【硕士论文】高精密扫描隧道显微镜及原子力显微镜研制.pdf

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1、摘要摘要扫描隧道显微镜和原子力显微镜是扫描探针显微镜家族里应用最为广泛的两种显微镜。它们拥有原子分辨、原子搬运、纳米微加工等共同的功能性特征，但因二者的工作原理的不同，它们得到的结果所反映的样品表面信息是完全不同的。扫描隧道显微镜测量的是样品表面的电子态，它得到的结果反映的是样品表面的电子态分布的信息。虽然具有原子分辨率，但扫描隧道显微镜并不能测量到样品的真结构。而原子力显微镜测量的是探针原子与样品原子之间的相互作用力，因而它得到的图像反映的是样品表面真实的原子排列信息，即：样品的真结构。但，原子力显微镜不能测量到可与理论比

2、较的电子态的信息。所以扫描隧道显微镜和原子力显微镜是互补的。目前世界上商业和自制的扫描隧道显微镜和原子力显微镜非常多，也已经很成熟，但绝大部分都需要在高电压(高于lOOV)的条件下才能工作，原因在于他们用于粗逼近(进针)的压电步进马达需要高压才能工作。使用高电压就必须要使用诸如高压运算放大器，高压三极管等高压元器件，这就带来了漏电流大、精度低、噪音大、温漂大等一些列的缺点，同时高电压的使用也带来了高成本和高不安全因素。而且这些在高电压下工作的压电步进马达大多体积比较大、结构与控制复杂，因而基于这些步进马达而设计的扫描探针显微

3、镜镜体的体积就比较大，也比较复杂，这些因素都不利于将他们集成为一体以及植入到各种极端环境中。为了克服以上的缺点，我们在世界上首次提出了全低压扫描隧道显微镜的概念，发明了纵横转置横向隧道结调节技术，彻底的放弃了高压，从而避免了因高压的使用而带来的各种缺点与危害。传统技术利用的是压电扫描管的轴向压电位移(单位低压产生的位移值较小)来产生惯性步进(粗逼近)，这就需要用高压才能产生足够大的惯性力，从而克服摩擦力，产生步进。为了能在低压(小于工业标准低压器件的电源电压15V)下实现粗逼近，我们利用压电扫描管切向位移远大于轴向位移的特点

4、，把传统扫描探针显微镜的探针一样品结转90。(横过来)使用，在此纵横转置横向隧道结调节技术的基础上研制成功了能在低电压(4V)下行走的惯性步进马达，从而在世界上第一次实现了全低压下工作的扫描隧道显微镜(也适用于其它扫描探针显微镜)，在室温大气条件下采用剪刀剪切的铂铱合金探针就获得了可与低温超高真空条件下使用电化学腐蚀的钨针相媲美的极清晰石墨原子图像(原始数据)。在我主持开发的纵横转置扫描隧道显微镜基杭州网站优化http://www.001baidu.com/包装设计包装设计http://www.517art.com/摘要础上

5、，改进版(由庞宗强完成)的惯性马达能够在全低压的环境下进行二维方向的步进，基于此马达的扫描探针显微镜能够实现大范围无间隙原子精度的搜索成像(可搜索样品表面稀少但重要的缺陷、器件等)。纵横转置横向隧道结调节技术采用两个扫描管并列固定在同一个基座上，二者之间的间距在一个毫米以内。因为两个扫描管是完全相同的，因而在压电扫描管的轴向方向的热漂移得到极大的补偿(抵消)，同时两个全同扫描管的并列站立的结构也补偿了外界的干扰对隧道结的影响。本结构中决定热漂移的因素是两个扫描管之间的基座，但我们采用的是蓝宝石基座，他的导热性能非常好，热胀系

6、数也很小，同时两个扫描管的相邻两面之间的间距不到lmm，因而基座的热胀冷缩效应对隧道结的影响可以忽略，所以我们的全低压横向隧道结扫描隧道显微镜是高度热稳定的，非常适合于在变温的场合使用。更重要的是利用本技术制作的镜体的体积非常小，能很容易的植入到各种极端环境中。基于这种纵横转置横向隧道结调节技术，我们目前正在研制能植入到052rnm20T超强磁体中的世界最强磁场扫描隧道显微镜。在扫描隧道显微镜领域，当前有文献可查的前置放大器的电流分辨率最高只有50fA，前置放大器分辨率太低限制了STM在不良导体或绝缘体领域的应用。我们自主开

7、发的超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，使探针接真地以减少传统探针接虚地带来的针尖电场干扰问题，并采用极高输入阻抗的二级去偏压测量方法，配之上面提到的全低压技术，得到了在扫描隧道显微镜领域内创纪录的lOfh的电流分辨率，这也将有助于将扫描隧道显微镜向绝缘体领域拓展，对于利用扫描隧道显微镜进行不良导体(如生物样品)甚至绝缘体的研究有重要的意义。电路采用两级放大的形式，前后级电路通过电桥方式连接以去除输出信号中的偏压分量，从而得到正确的输出值。利用极高的二级输入阻抗来降低二级放大对一级信号的畸变，提高整个放大器的精度。全部

8、的测量器件均为高精度的低压器件。我们拥有发明专利权的双通道差分抗干扰电流放大电路采用完全对称的电路形式，拥有极高的抗电磁干扰的能力，有效地压制共模信号的干扰，能在完全无屏蔽的情况下测量到皮安(pA)甚至飞安(fA)级的极弱电流信号，这在国际上也未见有过报道。在微弱信号测量领域有着广泛的应用