多集成尖端扫描探针显微镜

摘要

用于使用多集成尖端扫描探针显微镜检查来表征样本的装置和系统。多集成尖端(MiT)探针由定位到彼此nm内的两个或更多个整体集成的且可移动的AFM尖端组成，使得能够在真空或周围条件下进行前所未有的微尺度到纳米尺度的探针功能。尖端结构与电容式梳状结构组合，提供无激光、高分辨率、电接入、电断开致动和感测能力以及用于信号放大和降噪操作的与结型场效应晶体管的新颖集成。基于使用支撑齿轮：激光器、纳米定位器和电子器件的堆叠而功能化的多个单个尖端，该“片上平台”方法相对于当前技术来说是典范转移。

权利要求

1.一种使扫描探针适配器中的至少两个探针尖端对齐的方法，所述方法包括以下步骤：提供包括至少两个探针尖端的探针头部；

将样本和所述至少两个探针尖端移动成邻近；

使用光学显微镜来捕捉所述至少两个探针尖端的图像以及所述至少两个探针尖端的对应反射；

使用图像识别算法来跟踪所述至少两个探针尖端和所述对应反射的外线形状；

计算所述至少两个探针尖端中的每个的顶点和所述对应反射的顶点之间的距离；

比较计算出的距离以确定所述至少两个探针尖端中的哪个探针尖端，如果有的话，具有较短的计算距离；以及如果所述至少两个探针尖端中的一个具有较短的计算距离，则旋转所述探针头部远离所述至少两个探针尖端中的具有较短的计算距离的任何一个，或者如果对所述至少两个探针尖端中的每个计算得到相等距离，则确定所述至少两个探针尖端对齐。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括重复所述方法、直到从所述至少两个探针尖端计算得到相等距离为止的步骤。

说明书

多集成尖端扫描探针显微镜

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2015年2月26日提交的、标题为“Multiple Integrated Tip Scanning Probe Microscope”的美国临时专利申请第62/121,174号的优先权，该申请的整个公开内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本公开整体上涉及一种用于表征薄膜和器件的多集成尖端扫描探针显微镜。

背景技术

[0004] 单尖端扫描探针显微镜(SPM)，比如扫描隧穿显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，是用于调查薄膜材料和器件的结构性质和电子性质的关键工具。例如，这些单尖端SPM使用扫描目标的物理探针来形成薄膜材料或器件的一个或多个图像。

[0005] 然而，单尖端SPM限于静态测量，比如局部态密度和近样本表面效应。结果，存在于薄膜材料和器件中的一系列基本现象是达不到的。仅作为一个例子，薄膜中的错位和颗粒边界的效应不能被表征，因为在纳米尺度上执行跨导(两个尖端之间的传导)测量的能力是关键的差距。跨导将通过提供对于局域态密度、尖端-样本耦合、输运机制、散射相移以及电子的非弹性平均自由程的了解来使得能够更丰富地理解电子如何输运和与它们的环境相互作用。

[0006] 多尖端SPM已经被作为克服单尖端SPM的固有限制的一种方式提出。然而，建造合适的多尖端SPM一直存在重大挑战。以前的多尖端SPM的方法一直依赖于独立的宏观地制作的探针。这些平台是复杂的，难以致动，并且具有有限的按比例缩小。它们的制造也是极其昂贵的。

[0007] 因此，在多尖端SPM领域中持续存在对既成本有效的、又容易针对它们将被用于的特定调查制造和功能化的多尖端SPM的需要。

发明内容

[0008] 本公开针对一种用于表征薄膜和器件的多集成尖端(MiT)扫描探针显微镜。该MiT扫描探针显微镜是将机械功能和电功能集成在针对特定调查定制和功能化的整体制作的纳米结构中的平台。MiT探针提供可被放置在彼此纳米内的两个或更多个整体集成的悬臂尖端，与整体集成的电容式致动器、传感器以及放大信号的晶体管。结果，MiT SPM能够在不需要激光尖端对齐的情况下执行原子力显微镜检查。此外，MiT SPM能够纳米探测其中集成尖端中的至少两个与样本直接接触或紧邻的表面。

