本文關(guān)鍵詞：顯微監(jiān)控型掃描隧道顯微鏡研制

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【摘要】：納米科技是近年來(lái)迅速發(fā)展的前沿領(lǐng)域,而以掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描探針顯微鏡(SPM)是納米科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。自1982年問(wèn)世以來(lái),STM逐漸發(fā)展成為納米科技以及相關(guān)領(lǐng)域的工作者不可或缺的研究?jī)x器及工具,因此,對(duì)STM系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前,STM儀器主要依賴進(jìn)口,雖然這些儀器具有各方面的優(yōu)點(diǎn),但仍然存在系統(tǒng)龐大,操作復(fù)雜、抗震要求苛刻、大多無(wú)顯微監(jiān)控等局限性。針對(duì)STM系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,本文選定基于USB顯微監(jiān)控的STM技術(shù)及系統(tǒng)開展研究工作,主要的研究?jī)?nèi)容及取得的成果包括以下幾個(gè)方面：提出和發(fā)展了一種USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng)的新方法,將新型STM探頭與顯微監(jiān)控單元相結(jié)合,自行研制和優(yōu)化了掃描與反饋控制電路系統(tǒng),開發(fā)了新型的STM軟件,研發(fā)出USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng),得到理想的研究結(jié)果。研究設(shè)計(jì)了新型的STM探頭,由STM探針、樣品、XYZ掃描控制器、粗調(diào)和微調(diào)機(jī)構(gòu)、USB顯微監(jiān)控單元等部分組成。采用三軸正交的XYZ掃描控制器,提高STM系統(tǒng)的掃描驅(qū)動(dòng)和承載能力；將STM探頭與USB顯微監(jiān)控單元相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微樣品—探針逼近過(guò)程的實(shí)時(shí)顯微監(jiān)控；整個(gè)探頭采用緊湊的一體化設(shè)計(jì),大大提高了STM的抗震性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。研制了STM的掃描與反饋控制電路系統(tǒng),包括偏壓電路、前置放大器、比例—積分—微分(PID)反饋控制電路、XY掃描控制電路、高壓放大電路模塊和硬件接口等部分。偏壓電路可以實(shí)現(xiàn)偏置電壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),前置放大器可將0.1～10 nA范圍內(nèi)的隧道電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),PID反饋控制電路可實(shí)現(xiàn)樣品—探針間距的微納米反饋調(diào)節(jié),并可實(shí)現(xiàn)等高和恒流兩種工作模式的切換。研發(fā)了STM的軟件系統(tǒng)。該軟件具備隧道電流的預(yù)檢測(cè)功能,可以預(yù)先實(shí)時(shí)讀取樣品—探針之間隧道電流的大小,有效地實(shí)現(xiàn)偏壓和參考電流等參數(shù)的預(yù)設(shè)置；以此為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)樣品的STM掃描成像,并具備STM圖像的二維與三維顯示、標(biāo)尺設(shè)定及圖像處理等功能。研究建立了USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng),并開展了充分的實(shí)驗(yàn)研究。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試、分析與優(yōu)化研究,其最大掃描范圍4000 nmx4000 nm,顯微監(jiān)控單元的總放大倍數(shù)可在10～500倍任意調(diào)節(jié),可以監(jiān)測(cè)到的隧道電流最小為0.1 nA,即Z向分辨率為0.1 nm。在此基礎(chǔ)上,在多種掃描范圍、多種掃描參數(shù)條件下,對(duì)多種樣品開展了STM掃描成像實(shí)驗(yàn),得到了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明了本文的USB顯微監(jiān)控型STM系統(tǒng)具備的優(yōu)良特性,為實(shí)際推廣應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：掃描隧道顯微鏡 隧道電流 顯微監(jiān)控 掃描控制器 STM圖像
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH742
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 掃描探針顯微鏡11-15
• 1.1.1 SPM家族概述11-15
• 1.1.2 SPM的應(yīng)用15
• 1.2 掃描隧道顯微鏡(STM)技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)15-21
• 1.2.1 STM的發(fā)展現(xiàn)狀15-17
• 1.2.2 STM的研究與應(yīng)用17-20
• 1.2.3 STM的優(yōu)缺點(diǎn)20-21
• 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容21-23
• 第2章 掃描隧道顯微鏡的原理與系統(tǒng)23-39
• 2.1 STM的工作原理23-25
• 2.1.1 隧道效應(yīng)理論23-24
• 2.1.2 STM的成像機(jī)制24-25
• 2.2 STM的工作模式25-29
• 2.2.1 等高模式25-26
• 2.2.2 恒流模式26-27
• 2.2.3 其他模式27-29
• 2.3 STM系統(tǒng)的組成29-39
• 第3章 顯微監(jiān)控型掃描隧道顯微鏡研制39-57
• 3.1 顯微監(jiān)控型STM的總體結(jié)構(gòu)39-40
• 3.2 新型STM探頭設(shè)計(jì)40-46
• 3.2.1 探針及其制備40-42
• 3.2.2 掃描與反饋控制器42-44
• 3.2.3 粗調(diào)和微調(diào)機(jī)構(gòu)44-45
• 3.2.4 顯微監(jiān)測(cè)系統(tǒng)45
• 3.2.5 屏蔽與防震45-46
• 3.3 掃描與反饋控制電路46-52
• 3.3.1 前置放大器47-48
• 3.3.2 偏壓電路48-49
• 3.3.3 PID反饋控制模塊49-51
• 3.3.4 一體化的掃描與反饋放大電路51-52
• 3.4 計(jì)算機(jī)硬件接口及軟件52-57
• 3.4.1 PCI 8620型A/D&D/A接口卡52-54
• 3.4.2 STM系統(tǒng)軟件54-57
• 第4章 STM系統(tǒng)性能測(cè)試、分析與優(yōu)化研究57-63
• 4.1 引言57
• 4.2 樣品—探針進(jìn)給過(guò)程的顯微監(jiān)控57-59
• 4.2.1 樣品—探針粗調(diào)過(guò)程的顯微監(jiān)控57-58
• 4.2.2 微調(diào)進(jìn)給的顯微監(jiān)控58-59
• 4.3 隧道電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)59-61
• 4.3.1 STM系統(tǒng)的隧道電流分辨特性60
• 4.3.2 不同偏置電壓下隧道電流監(jiān)測(cè)60-61
• 4.4 基于標(biāo)準(zhǔn)樣品的STM性能測(cè)試61-63
• 第5章 顯微監(jiān)控型STM的掃描實(shí)驗(yàn)研究63-69
• 5.1 掃描重復(fù)性測(cè)試63-65
• 5.2 不同掃描測(cè)試條件的掃描實(shí)驗(yàn)65-67
• 5.2.1 利用不同探針材料的掃描實(shí)驗(yàn)65-66
• 5.2.2 不同偏壓設(shè)置的掃描實(shí)驗(yàn)66-67
• 5.3 鍍金聚丙烯基片表面的STM成像67
• 5.4 石墨樣品的STM掃描成像67-69
• 第6章 總結(jié)與展望69-71
• 6.1 研究工作總結(jié)69-70
• 6.2 展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-75
• 作者簡(jiǎn)介及研究成果75

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