken, süspansiyon yayı ve etkili manyetik sönümleme yapısı eklenir (Şekil 1).
Şekil 1. Orijinal ticari sistemdeki (a) ve yükseltme planındaki (b) STM çekirdek bileşenlerinin karşılaştırılması.
2. Yapıyı tara
Dört problu sistem uygulamasının özellikleri göz önüne alındığında, geniş bir tarama aralığı sağlayabilen ve aynı anda yüksek uzaysal çözünürlük elde edebilen çift tarama tüpü yapısını benimsemişlerdir (Şekil 2).
Şekil 2. Soğutma ve tarama mekanizmasının tasarımı. (A) Sürekli akışlı soğuk parmağın tasarımı; (b) Isı kalkanının tasarımı; (c) Tarama mekanizmasının tasarımı, büyük ve küçük tarama tüpleri bağımsız olarak XYZ yönünde tarayabilir; (d) Yeni iğne ucu yuvasının tasarımı; ( e), (f) Numune ve iğne ucunun değiştirilmesinin şematik diyagramı, iç ve dış kalkanların işlem sırasında manipülatör tarafından açılması gerekir.
3. Termal bağlantı ve termal koruma
Orijinal tasarımda soğuk parmakla bağlantı yöntemini değiştirdiler ve numunenin etrafına iki katman ısı kalkanı (Şekil 2) eklediler ve harici ısı radyasyonunun etkisini daha da azaltmak için küçük tarama tüpünü ve iğne ucunu sardılar.
4. SEM'i optik mikroskopla değiştirin
Örnekleri tahribatsız olarak gözlemlemek için, orijinal tasarımda kullanılan SEM'i uzun odak uzunluklu optik mikroskobu (1,1 mikron çözünürlüklü) ile değiştirdiler ve bunun için bir mobil destek masası tasarladılar (Şekil 3). Nanoyapılar hızlı ve verimli bir şekilde "konumlandırılır".
Şekil 3. Orijinal ticari sistem (a) ile yükseltme planının (b) görünümünün karşılaştırılması. Ticari ekipmandaki SEM, uzun çalışma mesafeli bir optik mikroskop ile değiştirilir.
Bu tam dönüşümden sonra, dört problu sistem, atom düzeyinde görüntüleme (Şekil 4), soğutma kapasitesi ve taşıma testinin kararlılığı (Şekil 5) açısından temelde iyileştirildi. Bu ikili tarama tüpü bağlantı tarama mekanizması, aynı anda çok çeşitli iğne ucu konumlandırma ve yüksek tarama doğruluğu elde ederek onu mikro-nano sistemin ayırt edici özelliklerine sahip bir karakterizasyon ve fiziksel özellik ölçüm platformu haline getirir. Yalıtıcı bir substrat üzerindeki numunelerin nakliye ölçümünde, geri besleme olarak iğne ucu ile geçit arasındaki kapasitans sinyalini kullanan bir iğne yerleştirme mekanizması önerdiler ve bu, STM sisteminin geri besleme için tünelleme akımını kullanamaması sorununu çözdü. Şu anda, Fizik Enstitüsü'nün cihazının özel finansmanı altında, çok problu SPM sistemi için düşük maliyetli bir zaman paylaşımlı kontrol çözümü sağlayacak ve sistemin özelliklerinden ve avantajlarından daha fazla yararlanacak bir dizi "zaman paylaşımlı çoklu kontrol devresi ünitesi" geliştiriyorlar.
Şekil 4. STM tarama testi, dönüşümden önce ve sonra. (A) Yeni uç yuvasının optik fotoğrafı. b-e: Dönüşümden önce HOPG üzerindeki bor nanotellerinin STM görüntüleri (b) Dönüşümden önce, Çin Yeni Yılının ikinci gününde sabah saat 2'de elde edilen HOPG'nin atomik çözümlenmiş STM görüntüleri (atomik çözülmüş STM görüntüleri diğer zamanlarda mevcut değildir). (C), dönüşümden sonra HOPG'nin STM görüntüsü (d), dönüşümden sonra HOPG'nin atomik çözünürlüklü STM görüntüsü (e).
Şekil 5. Değişiklikten sonra dört problu taşıma testi. (A) Yükseltmeden sonra sistem taşıma testinin şematik diyagramı. (B) Grafenin taşıma özelliklerini ölçerken dört problu yöntemin optik mikrografı. (C) Oda sıcaklığında farklı kapı basınçları altında grafenin iki boyutlu direnci. (D) 100-300 K grafenin iki boyutlu direnci.
İlgili ekipmanın tam dönüşümü ve yapım işi, yakın tarihli "Review of Scientific Instruments, 88 (6): 063704, 2017] 'de yayınlandı.
Bu çalışma Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (2013YQ1203451), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (61474141, 61674170) ve Çin Bilimler Akademisi tarafından finanse edildi.
Düzenle: küçük ekmek
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