[0009] 根据一方面，一种扫描探针适配器，其包括探针头部和光学显微镜，探针头部具有至少一个探针尖端；光学显微镜被构造成相对于样本查看探针头部。

[0010] 根据实施例，探针头部安装在台架上，所述台架被构造成使所述至少一个探针尖端相对于样本对齐。

[0011] 根据实施例，探针头部安装在压电样本台架上方，所述压电样本台架被构造成在至少两个轴上移动样本，并且被进一步构造成移动样本通过探针以用于扫描。

[0012] 根据实施例，压电台架安装到旋转台架上，所述旋转台架被构造成将样本定向在特定方向上。

[0013] 根据实施例，台架安装到以下各者上：(i)第一台架，其被构造成沿着第一轴、X轴移动所述台架；(ii)第二台架，其被构造成沿着第二轴、Y轴移动所述台架；以及(iii)第三台架，其被构造成沿着第三轴、Z轴移动所述台架。

[0014] 根据实施例，探针头部包括顶部组件和底部组件。

[0015] 根据实施例，包括探针尖端的探针贴附到探针头部。

[0016] 根据实施例，包括探针尖端的探针贴附到板组件，并且所述板组件贴附到探针头部。

[0017] 根据实施例，顶部组件容纳至少一个跨阻抗放大器。

[0018] 根据实施例，顶部组件探针头部容纳至少一个弹簧装载式顶针，其中所述弹簧装载式顶针被构造成推动抵靠并且电接触板组件或包括探针尖端的探针。

[0019] 根据一方面，一种将扫描探针适配器附连到扫描探针显微镜的方法。所述方法包括以下步骤：(i)移除扫描探针显微镜的现有探针头部；以及(ii)在扫描探针显微镜的样本台架上方安装扫描探针适配器。

[0020] 根据一方面，一种将扫描探针适配器附连到三维显微镜的方法。所述方法包括以下步骤：(i)将样本台架放置在三维显微镜的下面，其中所述样本台架被构造成在至少两个轴上移动样本；以及(ii)相对于样本台架安装扫描探针适配器。

[0021] 根据实施例，三维显微镜是光学显微镜、扫描电子显微镜或传输电子显微镜。

[0022] 根据一方面，一种操作扫描探针显微镜的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供具有至少一个尖端的探针，所述探针包括至少一个整体集成的致动器和传感器，其中所述整体集成的致动器被构造成致动探针尖端并且使探针尖端振荡；以及(ii)使用整体集成的传感器来测量振荡的探针尖端的运动。

[0023] 根据实施例，所述至少一个整体集成的致动器和传感器是电容式的、压电式的、压阻式的、或电容式、压电式和压阻式的组合。

[0024] 根据一方面，一种使扫描探针适配器中的至少两个探针尖端对齐的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供包括至少两个探针尖端的探针头部；；(ii)用AC或DC信号使样本和所述至少两个探针尖端偏置；(iii)使用样本台架将样本和所述至少两个探针尖端移动成邻近；(iv)测量来自所述至少两个探针尖端中的每个的电流；(v)比较测得的电流以确定所述至少两个探针尖端中的哪个探针尖端(如果有的话)产生更高的电流；以及(vi)如果所述至少两个探针尖端中的一个产生更高的电流，则缩回样本台架并且将探针头部旋转远离所述至少两个探针尖端中产生更高电流的任何一个，或者如果从所述至少两个探针尖端测量到相等电流，则确定所述至少两个探针尖端对齐。

[0025] 根据实施例，所述方法进一步包括重复所述方法、直到从所述至少两个探针尖端测量到相等电流为止的步骤。

[0026] 根据一方面，一种使扫描探针适配器中的至少两个探针尖端对齐的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供包括至少两个探针尖端的探针头部；(ii)将样本和所述至少两个探针尖端移动成邻近；(iii)使用光学显微镜来捕捉所述至少两个探针尖端的图像以及所述至少两个探针尖端的对应反射；(iv)使用图像识别算法来跟踪所述至少两个探针尖端和对应反射的外线形状；(v)计算所述至少两个探针尖端中的每个的顶点和对应反射的顶点之间的距离；(vi)比较计算出的距离以确定所述至少两个探针尖端中的哪个探针尖端(如果有的话)具有较短的计算距离；以及(vii)如果所述至少两个探针尖端中的一个具有较短的计算距离，则旋转探针头部远离所述至少两个探针尖端中的具有较短的计算距离的任何一个，或者如果对所述至少两个探针尖端中的每个计算得到相等距离，则确定所述至少两个探针尖端对齐。

