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基于隧道效应的纳米级振动检测理论与技术的研究

李梦超  
【摘要】: 扫描隧道显微镜(STM)是纳米测量研究中最有利的工具之一,提高仪器精度和重复性是测试的两个重要的指标。STM工作时隧道间隙在几个纳米左右,即使在使用隔振平台的情况下,在测量过程中也会受到外界随机振动的影响,且测量的重复性很低。因此,振动已经成为提高纳米测量精度的主要障碍之一。抗振、隔振、振动补偿技术成为纳米测量领域中的一大分支,特别是纳米级振动测试技术的发展,对于纳米学科的研究具有非常重要的意义。 振动对STM的测量结果影响很大,说明STM对振动非常敏感,反过来思考,利用基于隧道效应的测量原理,可以对纳米级振动进行检测,并对STM振动引起的误差进行补偿。 本课题的研究内容主要包括: 1.对纳米级振动测量机理和方法进行初步的研究和探索,提出基于隧道效应的纳米级振动检测的方法。该方法可以实现STM工作状态下进行在线的检测,而且采用和STM相同的测量原理,可以实现对STM的全补偿。 2.设计了采用双平台微动结构的纳米级振动检测实验系统,两个平台分别在横向和纵向达到纳米级的分辨率。这样可以保证在隧道状态下对纳米级振动进行测量。系统具有稳定,刚性好,符合阿贝误差原理设计的特性。 3.设计了适用于隧道电流测量的检测电路。设计了测头结构,解决了检测电路屏蔽和针尖固定的问题。进行了隧道电流的静态、动态特性的测量试验,并对静态特性进行了标定,其分辨率可以达到1pA。 4.利用该实验系统进行了纳米级振动的检测实验,得到不同频率、不同振幅、不同激振信号情况下,系统对纳米级振动的响应情况。实验表明,系统对频率、振幅等改变情况下,其输出响应也会出现规律性的改变。 5.分析了该实验系统误差的来源,提出后续需要改进和解决的方法,为纳米级振动微型传感器的设计打下基础。


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