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《重庆大学》 2002年
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扫描隧道显微术的理论基础和大范围、快速扫描关键技术的研究

王银峰  
【摘要】: 扫描隧道显微镜(STM)作为纳米科技中最为有效和重要的检测加工手段之一,其应用随着纳米科技热的兴起而日益引起人们的重视,仪器本身的稳定性、图像质量、操作的简便性以及应用领域的拓展和产业化也越来越受到关注。 本论文在分析国内外STM研究和应用现状的基础上,通过STM.IPC-205B型机的研制,对现有STM仪器缺陷和不足作了比较深入全面的理论分析和实验研究,针对大范围快速扫描的一系列关键技术的突破,不仅拓展了STM的应用领域,也为STM在国内的普及和产业化奠定了良好的基础。 本论文研究的主要内容包括:研究了STM扫描控制系统设计的基本理论,主要是满足大范围快速扫描的高精度、低噪声、线性良好的前置放大器和对数放大器的设计理论和工程实现途径;研究了在纳米级精度上进行大范围快速扫描的微位移传动系统的设计理论及工程实现途径;从理论和实验两个方面着手,研究了对实现STM理论精度有重大影响的噪声和振动源的物理机理以及减振降噪的技术措施。 论文的创造性成果主要体现在: (1)提出了满足大范围快速扫描要求的扫描控制系统设计新理论。由于所检测的隧道电流是nA级的极微弱信号,且与隧道距离呈指数关系,而控制压电陶瓷的反馈电压达到几十伏,控制精度在mV量级,并要求全程线性度好,常用的单级前置放大器和折线误差放大器只有在扫速慢、范围小(2μm×2μm)情况下才能获得比较满意的图象。在前置放大器中采用三级线性放大,可以分解放大倍数,降低信躁比。而用对数放大器取替折线放大器,可以确保反馈控制在动态范围较大时的线性度。该设计理论的提出,使STM在大范围快速扫描领域内的应用成为可能。 (2)首次采用改进的机械传动和压电陶瓷组合结构实现了大范围纳米级的传动、定位和检测,设计的三维数显工作平台突破了压电陶瓷动态范围的限制,使扫描范围由2μm×2μm扩大到25mm×25mm,并改善了STM进行纳米级加工的可靠性。 (3)在全面分析噪音和振动形成机理的基础上,通过大量的实际检测验证,提出了新的减振降噪技术措施,并首次将小波理论应用于STM图象处理,使STM对环境的要求大幅度降低。具体做法还包括:采用外设时钟,突破计算机内部时钟1ms的精度限制,避免了计算机执行其它指令时产生的噪声信号;采用工控机、主板、高屏蔽镜体,减少飞线连接,分离步进机和数据采集系统的机箱,有效地提高了信噪比;采用全息平台的减振模式,吸收高频、低频段的横纵向振动能量,并改善仪器整体的刚性结构,防止出现共振;采用智能数字化控制和高精度的A/D、D/A卡,进一步提高控制的精确度等。 重庆大学博士学位论文 本论文的研究工作具有重要的理论意义和实用价值,除了在相关技术基础理 论和系统设计理论上有所突破,还广泛采用了集成电路、计算机以及机械等相关 技术的最新研究成果,为STM制造的全面国产化和在应用深度、广度上的进一步 拓展奠定了一定的基础。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TH742

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