扫描隧道显微镜(STM)反馈回路的设计和调试

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1、第30卷第9期　　　　西　安　交　通　大　学　学　报Vol.30　№91996年9月JOURNALOFXI’ANJIAOTONGUNIVERSITYSep.1996扫描隧道显微镜(STM)反馈回路的设计和调试李新肖　宋建平　唐天同(西安交通大学,710049,西安)摘要　　建立了扫描隧道显微镜在恒流模式下的隧道电流回路的等效模型.用根轨迹法分析了回路的自激频率和使回路稳定的最佳电路参数设置原则.给出了该模型下回路的电路实现及电路调整过程中的关键问题.关键词:扫描隧道显微镜　反馈回路　根轨迹　噪声中国图书资料分类

2、法分类号:YN160　引　言扫描隧道显微镜是进行材料表面分析的仪器,广泛应用于物理学、化学、生物学和材料学等领域的微观研究.其纵、横向分辨率分别达0101nm和011nm,是目前综合分辨率最高的电镜.STM中的隧道电流反馈回路质量的优劣是衡量整机水平的关键因素之一.如图1所示,STM的核心部件是一个三维扫描器,它由互相垂直的3个电压陶瓷臂Px、Py、Pz组成.Px和Py在2路扫描电压的驱使下带动探针在样品表面作光栅式扫描,针尖和样品间产生的隧道电流经反馈电路驱动Pz臂,用来控制针尖的高度.在保持隧道电流恒定的情

3、况下,Pz臂上驱动电压的变化反映了样品表面的形貌起伏,经采集后可显示出样品对应区域的图象.要使Pz臂的驱动电压能及时准确地反映样品表面对应区域的形貌变化,对隧道电流反馈回路要求:(1)回路稳定,没有自激发生;(2)扫描过程中维持隧道结间隙图1STM原理图基本不变,即跟踪误差趋近于零.　　收到日期:1995206215.　李新肖:男,1970年4月生,电子与信息工程学院信息与控制系,助教.84西安交通大学学报第30卷上述2个条件相互制约,使实际工作的STM回路往往要调整到接近临界稳定的状态.以前的[1～5]很多文

4、献偏重于讨论回路受规则激励时的瞬态响应特性,并据此优化回路的设计,对于回路的稳定性调节没有深入研究.使回路趋近于临界稳定且在调节过程中不引起自激是实验过程中比较难以把握的步骤,在没有对回路建立合适的数学模型的情况下,回路参数的选择往往根据经验或实验确定,具有一定的盲目性.本文提出将隧道结进行微分等效,采用更接近实际的回路传递函数分析回路的稳定性及其影响因素,得到了在不同条件下STM回路参数的调整方法.1　回路模型的建立图2是隧道电流反馈回路的框图,参考输入用来设定回路中隧道电流的大小.其中正向通路和反馈回路的选

5、择视分析方便而定,不影响我们讨论的结果.需要特别指出的是:我们感兴趣的只是样品表面的相对高度变化,具体的隧道结间隙大小或隧道电流大小仅影响其静态工作点.正向通路中选择积分环节是基于以下考虑:(1)反映样品表面形貌变化的有效信号在低频范围(几十～几百Hz),一般应用中不要求图2　回路模型图回路有很高的响应速度.(2)回路中存在串联积分环节时具有一阶无差度.1.1　隧道结的微分等效1ö21ö2I=kVbexp(-11025

6、,<是平均势垒高度,d=d0+$d,I=I0+$I,恒定电流工作模式$d→0,$I→0,有$I1ö21ö2=-11025

7、数　　典型的三维扫描器具有响应函数表1　三维扫描器Pz臂机电参数kH(SHs+1)1,k-1-1H1(s)=22H1、SH分别是SHösFHXHörad.sVö011nmõVs+2FHXHs+XH-54Pz臂的直流增益和时间常数(决定输入2.6×100.0181×1035相位),FH、XH分别是Pz臂的阻尼系数V是Pz臂的灵敏度第9期李新肖等:扫描隧道显微镜(STM)反馈回路的设计和调试85[3]和谐振频率,我们所采用的三维扫描器Pz臂的机电参数如表1,Pz臂的灵敏度V=kH12H1(s)ûs=0=2,故有kH

8、1=VXH.XH$I1ö2隧道结的等效传递函数　H2(s)=kH==-11025