[0027] 根据实施例，所述方法进一步包括重复所述方法、直到从所述至少两个探针尖端计算得到相等距离为止的步骤。

[0028] 根据一方面，一种用于使用扫描探针适配器来表征样本的方法。所述方法包括以下步骤：(i)提供包括至少两个探针尖端的探针头部；(ii)使所述至少两个探针尖端对齐；(iii)用所述至少两个探针尖端中的至少一个扫描样本以获得第一测量；以及(iv)执行以下操作的至少一个：存储获得的第一测量、发送获得的第一测量以及显示获得的第一测量。

[0029] 根据实施例，所述方法进一步包括使所述与所述至少两个探针尖端中的至少一个接触以获得第二测量的步骤。

[0030] 根据实施例，第二测量是电测量、机械测量、光学测量或化学测量。

[0031] 本发明的这些及其他方面从下文描述的实施例(一个或多个)将是显而易见的。

附图说明

[0032] 通过结合附图阅读以下详细描述，本发明将被更充分地理解和领会，在附图中：

[0033] 图1是根据实施例的多集成尖端扫描探针显微镜系统的图像；

[0034] 图2是根据实施例的MiT探针的顶视图；

[0035] 图3A是根据实施例的薄膜的电阻图的示意性表示。

[0036] 图3B是根据实施例的对图3A的薄膜进行MiT-SPM扫描的示意性表示。

[0037] 图4是根据实施例的纳米探测模式下的MiT探针对齐协议的示意性表示。

[0038] 图5是根据实施例的被转换为电压并且被馈送到数据采集系统(DAQ)的隧穿电流(It)的示意性描绘。

[0039] 图6是根据实施例的MiT探针在纳米探测模式下创建的HOPG膜的5μm×5μm电阻图的曲线图。

[0040] 图7是根据实施例的MiT探针的尖端和它们的对应反射的光学图像。

[0041] 图8A是根据实施例的所有尖端都接地的情况下的MiT探针的致动的图像。

[0042] 图8B是根据实施例的在电压施加于侧尖端的情况下MiT探针的中心尖端接地的致动的图像。

[0043] 图8C是根据实施例的在电压施加于侧尖端的情况下MiT探针的中心尖端接地的致动的图像。

[0044] 图9是根据实施例的MiT探针在STM模式下的示意性表示。

[0045] 图10是根据实施例的测量MiT探针的谐振频率、振幅和相位中的单端构造的示意性表示。

[0046] 图11是根据实施例的MiT探针的移动尖端在AFM模式下的频率响应测量的曲线图。

[0047] 图12是根据实施例的MiT探针在AFM模式下的构造的示意性表示。

[0048] 图13是根据实施例的MiT-SPM中的电连接的示意性表示。

[0049] 图14是根据实施例的没有集成的样本台架的MiT-SPM的示意性表示。

具体实施方式

[0050] 本公开描述了用于表征薄膜和器件的多集成尖端扫描探针显微镜的各种实施例。MiT-SPM使得能够在周围空气中在不需要扫描电子显微镜的情况下进行纳米尺度原子成像以及跨导的电探测。所述器件提供薄膜材料和器件中的输送机制的详细研究。

[0051] 现在参照附图(其中相似的标号始终指代相似的部分)，在图1中看出一个实施例中的多集成尖端扫描探针显微镜系统10。MiT-SPM系统包括MiT探针12，其可被导线结合到印刷电路板(PCB)30。如下面更详细地讨论的，MiT-SPM还包括扫描探针头部14，其容纳包括跨阻抗放大器(TIA)的转导电子器件，TIA将隧穿电流转换为电压。旋转台架16使MiT探针12与样本18的表面对齐，样本18安装在SPM台架20上。MiT-SPM系统10还包括光学显微镜22，其用于使样本相对于MiT探针尖端粗略逼近地显现。该系统还包括使得可在X轴、Y轴和Z轴上长距离移动的一系列台架，包括X平移台架26、Y平移台架28以及Z平移台架24。根据实施例，如下面更详细地讨论的，软件算法用于在使用期间控制探针头部和台架。

[0052] 现在参照图2，在一个实施例中，提供MiT探针12的顶视图。根据实施例，MiT探针的尖端区域100中的三个MiT尖端32、34和36可同时制造，但是它们也可在生产之后组装。通过使用一个或多个致动器来允许中心尖端34相对于两个固定的外尖端移动，包括但不限于图2中描绘的致动器。这些致动器使中心尖端34相对于外尖端32和36移置。

