顯微監(jiān)控型掃描隧道顯微鏡研制.pdf

1、納米科技是近年來(lái)迅速發(fā)展的前沿領(lǐng)域，而以?huà)呙杷淼里@微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描探針顯微鏡(SPM)是納米科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。自1982年問(wèn)世以來(lái)，STM逐漸發(fā)展成為納米科技以及相關(guān)領(lǐng)域的工作者不可或缺的研究?jī)x器及工具，因此，對(duì)STM系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　目前，STM儀器主要依賴(lài)進(jìn)口，雖然這些儀器具有各方面的優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在系統(tǒng)龐大，操作復(fù)雜、抗震要求苛刻、大多無(wú)顯微監(jiān)控等局限性

2、。針對(duì)STM系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文選定基于USB顯微監(jiān)控的STM技術(shù)及系統(tǒng)開(kāi)展研究工作，主要的研究?jī)?nèi)容及取得的成果包括以下幾個(gè)方面:
　　提出和發(fā)展了一種USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng)的新方法，將新型STM探頭與顯微監(jiān)控單元相結(jié)合，自行研制和優(yōu)化了掃描與反饋控制電路系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了新型的STM軟件，研發(fā)出USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng)，得到理想的研究結(jié)果。
　　研究設(shè)計(jì)了新型的STM探頭，由STM探針、樣品、XYZ掃描控制器、粗調(diào)和微調(diào)機(jī)

3、構(gòu)、USB顯微監(jiān)控單元等部分組成。采用三軸正交的XYZ掃描控制器，提高STM系統(tǒng)的掃描驅(qū)動(dòng)和承載能力;將STM探頭與USB顯微監(jiān)控單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微樣品—探針逼近過(guò)程的實(shí)時(shí)顯微監(jiān)控;整個(gè)探頭采用緊湊的一體化設(shè)計(jì)，大大提高了STM的抗震性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。
　　研制了STM的掃描與反饋控制電路系統(tǒng)，包括偏壓電路、前置放大器、比例—積分—微分(PID)反饋控制電路、XY掃描控制電路、高壓放大電路模塊和硬件接口等部分。偏壓電路可以實(shí)

4、現(xiàn)偏置電壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，前置放大器可將0.1～10 nA范圍內(nèi)的隧道電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，PID反饋控制電路可實(shí)現(xiàn)樣品—探針間距的微納米反饋調(diào)節(jié)，并可實(shí)現(xiàn)等高和恒流兩種工作模式的切換。
　　研發(fā)了STM的軟件系統(tǒng)。該軟件具備隧道電流的預(yù)檢測(cè)功能，可以預(yù)先實(shí)時(shí)讀取樣品—探針之間隧道電流的大小，有效地實(shí)現(xiàn)偏壓和參考電流等參數(shù)的預(yù)設(shè)置;以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)樣品的STM掃描成像，并具備STM圖像的二維與三維顯示、標(biāo)尺設(shè)定及圖像處理等功能。

5、　　研究建立了USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng)，并開(kāi)展了充分的實(shí)驗(yàn)研究。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試、分析與優(yōu)化研究，其最大掃描范圍4000 nm×4000nm，顯微監(jiān)控單元的總放大倍數(shù)可在10～500倍任意調(diào)節(jié)，可以監(jiān)測(cè)到的隧道電流最小為0.1nA，即Z向分辨率為0.1 nm。在此基礎(chǔ)上，在多種掃描范圍、多種掃描參數(shù)條件下，對(duì)多種樣品開(kāi)展了STM掃描成像實(shí)驗(yàn)，得到了滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了本文的USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng)具備的優(yōu)良特性，為實(shí)際推廣