楊一平，張 平 ，張建明

（1. 重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400030；2. 重慶大學(xué) ICT 研究中心，重慶 400030）

0 引言

納米材料制備和應(yīng)用研究中所產(chǎn)生的納米技術(shù)很可能成為下一世紀(jì)前20年的主導(dǎo)技術(shù)[1,2]。掃描隧道顯微鏡是檢測(cè)納米材料的重要手段，他的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)的觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，并為納米級(jí)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，被國際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大發(fā)明成就之一。

STM所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下五點(diǎn)[3]：

1）具有原子級(jí)高分辨率。STM在平等和垂直樣品表面方向的分辨率分別可達(dá)到0.1nm和0.01nm，即可分辨出單個(gè)原子；

2）時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性表面結(jié)構(gòu)研究。這種實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過程的研究；

3）觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等等。另外，還可以對(duì)單個(gè)原子，分子進(jìn)行加工；

4）真空大氣常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水或其他液體中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測(cè)過程對(duì)樣品無損傷。這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)；

5）掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息。

1 STM基本工作原理

掃描隧道顯微鏡的基本工作原理如圖1所示。圖中A為具有原子尺度的針尖，B為被分析樣品。STM工作時(shí)，在樣品和針尖間加一定電壓，當(dāng)樣品與針尖的距離小于一定值時(shí)，由于量子隧道效應(yīng)，樣品和針尖間產(chǎn)生隧道電流。

圖1 掃描隧道顯微鏡的工作原理示意圖

式中，I表示隧道電流，d表示樣品與針尖間的距離道條件下，k與有效局部功函數(shù)φ有關(guān)，可近似表示為：

上式中，mm為電子質(zhì)量，φ為有效局部功函數(shù)，h為普朗克常數(shù)。典型條件下，φ近似為4eV，K=10nm-1。由式(1)得，當(dāng)間隙每增加0.1nm時(shí)，隧道隧道電流I可更準(zhǔn)確表達(dá)為：

上式中，Mμv表示隧道矩陣元，發(fā)f(Eμ)為費(fèi)米函數(shù)，V為跨越能壘的電壓，Eμ表示狀

態(tài)μ的能量，μ、v表示針尖和樣品表面的所有狀態(tài)。Mμv可表示為：

上式中，Ψ為波函數(shù)。由此可見，隧道電流I并非表面起伏的簡單函數(shù)，他表征樣品和針尖電子波函數(shù)的重疊程度。可將隧道電流I與針尖和樣品之間距離d以及平均功函數(shù)Φ之間的關(guān)系表示為：

其中 為針根據(jù)掃描過程中針尖與樣品相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同，可將STM的工作原理分為恒電流模式圖1(a)和恒高度模式圖1(b)。若控制樣品和針尖間的距離不變，如圖1(a),則當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，由于樣品表面高低起伏,勢(shì)必引起隧道電流變化，此時(shí)通過一定的電子反饋系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)針尖隨樣品高低變化而做升降運(yùn)動(dòng)，以確保針尖與樣品間的距離保持不變,此時(shí)針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1(a)中虛線所示，直接反應(yīng)了樣品表面態(tài)密度的分布,而在一定條件下，樣品的表面態(tài)密度與樣品表面的高低起伏程度有關(guān)。此即恒電流模式。

若控制針尖在樣品表面某一水平面上掃描，針尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1(b)所示,則隨著樣品表面高低起伏,隧道電流不斷變化,通過記錄隧道電流的變化,可得到樣品表面的形貌圖,此即恒高度模式。

2 STM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

STM儀器主要由三部分組成，即鏡體部分、數(shù)據(jù)采集與掃描系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)工作站部分。三部分協(xié)調(diào)穩(wěn)定的工作是獲得良好圖像的關(guān)鍵[4]。

2.1 鏡體

STM鏡體主要由掃描探針組件、樣品架、步進(jìn)電機(jī)和粗逼進(jìn)機(jī)構(gòu)等組成，掃描探針組件采用鈦酸鋯酸鉛壓電陶瓷材料（簡稱PZT）做成的單管掃描器，為使探針更換方便，可將探針直接插入壓電陶瓷管中的針管內(nèi)。