[0053] 根据实施例，中心尖端34可在晶圆的平面内在纵向和横向两个方向上移置大约200nm，并且该运动通过检测组件来感测。除了其他可能的检测元件之外，检测组件可为电容耦合结型栅场效应晶体管(JFET)前置放大器(J1)38。根据检测组件的另一实施例，电极C1 48和C2 50可用作可用于测量中间尖端的位移的差动电容器。

[0054] 根据实施例，可通过使用数字40和42表示的静电板致动器F1和F2来使中心尖端34沿着y轴致动。致动器可合作地运行，例如，以使可移动探针尖端34移置。可通过使用数字44表示的致动器F3和中心尖端34之间的静电力来使中心尖端34沿着x轴移动。图2还示出了限位器(一个或多个)46，其限制中间尖端34和JFET 38的运动。

[0055] 根据实施例，MiT-SPM可在至少三种主模式下进行操作以获得关于样本的数据，还可在这些模式的组合下进行操作。三种主模式是下面更详细地讨论的纳米探测、AFM和STM。然而，应注意，MiT-SPM可在除本文具体描述的那些模式之外的模式下进行操作。

[0056] 纳米探测模式

[0057] 除了其他可能的用途之外，纳米探测模式可用于识别薄膜中的断开部分、短小部分和晶界。参照图3A，薄膜300的电阻图的例示说明，其中单位单元由虚线框310示出。薄膜300的区域310也在图3B中示出，连同MiT探针12的尖端区域100一起。参照图3B，电压施加于中心尖端34，侧尖端32和36接地。尖端之间的测得电流给予特定区域的电导信息。因为在薄膜中在中间尖端34和侧尖端36之间存在“断开”区域320，所以将存在可忽略量的电流I2，并且照此，将存在高电阻。检测系统将识别并且解释该高电阻。除了许多其他的之外，纳米探测模式还可用于测量三维结构(比如平面晶体管和FinFET)的器件性能。

[0058] 根据实施例，在纳米探测模式下，MiT探针优选地垂直于样本表面对齐以确保MiT探针的两个侧尖端都与样本接触。对齐协议的例子在图4中例示说明。

[0059] 在图4的步骤4A中，SPM台架20是偏置的，并且MiT探针以任何角度接近样本18。尽管图4中描绘了特定角度，但是实际角度可为任何角度。在步骤4B中，通过将电压施加于电极F3(在图2中示出)来静电地缩回中心尖端34。MiT探针的侧尖端接地，并且电压施加于样本。随着样本接近尖端，电子从侧尖端32和36隧穿到样本18或反过来。

[0060] 参照图5，在一个实施例中，板上跨阻抗放大器(TIA)500将来自MiT探针12的隧穿电流(It)转换为隧穿电压。TIA 500的输出连接到数据采集(DAQ)系统510并且被采样，比如以2kHz的速率采样，但是其他速率是可能的。采样的电压通过以下方式进行信号处理，即，首先被用移除噪声(比如在该例子中60Hz噪声)的带阻滤波器滤波，然后估计它们的平均电压值。来自尖端1和尖端2的平均电压值然后被放到实现表1所示的状态机的“控制盒”中。

[0061] 表1.用于对齐侧尖端32和36的状态机

[0062]

[0063] 根据其中1V施加于样本的实施例，假定尖端-样本间隔为～1nm，阻抗为1GΩ，那么预计隧穿电流约为1nA。该隧穿电流被TIA 500中的1GΩ反馈电阻器转换以产生1V的输出电压。0.1V的容限被设置成使得如果隧穿电压偏离设置点(1V)10％，则尖端被认为处于隧穿体制。依赖于表1，当没有感测到隧穿电流时，Z-压电移动4nm，其中DAQ然后对来自两个尖端的隧穿电流进行采样。如果不存在隧穿电流，则Z-压电继续移动4nm，直到从任何一个侧尖端或两个尖端感测到隧穿电流为止。如果在侧尖端中的一个处感测到电流，则Z-压电缩回，并且MiT扫描探针头部(其包含MiT探针和电子器件)远离产生隧穿电流的尖端顺时针(CW)或逆时针(CCW)旋转。

