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扫描隧道显微镜性能优化及实用化研究

作　者: 程舒雯
导　师: 章海军
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 实用化研究 性能优化 原子图像 STM系统 扫描控制系统 开放环境 扫描参数设置 隧道效应 计算机实时控制 基本性能参数
分类号: O488
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 385次
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内容摘要


扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)最早于1982年由葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士率先研制成功，并在世界上首次观察到原子的实空间图像。之后，在STM的基础上又发展了多种形式的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)。目前，STM等已成为纳米科技工作者不可缺少的观察和研究工具，在物理学、化学、材料科学、生物学、微电子学及光电子学等领域得到了广泛应用。因此，有关STM的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值，而且具有广阔的应用前景。 STM仪器本身具有诸多优点，如原子级或纳米级的分辨率、可获得样品表面的实空间图像、能够对单原子进行操纵等。但是国内现有的STM大多依赖国外进口，这些STM包含了真空腔等高级部件，因此价格昂贵，且维护要求极其严格。同时这些进口的STM都采用英文界面对软、硬件进行操作，扫描时所要设置的参数繁多，使得仪器操作极其繁琐。这些缺点都限制了STM作为一项科研仪器的推广和应用。本课题旨在研究一种高性能、实用化、简易型的STM，使扫描隧道显微技术能够更简单、方便、有效地应用到各个科学领域。 本文的工作、研究特色和创新之处主要包括： 1．对隧道效应理论进行了深入探讨，并以金属—绝缘层—金属结为模型，讨论了隧道效应中的I—V关系以及针尖一样品间的隧道电流表达式。 2．设计完成开放环境下的扫描隧道显微镜探头，实现了对环境振动的隔绝和电噪声的屏蔽。在此基础上，设计并完成CCD显微监测系统，实现了对样品一探针逼近过程的实时监控，并可实现在一定范围内对样品扫描区域的任意选择。 3．设计完成包含有前置放大电路、PID反馈和扫描控制电路、高压放大电路等扫描控制电路在内的扫描控制系统，完成各部分电路性能的测试及功能调试，实现反馈和扫描控制。 4．优化扫描控制和数据采集程序，完成扫描参数设置、扫描图像的实时显示和基本的图像处理功能，例如三维立体显示。实现了通过计算机实时控制STM系统进行扫描和数据采集。 5．对整个系统进行了联合调试，对多种样品进行了扫描实验以测试系统综合性 浙江大学硕士学位论文能，成功获得了高定向热解石墨（Highly Oriented Pyrolytic Graphite，简称 HOPG）的原子图像和纳米结构图像以及其他一些样品表面的原子图像。证明了该系统能够在开放环境下较为稳定地工作，并能达到以下基本性能参数： ．分辨率：横向 0．In－m，纵向 0刀Inm ．扫描范围：2 nLm X 2 urn～2000 urn X 2000 tun ．最大图像扫描速率：l幅／2秒 ．图像象素点：180X 180／幅，400X400／幅 ．图像存储格式：BMP文件 ．图像处理：图像切割、图像平滑、图像伪彩色添加、三维立 体显示等 在此基础上，该STM系统将成本保持在较低的水平，操作简单易学，不需专人维护，较好地实现了本文工作的预期目标。

全文目录


中文摘要  4-6
英文摘要  6-8
第一章 绪论  8-19
  §1．1 扫描隧道显微镜（STM）的发展和现状  8-13
    §1．1．1 STM的发展历史  8-9
    §1．1．2 STM的现状  9-11
    §1．1．3 STM的优点和局限性  11-13
  §1．2 在STM基础上发展起来的扫描探针显微镜  13-16
  §1．3 本文的研究内容  16-19
第二章 扫描隧道显微镜的原理与系统  19-36
  §2．1 隧道效应理论  19-29
    §2．1．1 隧道效应  19-22
    §2．1．2 金属—绝缘层—金属结模型  22-25
    §2．1．3 针尖—样品表面互相作用模型  25-29
  §2．2 扫描隧道显微镜成像工作原理  29-31
    §2．2．1 STM的原理  29-30
    §2．2．2 STM的成像方式  30-31
  §2．3 扫描隧道显微镜系统  31-36
第三章 扫描隧道显微镜的研制  36-66
  §3．1 STM探头设计  36-48
    §3．1．1 STM针尖及其制备  38-41
    §3．1．2 xyz扫描控制器  41-44
    §3．1．3 粗调与微调进给机构  44-45
    §3．1．4 CCD显微监测系统  45-46
    §3．1．5 振动隔绝与电学屏蔽  46-48
  §3．2 扫描与反馈控制电路系统  48-57
    §3．2．1 前置放大电路  50-52
    §3．2．2 PID反馈控制电路  52-54
    §3．2．3 扫描控制电路  54
    §3．2．4 高压放大电路  54-57
  §3．3 计算机软、硬件系统  57-66
    §3．3．1 扫描控制与图像采集  57-62
    §3．3．2 图像处理与显示  62-63
    §3．3．3 软件控制界面  63-66
第四章 系统调试及性能测试  66-80
  §4．1 扫描探头连接及调试  66-70
    §4．1．1 CCD显微监测系统测试  67-68
    §4．1．2 探头屏蔽效果测试  68-70
  §4．2 A/D、D/A卡测试  70-72
  §4．3 扫描控制电路调试  72-79
    §4．3．1 前置放大模块调试  72-73
    §4．3．2 反馈控制模块调试  73-78
    §4．3．3 高压放大模块调试  78-79
  §4．4 系统联合调试  79-80
第五章 扫描隧道显微镜的应用  80-90
  §5．1 石墨表面原子图像及其处理  80-84
    §5．1．1 石墨表面的原子图像  80-82
    §5．1．2 图像处理  82-84
  §5．2 石墨的纳米结构图像  84-86
  §5．3 其他部分样品的STM图像  86-89
    §5．3．1 金表面的STM图像  86-87
    §5．3．2 金镏醇的STM图像  87-88
    §5．3．3 WS_2纳米管的STM图像  88-89
  §5．4 STM系统综合性能  89-90
第六章 总结与展望  90-92
  §6．1 总结  90-91
  §6．2 有待解决的问题  91-92
硕士期间发表的论文  92-93
致谢  93

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 介观物理
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