stm系统结构设计与扫描接口智能化的研究

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1、STM系统结构设计与扫描接口智能化的研究TheresearchthatthedesignofSTMstructureofasystemandscanningconnectingorificeintelligenceturns121杨一平，张平，张建明121YANGYi-ping,ZHANGPing,ZHANGJian-ming（1.重庆大学生物工程学院，重庆400030；2.重庆大学ICT研究中心，重庆400030）摘要：为了获取扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，缩写为STM）三维图像数据，设计开发

2、了一种新型表面分析仪器。对该仪器的电路部分进行分析研究和设进，同时部分硬件实行软件智能化控制。在设计上首先采用外设时钟来引导程序运行，扫描信号自动控制，大大提高了采集精度和速度，同时为了观察不同材质的单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。将获取的材质信息，经三维重建和处理，获得了满意的材质表面的形貌，并用三维图重现出来。关键词：扫描隧道显微镜；电路设计；纳米技术；图像重建与处理中图分类号：TP391　文献标识码：A　文章编号：1009-0134(2010)08-0219-04Doi:10.3969/j.issn.1

3、009-0134.2010.08.680引言别适用于研究生物样品和不同实验条件下对样品表面的评价；纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技[1,2]5）扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电术很可能成为下一世纪前20年的主导技术。子结构的信息。扫描隧道显微镜是检测纳米材料的重要手段，他的出现，使人类第一次能够实时的观察单个原子1STM基本工作原理在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的扫描隧道显微镜的基本工作原理如图1所示。物理化学性质，并为纳米级技术奠定了基础，被图中A为具有原子尺度的针尖，B为被分析样品。国际科学界公认为八十年代世

4、界十大发明成就之STM工作时，在样品和针尖间加一定电压，当样一。品与针尖的距离小于一定值时，由于量子隧道效[3]STM所具有的独特优点可归纳为以下五点：应，样品和针尖间产生隧道电流。1）具有原子级高分辨率。STM在平等和垂直样品表面方向的分辨率分别可达到0.1nm和0.01nm，即可分辨出单个原子；2）时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性表面结构研究。这种实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程（a）恒电流模式（b）恒高度模式的研究；3）观察单个原子层的局部表面结构，而不图1扫描隧道显微镜的工作原理示意图在低

5、温低压下，隧道电流I可近似地表达为是体相或整个表面的平均性质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位式：(1)式中，I表示隧道电流，d表示样品与针尖间的置，以及由吸附体引起的表面重构等等。另外，还可以对单个原子，分子进行加工；距离道条件下，k与有效局部功函数φ有关，可近似表示为：4）真空大气常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水或其他液体中，不需要特别的制样(2)技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点特收稿日期：2010-01-07基金项目：国家自然科学基金项目（60672098）作者简介：杨一平（1957-），

6、男，四川人寿人，工程师，研究方向为生物技术、纳米技术新材料应用。第32卷第8期2010-8【219】上式中，mm为电子质量，φ为有效局部功函钛酸锆酸铅压电陶瓷材料（简称PZT）做成的单管数，h为普朗克常数。典型条件下，φ近似为4eV，扫描器，为使探针更换方便，可将探针直接插入-1K=10nm。由式(1)得，当间隙每增加0.1nm时，隧压电陶瓷管中的针管内。道隧道电流I可更准确表达为：对整个镜体部分来讲，由于工作时针尖与样品间距一般小于1nm，同时隧道电流的大小与隧道距离成指数关系，因而任何微小的振动，都会对(3)仪器的稳定性产生影响。

7、一般来讲由振动所引起上式中，Mµv表示隧道矩阵元，发f(Eµ)为费米的隧道间距变化必须小于0.005nm，STM才能保持函数，V为跨越能垒的电压，Eµ表示状良好的工作状态。在设计上采用弹簧悬吊减震系态µ的能量，µ、v表示针尖和样品表面的所有统，整个镜体用弹簧悬挂起来，用以隔绝外界的状态。Mµv可表示为：振动和干扰。2.2数据采集系统的设计(4)由于STM是一个纳米级的随动系统，因而其上式中，Ψ为波函数。由此可见，隧道电流I电路设计应与机械设计紧密结合，设计的STM的并非表面起伏的简单函数，他表征样品和针尖电电路原理如图2所示，主要由扫

8、描电路，反馈控制子波函数的重叠程度。可将隧道电流I与针尖和回路和步进电机电路等几部分组成。由计算产生样品之间距离d以及平均功函数Φ之间的关系表示的两组数字信号经过数模转换形成两组相关的阶为：跃波电压信号，分别作为X和Y方