對(duì)整個(gè)鏡體部分來講，由于工作時(shí)針尖與樣品間距一般小于1nm，同時(shí)隧道電流的大小與隧道距離成指數(shù)關(guān)系，因而任何微小的振動(dòng)，都會(huì)對(duì)儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。一般來講由振動(dòng)所引起的隧道間距變化必須小于0.005nm，STM才能保持良好的工作狀態(tài)。在設(shè)計(jì)上采用彈簧懸吊減震系統(tǒng)，整個(gè)鏡體用彈簧懸掛起來，用以隔絕外界的振動(dòng)和干擾。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于STM是一個(gè)納米級(jí)的隨動(dòng)系統(tǒng)，因而其電路設(shè)計(jì)應(yīng)與機(jī)械設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)的STM的電路原理如圖2所示，主要由掃描電路，反饋控制回路和步進(jìn)電機(jī)電路等幾部分組成。由計(jì)算產(chǎn)生的兩組數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換形成兩組相關(guān)的階躍波電壓信號(hào)，分別作為X和Y方向掃描電壓的源信號(hào)。信號(hào)的頻率連續(xù)可調(diào)、轉(zhuǎn)化后的信號(hào)經(jīng)高壓放大器放大后分別形成壓電陶瓷管在X和Y方向上的掃描驅(qū)動(dòng)電壓Vx和Vy，同時(shí)在X和Y掃描電壓上疊加一可調(diào)的直流偏置電壓，用來在較大范圍內(nèi)搜索和確定較為合適的掃描區(qū)域，兩者在不超過極限值的范圍內(nèi)相互獨(dú)立可調(diào)。在掃描完一幅圖像時(shí)，針尖會(huì)返回到起始位置，開始對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行下一次掃描。

圖2 STM電路原理

在恒定電流掃描模式中，隧道距離的設(shè)定是通過將隧道電流與預(yù)設(shè)電流進(jìn)行比較，然后通過一個(gè)正反饋回路來保持針尖掃描時(shí)所設(shè)定的隧道間隙不變，其主要由前置放大器、誤差放大器、Z高壓放大器等幾部分組成。其中，誤差放大器是整個(gè)STM反饋控制系統(tǒng)的核心部分。前置放大器的作用是將nA級(jí)的隧道電流轉(zhuǎn)換成mV級(jí)的電壓信號(hào)。由于前置放大器的性能對(duì)整個(gè)儀器性能的影響很大，因而要求他具有高精度、低漂移、低噪音等電路性能。

2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

為使STM方便、有效、精確的工作，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是必不可少的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像存儲(chǔ)和顯示以及圖像處理等。整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要由C++語言來編寫，同時(shí)考慮到運(yùn)算速度和顯示速度等的關(guān)系，部分程度由匯編語言編寫。因?yàn)锳/D卡的轉(zhuǎn)換的位數(shù)不僅影響模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字的精度，還會(huì)進(jìn)一步影響到后面的數(shù)據(jù)處理。在電路中先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行一定的處理，使有用信號(hào)基本充滿ADC量程，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)，這樣就有效的利用ADC。從計(jì)算機(jī)經(jīng)D/A變換輸出的掃描信號(hào)為連續(xù)的階梯波，當(dāng)沿X方向的電壓改變一個(gè)階梯，PZT帶動(dòng)針尖在X方向移動(dòng)一步，計(jì)算機(jī)便采集到一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)X方向移256步并復(fù)位后，Y掃描信號(hào)改變一個(gè)階梯開始下一行掃描，當(dāng)Y方向掃完256步并復(fù)位后，掃描電路便完成了一個(gè)周期的操作。同時(shí)也得到了一幅圖像的256×256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在掃描過程中，采集軟件把采集到的數(shù)據(jù)用灰度和掃描線的方式在顯示器上實(shí)時(shí)的顯示出來。

