掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進

1、北京大學政學者論文集（2002年）掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進371掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進TheImprovementofDataAcquisitionControlSystemofScanningTunnelingMicroscope物理學院物理系99級章一鳴馬雄峰摘要本文闡述了我們在實驗室原有掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)的基礎上改進其數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的工作，主要的改進在電子學

2、和程序控制兩方面。我們采用最新的AD7202板卡改進了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，并根據(jù)新的系統(tǒng)重寫了Windows2000下的控制程序和圖像處理程序，使系統(tǒng)從原有的200200分辨率擴展至現(xiàn)在的較大可變范圍（256256～20482048）。我們應用新的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)觀察了高定向石墨表面，將新系統(tǒng)和舊系統(tǒng)進行比較，驗證新系統(tǒng)的可行性。關鍵詞掃描隧道顯微鏡，數(shù)模轉換AbstractThisthesisconcernsaboutourwkon

3、improvingthedataacquisitioncontrolsystemofaScanningTunnelingMicroscope(STM)systemonthebasisoftheiginalone.Thedevelopmentfocusesmainlyontheelectronicsystemthecontrolprogram.Weimprovedthedataacquisitioncontrolsystemwiththe

4、AD7202cardaccdingtothenewsystemwerewritethecontrolprogramimageprocessingprogramunderWindows2000extendingthescanningresolutionfrom200200toalargervariablerange(256256～20482048).WeusethisnewSTMtoobservethesurfaceofHOPGcompa

5、rethenewsystemwiththeoldonetoverifythefeasibilityofthenewsystem.Keywds北京大學政學者論文集（2002年）掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進373一、掃描隧道顯微鏡簡介今年正值IBM蘇黎世實驗室的G.Binnig與H.Rohrer等人發(fā)明世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(Scanningtunnelingmicroscope，簡稱STM)二○1○3十周年。因為發(fā)明STM

6、的卓越貢獻，G.Binnig與H.Rohrer和E.Ruska分享了1986年度的Nobel物理學獎，距今也已經16年了。STM這一新型的表面分析技術引起了越來越多的物理學、化學、生物學、材料科學、微電子科學等領域的工作者的關注和興趣，其理論、實驗技術和應用研究也得到了迅速的發(fā)展?！?STM的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。STM的核心部件是一個能在樣品表面進行掃描的金屬探針（tip），探針固定在用壓電陶瓷做成的三維坐標架上。當針尖

7、很靠近樣品表面時，由于量子力學中的隧道效應，針尖和樣品之間會發(fā)生電子隧穿現(xiàn)象，當給針尖和樣品之間加上一適當偏壓VT，則可探測到隧道電流JT。而這個隧道電流及其敏感的依賴于探針和樣品之間的距離，從而使得STM有很高的分辨本領，在面內（橫向）的分辨率約為0.1nm，在垂直的方向上則要優(yōu)于0.01nm?！?STM的基本構造可分為以下幾部分：機械裝置（掃描探針，壓電陶瓷構成的三維掃描控制器，粗逼近馬達和多級減震措施），電子學系統(tǒng)（信號的各級放大

8、和運算，反饋控制等），數(shù)模轉換部分（計算機與電子學系統(tǒng)通信的橋梁）和計算機（硬件接口和相應的控制軟件）。這里需要指出的是，一般的STM系統(tǒng)在恒定電流模式下采集的電壓只能反映針尖在Z向的位置，我們實驗室的系統(tǒng)可以有兩種數(shù)據(jù)采集模式：直流模式和交流模式。其中直流模式下采集的電壓反映針尖在Z向的位置，交流模式下采集的電壓反映針尖在Z向的位置變化，是我們的STM系統(tǒng)所特有的，也是在我們實驗室里最常用的。由于不同模式對我們的工作有著不同的要求，下

9、面簡要介紹一下這兩種模式的特點。加在Z陶瓷上的電壓來自HVZ的輸出，經過右面的網(wǎng)絡：可見，開關選在直流檔，即在直流模式下，Z陶瓷上的電壓經過簡單的分壓，輸出電壓與Z陶瓷電壓成正比。在交流模式下，Z陶瓷上的電壓經過一阻容構成的高通濾波器，輸出電壓反映了Z陶瓷電壓的變化。交流模式的優(yōu)點在于：所得到的數(shù)據(jù)不直接反映Z陶瓷的電壓（針尖的高度），而反映其變化（在功函數(shù)一定的情況下，反映樣品表面的起伏），從而避免了在直流模式下的XY電壓的補償調節(jié)，

10、并且去掉了無用且相對較大的直流信號，有利于提取有用信號。比如對于樣品表面臺階（幾個原子高度）的研究，直流模式下是無能為力的，因為它只能得到一邊是白一邊是黑的圖像，而在交流模式下卻能得到臺階處的原子分辨。但是交流模式對系統(tǒng)提出了更高的要求，因為輸出電壓不僅是HVZ的函數(shù)，還是時間的函數(shù)。網(wǎng)絡的時間常數(shù)為15ms，這就要求我們對每步之間的時間間隔控制必須非常精確（Δt15ms），這樣得到的數(shù)據(jù)才是有意義的。在后面會說到，我們利用硬件支持的P