[0064] 在图4中描绘的对齐协议的步骤4C中，旋转将中心尖端34放置在相对于步骤A中的其原始位置不同的位置处。在协议的步骤4D中，执行样本台架的X和Y横向平移以将样本定位到原始位置。重新迭代Z-压电移动、旋转和横向移动，直到从两个尖端感测到相等电流(其指示成功的尖端对齐)为止。

[0065] 并且在协议的步骤4E中，为了具有合适的样本-尖端接触，在执行电表征之前，进一步使Z-压电移动额外的10nm。为了保持中间尖端的锐利度的完整性，中间尖端可保持缩回，并且侧尖端用于纳米探测。一旦MiT探针与样本软接触，就关闭样本偏置，并且通过连接到SPM台架的继电器使样本台架电浮置。电流-电压(IV)测量是通过使侧尖端中的一个接地并且将电压斜坡施加于另一侧尖端来进行的。对电导图中的每个点重复对齐和纳米探测例程。

[0066] 如图6所示，纳米探测模式下的MiT探针用于勘测HOPG膜的电阻，其中测得的电阻值的范围对于连续区域来说是从7kΩ起的，对于不连续区域是从170MΩ起的。

[0067] 对齐侧尖端的另一方式是经由光学技术，其中使尖端与样本表面紧邻并且周期性地捕捉如图7所示的尖端的光学图像和它们的反射图像。在Z-压电每次移动时，捕捉并且处理光学图像。从获取的图像，计算每个尖端及其反射图像之间的像素数量。软件算法用于计算每个尖端及其反射图像之间的距离(像素)。缩回MiT探针，并且使MiT探针以最短的尖端-样本距离旋转远离尖端。重新迭代Z-压电移动和旋转，直到每个尖端和样本之间的距离相等为止。

[0068] 在纳米探测模式下，低尖端-样本接触电阻对于实现良好的电响应是关键性的。根据实施例，当探针接触基板时，可使用以下方程来对接触电阻进行建模：

[0069]

[0070] 其中ρprobe和ρsubstrate分别是探针和基板的电阻率，n是表面微凸体的数量，“a”是探针尖端的直径。如果接触区域(Acontact)具有氧化物薄膜电阻(σoxide-film)，则这将使接触电阻增大。探针和基板的功函数必须小心选择，以便避免造成肖特基接触。全金属MiT探针已经被制造。此外，可将不同金属溅射到MiT探针上以改变其功函数。

[0071] 根据实施例，利用算法来控制MiT-SPM。例如，该软件可用各种软件套件开发，包括但不限于LabVIEW。除了其他事情之外，该算法可包括用于移动样本台架、隧穿、电压、电流及其他的控制、阈值或设置。该算法还可包括供用户显现电阻图、形貌的一个或多个输出，并且还监视电流和电压测量。许多其他的设置和输出是可能的。

[0072] 根据实施例，MiT探针和MiT-SPM可用于调查薄膜中从局部到扩散到弹道输送的各种电荷输送转变。能够捕捉这些转变将提供薄膜的电导率的更深入的理解。然而，间隔的可调谐性是使得能够进行这些调查所必需的。当两个探针之间的距离既小于动量弛豫长度、又小于相位弛豫长度时，弹道输送发生。不存在散射，并且当费米波长与间隔可比时，量化的电导发生。在间隔大于动量弛豫长度的情况下，存在散射和减少的传输，并且该体制是扩散性的。在局部输送体制中，间隔既大于相位弛豫长度、又大于动量弛豫长度。

[0073] 可通过将电压斜坡施加于电极F1或F2来缩小中间尖端和侧尖端中的任何一个之间的间隔。还将电压施加于尖端1和尖端2将使中间尖端横向偏转。参照图8A-8C，中心尖端34的致动，其中电压施加于侧尖端，而中间尖端接地。通过调制间隙，可调查输送现象，比如从局部起、扩散和弹道输送的转变。在图8A中，所有尖端都是接地的，而在图8B中，+3.5V施加于尖端1，在图8C中，+3.5V施加于尖端2。