2.4 STM掃描電路智能化的設(shè)計(jì)

圖3 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

對(duì)掃描電路進(jìn)行智能化研究，是對(duì)STM儀器整體智能化中較重要的一環(huán)。因此，首先對(duì)掃描電路有一個(gè)簡單的了解。掃描電壓是由計(jì)算機(jī)編程控制，通過D/A轉(zhuǎn)換來輸出至X和Y掃描電壓放大器，由放大器輸出的信號(hào)即為加壓電陶瓷上的掃描電壓信號(hào)。從計(jì)算機(jī)經(jīng)D/A變換輸出的掃描信號(hào)為連續(xù)的階梯波，當(dāng)沿X方向的電壓改變一個(gè)階梯，PZT帶動(dòng)針尖在X方向移動(dòng)一步，計(jì)算機(jī)便采集到一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)X方向移動(dòng)256步并復(fù)位后，Y掃描信號(hào)改變一個(gè)階梯開始下一行掃描，當(dāng)Y方向掃完256步并復(fù)位后，掃描電路便完成了一個(gè)周期的操作。同時(shí)也得到了一幅圖像的256×256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

為避免這一誤差并進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速度，可采用圖3的倒T型DAC。

這個(gè)電路突出特點(diǎn)是速度比較快，而且動(dòng)態(tài)過程中V0的尖峰脈沖很小。這是因?yàn)楦髦返碾娏鞫贾苯咏拥搅诉\(yùn)放的輸入端，因此他們之間不存在傳輸時(shí)間差，從而有效地減小了動(dòng)態(tài)誤差，提高了轉(zhuǎn)換速度。

在STM掃描電壓的智能化設(shè)計(jì)中，使用了兩塊D/A轉(zhuǎn)換卡。首先，給第一塊十位D/A轉(zhuǎn)換卡輸入一個(gè)參考電壓源，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（CPU）中的編程控制，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為5000mV的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。接著該電壓信號(hào)輸入第二塊十位D/A轉(zhuǎn)換卡的參考電源處，利用D/A轉(zhuǎn)換卡的電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)，通過編程控制，就可在5000mV的電壓內(nèi)任意選擇電壓的大小，即在電壓范圍（0～5000mV）以內(nèi)，均可精確的輸出所需要的電壓給X（Y）掃描電路，改變探針在掃描范圍內(nèi)的X或Y方向的掃描區(qū)域，獲得不同掃描范圍內(nèi)的掃描圖像，有利于更好分析各種材料表面形貌和結(jié)構(gòu)的真實(shí)信息。

3 采集軟件設(shè)計(jì)

采集軟件主要由九部分組成，各個(gè)部分并不是相互獨(dú)立的，必需相互之間嚴(yán)密的配合才能使STM掃描出精美的圖像。圖4是軟件工作的關(guān)系框圖，從中可看出軟件各部分是怎樣配合工作的。

圖4 運(yùn)行軟件的流程圖

在采集軟件設(shè)計(jì)中，控制掃描階梯波信號(hào)部分應(yīng)是程序的核心部分，因?yàn)槿绻麤]有他給掃描遂道顯微鏡的壓電陶瓷送給恒穩(wěn)的掃描電壓，壓電陶瓷上頭的探針的動(dòng)作將是混亂的，掃描遂道顯微鏡會(huì)無法正常的工作，外設(shè)時(shí)鐘是為控制掃描階梯波信號(hào)服務(wù)的，能使他發(fā)出有嚴(yán)格周期率的鋸齒波。

隨著探針的移動(dòng)，樣品表面形貌的高度會(huì)通過相應(yīng)的遂道電流轉(zhuǎn)換傳到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接口，計(jì)算機(jī)程序?qū)⑿盘?hào)讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

4 結(jié)論

掃描遂道顯微鏡是通過計(jì)算機(jī)來控制他的掃描范圍的，利用DAC里的倒T網(wǎng)阻來完成掃描范圍的控制，采集程序只負(fù)責(zé)把相應(yīng)的控制字送給相應(yīng)的DA通道，硬件會(huì)自動(dòng)完成設(shè)定。通過硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，獲取了不同材質(zhì)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理最終得到的各種材質(zhì)的STM表面三維形貌圖。

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