掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進(jìn)

1、北京大學(xué)政學(xué)者論文集（2002年）掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進(jìn)371掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進(jìn)掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進(jìn)TheImprovementofDataAcquisitionControlSystemofScanningTunnelingMicroscope物理學(xué)院物理系99級(jí)章一鳴馬雄峰摘要本文闡述了我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室原有掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)其數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的工作，主要的改進(jìn)在電子學(xué)

2、和程序控制兩方面。我們采用最新的AD7202板卡改進(jìn)了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，并根據(jù)新的系統(tǒng)重寫(xiě)了Windows2000下的控制程序和圖像處理程序，使系統(tǒng)從原有的200200分辨率擴(kuò)展至現(xiàn)在的較大可變范圍（256256～20482048）。我們應(yīng)用新的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)觀(guān)察了高定向石墨表面，將新系統(tǒng)和舊系統(tǒng)進(jìn)行比較，驗(yàn)證新系統(tǒng)的可行性。關(guān)鍵詞掃描隧道顯微鏡，數(shù)模轉(zhuǎn)換AbstractThisthesisconcernsaboutourwkon

3、improvingthedataacquisitioncontrolsystemofaScanningTunnelingMicroscope(STM)systemonthebasisoftheiginalone.Thedevelopmentfocusesmainlyontheelectronicsystemthecontrolprogram.Weimprovedthedataacquisitioncontrolsystemwiththe

4、AD7202cardaccdingtothenewsystemwerewritethecontrolprogramimageprocessingprogramunderWindows2000extendingthescanningresolutionfrom200200toalargervariablerange(256256～20482048).WeusethisnewSTMtoobservethesurfaceofHOPGcompa

5、rethenewsystemwiththeoldonetoverifythefeasibilityofthenewsystem.Keywds北京大學(xué)政學(xué)者論文集（2002年）掃描隧道顯微鏡數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的改進(jìn)373一、掃描隧道顯微鏡簡(jiǎn)介今年正值IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G.Binnig與H.Rohrer等人發(fā)明世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡(Scanningtunnelingmicroscope，簡(jiǎn)稱(chēng)STM)二○1○3十周年。因?yàn)榘l(fā)明STM

6、的卓越貢獻(xiàn)，G.Binnig與H.Rohrer和E.Ruska分享了1986年度的Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)，距今也已經(jīng)16年了。STM這一新型的表面分析技術(shù)引起了越來(lái)越多的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、微電子科學(xué)等領(lǐng)域的工作者的關(guān)注和興趣，其理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用研究也得到了迅速的發(fā)展?！?STM的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。STM的核心部件是一個(gè)能在樣品表面進(jìn)行掃描的金屬探針（tip），探針固定在用壓電陶瓷做成的三維坐標(biāo)架上。當(dāng)針尖

7、很靠近樣品表面時(shí)，由于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)，針尖和樣品之間會(huì)發(fā)生電子隧穿現(xiàn)象，當(dāng)給針尖和樣品之間加上一適當(dāng)偏壓VT，則可探測(cè)到隧道電流JT。而這個(gè)隧道電流及其敏感的依賴(lài)于探針和樣品之間的距離，從而使得STM有很高的分辨本領(lǐng)，在面內(nèi)（橫向）的分辨率約為0.1nm，在垂直的方向上則要優(yōu)于0.01nm。○5STM的基本構(gòu)造可分為以下幾部分：機(jī)械裝置（掃描探針，壓電陶瓷構(gòu)成的三維掃描控制器，粗逼近馬達(dá)和多級(jí)減震措施），電子學(xué)系統(tǒng)（信號(hào)的各級(jí)放大

8、和運(yùn)算，反饋控制等），數(shù)模轉(zhuǎn)換部分（計(jì)算機(jī)與電子學(xué)系統(tǒng)通信的橋梁）和計(jì)算機(jī)（硬件接口和相應(yīng)的控制軟件）。這里需要指出的是，一般的STM系統(tǒng)在恒定電流模式下采集的電壓只能反映針尖在Z向的位置，我們實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)可以有兩種數(shù)據(jù)采集模式：直流模式和交流模式。其中直流模式下采集的電壓反映針尖在Z向的位置，交流模式下采集的電壓反映針尖在Z向的位置變化，是我們的STM系統(tǒng)所特有的，也是在我們實(shí)驗(yàn)室里最常用的。由于不同模式對(duì)我們的工作有著不同的要求，下

9、面簡(jiǎn)要介紹一下這兩種模式的特點(diǎn)。加在Z陶瓷上的電壓來(lái)自HVZ的輸出，經(jīng)過(guò)右面的網(wǎng)絡(luò)：可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)選在直流檔，即在直流模式下，Z陶瓷上的電壓經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的分壓，輸出電壓與Z陶瓷電壓成正比。在交流模式下，Z陶瓷上的電壓經(jīng)過(guò)一阻容構(gòu)成的高通濾波器，輸出電壓反映了Z陶瓷電壓的變化。交流模式的優(yōu)點(diǎn)在于：所得到的數(shù)據(jù)不直接反映Z陶瓷的電壓（針尖的高度），而反映其變化（在功函數(shù)一定的情況下，反映樣品表面的起伏），從而避免了在直流模式下的XY電壓的補(bǔ)償調(diào)節(jié)，

10、并且去掉了無(wú)用且相對(duì)較大的直流信號(hào)，有利于提取有用信號(hào)。比如對(duì)于樣品表面臺(tái)階（幾個(gè)原子高度）的研究，直流模式下是無(wú)能為力的，因?yàn)樗荒艿玫揭贿吺前滓贿吺呛诘膱D像，而在交流模式下卻能得到臺(tái)階處的原子分辨。但是交流模式對(duì)系統(tǒng)提出了更高的要求，因?yàn)檩敵鲭妷翰粌H是HVZ的函數(shù)，還是時(shí)間的函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)為15ms，這就要求我們對(duì)每步之間的時(shí)間間隔控制必須非常精確（Δt15ms），這樣得到的數(shù)據(jù)才是有意義的。在后面會(huì)說(shuō)到，我們利用硬件支持的P