[0074] STM模式

[0075] 当使导电尖端紧邻导电样本(<1nm)并且电位差施加于尖端和样本之间时，电子从尖端隧穿到样本或反过来。测得的隧穿电流可给予关于功函数差异、态密度的信息，并且还通过在整个样本上扫描尖端，可获取形貌和原子信息。常规的STM使用单个尖端，而MiT-SPM使用必须垂直于样本表面对齐的多个集成尖端来避免侧尖端刮伤样本。用于STM模式的对齐协议是与纳米探测模式下使用的并且参照图4描述的方法相同的方法。在尖端对齐之后，在F3上施加偏压的DC被移除，并且MiT探针的中间尖端延伸且用于STM成像。

[0076] 根据实施例，STM操作模式要么是恒流模式，要么是恒高模式。在恒流模式下，尖端将在比例-积分-微分(PID)反馈控制器的帮助下跟踪样本表面的形貌。根据实施例，PID控制器是用软件实现的。在恒高模式下，如图9所示，在样本成像期间Z-压电不移动，图9示出了恒流模式和恒高模式两个模式下的STM。

[0077] 根据实施例，用于纳米探测模式的相同软件可用于STM模式。整个MiT-SPM系统的稳定性对于实现薄膜的原子成像是关键性的。如下面更详细地描述的，SPM易受各种来源的漂移或不稳定性的影响。

[0078] 悬挂的MiT探针可能易受基本的布朗噪声位移的影响。为了实现原子成像，布朗噪声位移的数量级必须小于薄膜的原子间距离。可使用以下方程来估计布朗噪声位移：

[0079]

[0080] 其中kB是玻尔兹曼常数(1.38066×10-23J/K)，T是温度(300K)，b是阻尼系数(1.31×10-7N s/m)，k是弹簧常数(2.56N/m)，ω0是测得的谐振频率(1.95×106rad/s)，Q是质量因子(～10)。在谐振时，布朗噪声力预计为 并且平均噪声位移为假定测量带宽为100Hz，那么布朗噪声引起的探针尖端的位移将为
1.8微微米。例如，尖端的这个布朗噪声位移比HOPG的原子间距离小两个数量级，为横向测量提供足够的SNR。因此，从MiT探针的漂移是可忽略的。

[0081] 尖端在连续纳米探测期间的老化将改变探针接触电阻。根据测量，设置并且定期地监视阈值接触电阻，如果接触电阻超过该值，则更换尖端。

[0082] 热漂移可能是商业SPM中的常见问题。例如，SPM的组装件中所用的金属具有热膨胀系数。测量期间的温度变化将产生热漂移，其将使尖端的位置在整个扫描过程期间相对于样本漂移数十或者甚至数百nm以上。最终的效应将是拉伸的、歪斜的或失真的图像。常用于最小化热漂移的技术中的一些包括在低温恒温器中操作SPM或非常快地扫描(视频速率成像)以使得漂移变得可忽略。因为可在周围空气中以正常的STM/AFM扫描速率操作MiT探针和MiT-SPM，所以可对获取的图像执行漂移补偿算法。根据实施例，除了其他步骤之外，漂移补偿步骤可为：(1)图像采集；(2)漂移速率测量；(3)用于漂移模型的参数；以及(4)漂移补偿。

[0083] 根据实施例，通过在整个连续上下扫描期间跟踪静止组件在校准样本上的位置并且监视位置偏移来补偿横向漂移(x和y)。另一方面，通过在特定点处在该点的整个连续上下扫描期间随着时间的过去测量高度变化来补偿垂直漂移。

[0084] AFM模式

[0085] AFM通常利用可由附连到悬臂的基底的压电材料激励的单个悬臂尖端。悬臂的振动用入射在悬臂的尖端处的激光测量，并且反射的激光信号被收集到正交光电探测器上。光学转导(激光-光电探测器)是优选的，因为它提供更好的低噪声信号转导，但是这些激光系统是庞大的且昂贵的。此外，使激光与悬臂的尖端对齐是花费时间和经历的。激光束还可激励正被表征的材料中的电子/空穴对。因为光学转导的这些缺点，电转导是可实行的选择。

[0086] 根据实施例，MiT-SPM不需要激光来进行尖端对齐。相反，电信号被发送到MiT探针以致动中间探针，并且该运动也通过使用电容式梳状驱动器来电感测。电容式转导由于制造简单化、高灵敏度以及低噪声性能而被使用。当使振动AFM邻近样本表面时，在尖端和样本之间存在原子力。该原子力作用于尖端上以改变其振动频率、振幅和相位。尖端的响应中的这个改变用于形成样本表面的形貌图像。鉴于STM需要尖端和样本之间的电位差，AFM则不需要，并且可用于使绝缘材料成像。因为MiT探针可由导电金属制成，所以它在AFM模式下(作为导电-AFM)用来表征导电材料和绝缘材料这二者。

