显微监控型扫描隧道显微镜研制

发布时间：2017-10-01 21:27

  本文关键词：显微监控型扫描隧道显微镜研制

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【摘要】：纳米科技是近年来迅速发展的前沿领域,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。自1982年问世以来,STM逐渐发展成为纳米科技以及相关领域的工作者不可或缺的研究仪器及工具,因此,对STM系统进行研究和优化具有重要的理论意义和实用价值。目前,STM仪器主要依赖进口,虽然这些仪器具有各方面的优点,但仍然存在系统庞大,操作复杂、抗震要求苛刻、大多无显微监控等局限性。针对STM系统的发展现状,本文选定基于USB显微监控的STM技术及系统开展研究工作,主要的研究内容及取得的成果包括以下几个方面：提出和发展了一种USB显微监控型STM系统的新方法,将新型STM探头与显微监控单元相结合,自行研制和优化了扫描与反馈控制电路系统,开发了新型的STM软件,研发出USB显微监控型STM系统,得到理想的研究结果。研究设计了新型的STM探头,由STM探针、样品、XYZ扫描控制器、粗调和微调机构、USB显微监控单元等部分组成。采用三轴正交的XYZ扫描控制器,提高STM系统的扫描驱动和承载能力；将STM探头与USB显微监控单元相结合,实现了对微样品—探针逼近过程的实时显微监控；整个探头采用紧凑的一体化设计,大大提高了STM的抗震性、稳定性和实用性。研制了STM的扫描与反馈控制电路系统,包括偏压电路、前置放大器、比例—积分—微分(PID)反馈控制电路、XY扫描控制电路、高压放大电路模块和硬件接口等部分。偏压电路可以实现偏置电压的无级调节,前置放大器可将0.1～10 nA范围内的隧道电流转换成电压信号,PID反馈控制电路可实现样品—探针间距的微纳米反馈调节,并可实现等高和恒流两种工作模式的切换。研发了STM的软件系统。该软件具备隧道电流的预检测功能,可以预先实时读取样品—探针之间隧道电流的大小,有效地实现偏压和参考电流等参数的预设置；以此为基础,实现样品的STM扫描成像,并具备STM图像的二维与三维显示、标尺设定及图像处理等功能。研究建立了USB显微监控型STM系统,并开展了充分的实验研究。首先进行了系统的性能测试、分析与优化研究,其最大扫描范围4000 nmx4000 nm,显微监控单元的总放大倍数可在10～500倍任意调节,可以监测到的隧道电流最小为0.1 nA,即Z向分辨率为0.1 nm。在此基础上,在多种扫描范围、多种扫描参数条件下,对多种样品开展了STM扫描成像实验,得到了满意的实验结果,证明了本文的USB显微监控型STM系统具备的优良特性,为实际推广应用提供了技术基础。
【关键词】：扫描隧道显微镜 隧道电流 显微监控 扫描控制器 STM图像
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 扫描探针显微镜11-15
• 1.1.1 SPM家族概述11-15
• 1.1.2 SPM的应用15
• 1.2 扫描隧道显微镜(STM)技术及其优缺点15-21
• 1.2.1 STM的发展现状15-17
• 1.2.2 STM的研究与应用17-20
• 1.2.3 STM的优缺点20-21
• 1.3 本文的研究内容21-23
• 第2章 扫描隧道显微镜的原理与系统23-39
• 2.1 STM的工作原理23-25
• 2.1.1 隧道效应理论23-24
• 2.1.2 STM的成像机制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系统的组成29-39
• 第3章 显微监控型扫描隧道显微镜研制39-57
• 3.1 显微监控型STM的总体结构39-40
• 3.2 新型STM探头设计40-46
• 3.2.1 探针及其制备40-42
• 3.2.2 扫描与反馈控制器42-44
• 3.2.3 粗调和微调机构44-45
• 3.2.4 显微监测系统45
• 3.2.5 屏蔽与防震45-46
• 3.3 扫描与反馈控制电路46-52
• 3.3.1 前置放大器47-48
• 3.3.2 偏压电路48-49
• 3.3.3 PID反馈控制模块49-51
• 3.3.4 一体化的扫描与反馈放大电路51-52
• 3.4 计算机硬件接口及软件52-57
• 3.4.1 PCI 8620型A/D&D/A接口卡52-54
• 3.4.2 STM系统软件54-57
• 第4章 STM系统性能测试、分析与优化研究57-63
• 4.1 引言57
• 4.2 样品—探针进给过程的显微监控57-59
• 4.2.1 样品—探针粗调过程的显微监控57-58
• 4.2.2 微调进给的显微监控58-59
• 4.3 隧道电流的实时检测59-61
• 4.3.1 STM系统的隧道电流分辨特性60
• 4.3.2 不同偏置电压下隧道电流监测60-61
• 4.4 基于标准样品的STM性能测试61-63
• 第5章 显微监控型STM的扫描实验研究63-69
• 5.1 扫描重复性测试63-65
• 5.2 不同扫描测试条件的扫描实验65-67
• 5.2.1 利用不同探针材料的扫描实验65-66
• 5.2.2 不同偏压设置的扫描实验66-67
• 5.3 镀金聚丙烯基片表面的STM成像67
• 5.4 石墨样品的STM扫描成像67-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 6.1 研究工作总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 作者简介及研究成果75

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本文编号：955777