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扫描隧道显微镜的新方法研究和系统研制

马尚行  
【摘要】:近年来,人类在纳米科技领域内的研究取得了引人瞩目的成就。而以扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)是纳米科技发展的重要基础。STM系统的出现首次成功实现了对原子实空间图像的观察,促进了人类对微观领域的认知,推动了纳米科技的发展。目前,STM在物理学、化学、材料科学、生物学、微电子学等领域内得到了广泛的应用并不断推动着这些领域的发展。因此,对STM系统进行优化研究具有重要的理论意义和实用价值。目前,国内外STM系统的工作环境主要有真空中和大气环境下两种情况。前者需要真空腔等高级部件,因此价格较昂贵,不利于其作为商业仪器进行推广。而后者结构较简单,价格也便宜,因此其更具有实用的价值。事实上,工作在大气环境下的STM系统正越来越多的为人们所接受,并在很多领域内得到了广泛的应用,显示了其优越性。针对现有的STM发展状况,本文对工作于大气环境下的STM系统进行了优化研究,提出了一种新的控制探针一样品逼近的驱动方法,使系统在自动化、小型化、稳定性方面都得到了改善。该方法的突出优点是驱动器的移动步长可以任意的选择,移动距离可以无限长,因此该方法在很多领域内可得到广泛应用。 本文的主要研究工作内容、研究特色和创新之处包括: 在理论上,全面系统的揭示了新驱动机构的工作原理,即利用驱动器与载物台之间的摩擦力和惯性原理使目标产生步进式微位移。结合压电陶瓷的性能,分析了在各种驱动波形下,载物台的移动情况,并从微观的角度对载物台的移动过程进行分析。通过实验选出一对最理想的曲线作为控制驱动器移动的波形:控制探针和样品的靠近和远离。此外,通过在不同驱动电压和控制周期数下,对载物台移动情况的测试,建立了载物台移动步长与控制电压及周期数之间的关系图表,根据图表选定最适合的情况作为控制驱动器粗、细逼近和后退的移动步长。 在技术方法上,建立了STM系统的实验装置。在系统探头设计方面,用新型的冲击式微位移驱动器代替原有的齿轮式控制器来达到探针一样品间距的自动定位,采用了一种方便探针和样品装卸的新方法,并对整个探头系统进行了防震和防噪处理及小型化设计,提高了系统的抗干扰能力。另外,将前置放大器尽量的与探头系统靠在一块,有利于减小外界对系统的影响,采用四象限压电陶瓷扫描器,有利于减少图像在扫描时受 浙江大学硕士论文 温度漂移所带来的影响,提高了系统的整体性能。在系统的控制电路设计方面,完成了 前置放大、反馈控制、定位控制等电路的优化设计。在系统的软件控制方面,完成了定 位控制软件、压电陶瓷非线性校正控制软件及图像优化软件的编写。并在利用计算机和 电路控制驱动器时,采用了分时复用的思想,简化了系统装置。 在实验和应用方面,利用自行研制的STM装置,对不同样品进行了实验。成功地 获得了高定向热解石墨和硅基底镀金样品表面在不同扫描参数下的STM图像。因此, 该方法可用于控制STM系统的探针一样品的间距,并能达到自动定位的效果,使整个 系统在小型化、自动化及稳定性方面都得到了改善,方便了系统的操作,提高了系统的 整体性能较好的实现了本文的预期目标。 本文最后对课题的研究进行了总结,并对该课题的研究工作提出了展望。 关键词:扫描隧道显微镜,驱动器,摩擦力和惯性原理,定位控制,小型化,自动化, STM图像


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