[0087] 根据实施例，在AFM模式下，通过将AC信号施加于电极F3来作为响应激励中间尖端34，并且沿着样本扫描中间尖端。使用设置(比如图10中描绘的设置)，可测量振动的中间尖端的谐振频率、振幅和相位。锁定放大器可用于创建与通过偏置电源的且在电极F3上启动的DC电压组合的AC扫掠。AC信号将使中间尖端振动，并且F3和中间尖端之间的位移电流(从振动产生)可以设置为5nA/V的灵敏度馈送到低噪声跨阻抗放大器(TIA)中。TIA的输出电压馈送回锁定放大器中以用于解调成幅值和相位。驱动AC频率用于解调输出信号的相位和振幅。图11显示中间尖端的测得的频率响应。根据实施例，电极C1和C2可用作可用于测量中间尖端的位移的差动电容器。

[0088] 现在参照图11，根据实施例的移动尖端在真空中1.9×10-3毫巴的压力下的频率响应测量的曲线图。根据该实验设置，尖端的谐振频率测得为239.7kHz。图11的插图中描绘了谐振频率为291.5kHz的光学测量。计算得到的谐振频率310kHz与光学测得的结果是一致的。中间尖端的弹簧常数为2.56N/m，表明在不使尖端屈曲的情况下获得用于精密放置和接触力的足够刚度。该测量技术可扩展到随着中间尖端扫描表面测量并且跟踪中间尖端的谐振频率、振幅和相位的变化。在谐振时，谐振频率由以下方程给出：

[0089]

[0090] 其中F是电极F3提供的静电驱动力，keff是中间尖端的有效弹簧常数，Q是质量因子，ω0是基本角度谐振频率，m是中间尖端的质量。根据实施例，图12例示说明对于AFM操作模式的无激光设置。

[0091] 根据实施例，AFM的测量分辨率和带宽受噪声到MiT探针的输出信号中的注入的限制。可对来自例如印刷电路板30、TIA 500和锁定放大器的噪声进行分析。锁定放大器的输入噪声可随着TIA的增益变化。为了实现更高的信噪比，将减小TIA的本底噪声和增益。由于MiT探针的高刚度，预计探针的热机械噪声与其他噪声源相比讲将是可忽略的。

[0092] 力曲线表示尖端在给定驱动频率下的振动的、随着尖端-样本距离而变化的振幅。当尖端邻近样本表面时，相互作用力(fext)作用于它上。如以下方程所示，尖端的振动可被建模为谐振子：

[0093]

[0094] 其中meff是振动尖端的有效质量，γ是阻尼因子，keff是有效弹簧常数，fext是作用于探针尖端上的外力，z是尖端位移。根据方程：

[0095]

[0096] 尖端的基本角度谐振频率为ω0，质量因子为Q。振动振幅由方程(6)给出，相位用方程(7)导出：

[0097]

[0098]

[0099] 随着尖端接近表面，由于与表面的排斥相互作用，尖端的振动振幅随着其基本谐振频率增大而减小。当探针与样本永久接触时，不存在振荡。从开始间断接触到永久接触的Z-压电位移表示尖端的振动的自由振幅。

[0100] 根据实施例，力曲线是重要的测量，因为它提供选择适合于反馈回路的设置点振幅来获取AFM图像所需的必要信息。设置点振幅值应低于自由振动振幅以确保尖端以表面上的、但是不会太低以至于使尖端撞到样本上的原子力相互作用。

[0101] 根据实施例，为了获得AFM图像，使用算法实现的PID控制器来使等于设置点的输出振幅信号保持不变。这可通过随着尖端扫描样本对Z-压电进行调制来实现。对记录的Z-压电位移值进行后处理来产生表面形貌。

[0102] 根据实施例，MiT-SPM能够在周围空气和真空两个条件下执行顺序的原子成像和纳米探测。在STM/AFM-纳米探测模式下，首先获取STM/AFM图像，并且使用该图像作为反馈来将MiT探针定位在样本上的特定位置处以用于纳米探测测量或表面电导勘测。因此，STM/AFM-纳米探测模式是用于在不使用SEM的情况下进行纳米尺度电探测的非常有力的技术。

