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淺論掃描電化學(xué)顯微鏡的探針驅(qū)動(dòng)電路
2011-04-20
論文摘要：介紹掃描探針教學(xué)演示軟件。該軟件將CAI技術(shù)和SPM技術(shù)結(jié)合在一起，主要運(yùn)用文字說(shuō)明，靜態(tài)圖像，三維動(dòng)畫，模擬仿真等方法，對(duì)SPM的初學(xué)者進(jìn)行SPM的原理介紹和使用培訓(xùn)，可以大大縮短他們的學(xué)習(xí)時(shí)間，并能使其在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)SPM有一個(gè)較為深入和全面的了解。
AbstractThissoftwarecombinesCAItechnologywithSPMtechnologyandmainlusesmethodsoftextexplanation,three-dimensionanimationaswellasmathematicalsimulationtotrainthebeginnersofSPM.Afterusingthesoftware,
thebeginnerscanquicklygetdeepandwholeknowledgeofSPM.
KeywordsscanningtunnellingmicroscopeofNANOVISUAtape(STM);Pictureprocessing:ScanningProbeMicroscope(SPM);AtomicForceMicroscope;teachingeffictiveness
1引言
1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼(G.Binning)和海·羅雷爾(H.Rohrer)研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnellingMicroscope，簡(jiǎn)稱STM).STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的[1]排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金.NanoVisual，教學(xué)型掃描隧道顯微鏡可在機(jī)械教學(xué)中發(fā)揮良好作用。
2教學(xué)型NANOVISUAL掃描隧道顯微鏡
NanoVisual是針對(duì)高等院校實(shí)驗(yàn)課程和中學(xué)素質(zhì)教育而設(shè)計(jì)的教學(xué)型掃描隧道顯微鏡。為了適應(yīng)教學(xué)要求，NanoVisual去繁就簡(jiǎn)，掃描部件高度集成，操作流程簡(jiǎn)練便捷，具備工作原理清晰、穩(wěn)定性優(yōu)越等特點(diǎn)。在線控制軟件和后處理軟件用戶界面友好，輔以生動(dòng)的教學(xué)課件，引導(dǎo)學(xué)生輕松掌握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法。[2]NanoVisual掃描隧道顯微鏡具有一定的可擴(kuò)充性，可以根據(jù)需要增加某些功能部件，從而具備一定科研能力。
3主要性能
掃描圖像BMP/TIFF全兼容文件格式，當(dāng)前全部工作環(huán)境參數(shù)同步保存?；赪indowsXP/2000/9X的在線控制軟件和后處理分析軟件，簡(jiǎn)約化的掃描隧道顯微鏡探頭，初學(xué)者只需經(jīng)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可掌握操作方法，具有I-V曲線等測(cè)量分析功能，具有圖形刻蝕模式和矢量掃描模式的納米加工技術(shù)，樣品尺寸直徑30mm、厚度10mm。主控制系統(tǒng)采用德州儀器(TI)32位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),每秒可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10億次32位運(yùn)算。主控制系統(tǒng)采用10M/100M快速以太網(wǎng)(FastEthernet10/100)與計(jì)算機(jī)連接。[3]全數(shù)字控制,系統(tǒng)狀態(tài)、儀器類型、掃描器和探針架參數(shù)智能識(shí)別和控制。具針尖表征及圖像重建功能(針尖形貌估計(jì)/圖像重建/用已知針尖重建圖像)。按功能模塊劃分的縱向插卡式結(jié)構(gòu)，便于日后系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)。
3.1.技術(shù)指標(biāo)
1)軟件系統(tǒng)：基于WindowsXP/2000/9X的在線控制軟件和后處理軟件。
2)系統(tǒng)功能：掃描隧道顯微鏡(STM)。納米加工和操縱，包括圖形刻蝕模式和矢量掃描模式。
3)參數(shù)性能：電流檢測(cè)靈敏度：≤10pA。圖像分辨率：128X128,256X256,512X512,1024X1024。掃描角度：0～360°。掃描頻率：0.1～100Hz。預(yù)置隧道電流：0.1～10nA。偏置電壓：-2～2V。
4)電子控制系統(tǒng)：8通道16-bitDAC，建立時(shí)間1.5微秒。通信接口：10M/100M快速以太網(wǎng)(FastEthernet10/100)接口。
5)機(jī)械性能：樣品尺寸：最大可達(dá)直徑30mm，厚度10mm。全自動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)樣系統(tǒng)。
4掃描隧道顯微鏡(STM)[1，2]原理分析
掃描隧道顯微鏡(STM)的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于1nm)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān).[4]。
隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流I將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。
將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來(lái)，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象[5]。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過(guò)加在z向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對(duì)于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過(guò)記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品[6]。
是利用SPM進(jìn)行納米加工的客觀依據(jù)。同時(shí)也說(shuō)明，SPM不是簡(jiǎn)單用來(lái)成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具。
5教學(xué)課程安排
1)第一周：原理簡(jiǎn)介與上機(jī)模擬。課后著手資料定向查詢并準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
2)第二周：演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)。先用鐵絲作探針練習(xí)，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品(光柵)的測(cè)量。
3)第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進(jìn)行圖像處理。課后資料定向查詢并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容:心得、體會(huì)及建議，STM在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用或STM儀器的某部件的原理。
4)第四周：宣講實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每人15分鐘(包括5分鐘提問(wèn))。
6圖像處理
1)平滑處理：將像素與周邊像素做加權(quán)平均。
2)斜面校正：選擇斜面的一個(gè)頂點(diǎn)，以該頂點(diǎn)為基點(diǎn)，現(xiàn)行增加該圖像的所有像數(shù)值，可多次操作。
3)中值濾波：傅立葉變換。對(duì)圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時(shí)很有用.
7結(jié)束語(yǔ)
在線控制軟件和后處理軟件用戶界面友好，輔以生動(dòng)的教學(xué)課件，引導(dǎo)學(xué)生輕松掌握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法.作為一種CAI軟件，本軟件界面好，操作簡(jiǎn)便。采用文字、圖形、三維動(dòng)畫等方式將SPM這一尖端復(fù)雜儀器的原理和使用與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)這一形式結(jié)合起來(lái)，經(jīng)部分人員試用后，效果明顯，反應(yīng)良好?？纱蟠笤黾硬僮髡邔W(xué)習(xí)SPM的興趣，并能起到事半功倍的效果，提高課堂教學(xué)效果。不足的是AFM和SNOM的數(shù)學(xué)模型還有待進(jìn)一步研究。
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