[0103] 现在参照图13，根据实施例的MiT-SPM的电连接的示意图。这些连接使得可进行MiT-SPM的AFM、STM和纳米探测操作。尖端通过一系列继电器/开关(Sw1-Sw6)连接到跨阻抗放大器、DC/AC信号源、数据采集模块(DAQ)、AFM和STM控制器。通过经由开关(Sw7)连接DC/AC信号源来对样本施加偏压。

[0104] 对齐：在对齐例行操作期间，所有开关都是断开的，但是Sw1、Sw6和Sw7是闭合的。跨阻抗放大器具有反馈电阻器(R1和R2)，并且呈现尖端的虚拟地。样本用DC/AC信号源来施加偏压。来自侧尖端的隧穿电流被跨阻抗放大器转换为隧穿电压，并且被馈送到DAQ中。DAQ使用这些隧穿电压来决定哪个方向旋转MiT扫描探针头部。

[0105] STM模式：在尖端对齐之后，使用中间尖端来进行STM或AFM分析。对于STM操作，所有开关都是断开的，但是Sw3和Sw7是闭合的。通过中间尖端的隧穿电流被反馈电阻器R2转换为电压。DAQ记录且操纵电压信号，并且将命令发送到STM控制器。STM控制器然后指示显微镜执行样本的恒流或恒高扫描。

[0106] AFM模式：在AFM操作中，使集成尖端与样本表面对齐，并且在谐振中激励中间尖端。所有开关都是断开的，但是Sw3是闭合的。通过中间尖端的运动电流被反馈电阻器R2转换为运动电压。运动电压被DAQ记录，并且被操纵。被操纵信号被发送到AFM控制器，AFM控制器确定振动频率、振幅和相位的变化。AFM控制器然后将命令信号发送到SPM台架以使得可实现各种AFM测量模式，比如接触模式和轻敲模式。

[0107] 纳米探测模式：在尖端与样本的表面对齐之后，所有开关都是断开的，但是Sw2、Sw4和Sw5是闭合的。尖端被使得直接接触或邻近样本。在样本电浮置的情况下，可调查尖端之间的跨导测量。在某些应用中，可闭合样本开关Sw7，这将使得可对样本施加反向偏压。

[0108] 参照图13，提供没有集成的样本台架的MiT-SPM的实施例。根据实施例，MiT-SPM适配器(没有样本台架的MiT-SPM)可安装到现有的单尖端SPM中以在这些显微镜中利用样本台架。该适配器由图1所示的所有组件组成，但是没有样本台架。根据如图14所示的实施例，MiT-SPM适配器可集成到市售的单尖端SPM，比如JEOL SPM。根据该实施例，NI USB 6259是将向JEOL SPM发送指令的硬件，并且MiT-SPM适配器安装在JEOL SPM的样本台架上。许多其他的构造是可能的。

[0109] 虽然本文中已经描述和例示说明了各种实施例，但是本领域的普通技术人员将容易想像用于执行所述功能和/或获得所述结果和/或本文中描述的优点中的一个或多个的各种其他的手段和/或结构，并且这样的变化和/或修改中的每个被视为在本文中描述的实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易意识到，本文中描述的所有参数、尺寸、材料和构造都意在于示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或构造将取决于本教导所用于的特定的一个应用或多个应用。本领域技术人员将认识到，或能够仅用常规实验来查明，本文中描述的特定实施例的许多等同形式。因此要理解，前述实施例是仅作为例子呈现的，并且在所附权利要求书及其等同形式的范围内，实施例可以除了特别描述和要求保护的方式之外的方式来实施。本公开的实施例针对本文中描述的每一个特征、系统、物品、材料、装备和/或方法。另外，两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、装备和/或方法的任何组合(如果这样的特征、系统、物品、材料、装备和/或方法相互一致)包括在本公开的范围内。

[0110] 所描述的主题的上述实施例可以许多方式中的任何一种方式来实现。例如，一些实施例可使用硬件、软件或它们的组合来实现。当实施例的任何方面至少部分用软件来实现时，软件代码可在任何合适的一个处理器或一组处理器上执行，不管是在单个装置或计算机中提供，还是在多个装置/计算机之间分布。