扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进

扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进

The Improvement of Data Acquisition and

Control System of Scanning Tunneling

Microscope

物理学院物理系99级章一鸣马雄峰

摘要

本文阐述了我们在实验室原有扫描隧道显微镜系统的基础上改进其数据采集和控制系统的工作，主要的改进在电子学和程序控制两方面。我们采用最新的AD7202板卡改进了数据采集和控制系统，并根据新的系统重写了Windows2000下的控制程序和图像处理程序，使系统从原有的200×200分辨率扩展至现在的较大可变范围（256×256～2048×2048）。我们应用新的扫描隧道显微镜系统观察了高定向石墨表面，将新系统和旧系统进行比较，验证新系统的可行性。

关键词

扫描隧道显微镜，数模转换

Abstract

This thesis concerns about our work on improving the data acquisition and control system of a Scanning Tunneling Microscope (STM) system on the basis of the original one. The development focuses mainly on the electronic system and the control program. We improved the data acquisition and control system with the AD7202 card, and according to the new system, we rewrite the control program and image processing program under Windows2000, extending the scanning resolution, from 200×200 to a larger variable range (256×256～2048×2048). We use this new STM to observe the surface of HOPG, and compare the new system with the old one to verify the feasibility of the new system.

Keywords

Scanning Tunneling Microscope (STM), AD/DA

一、扫描隧道显微镜简介

今年正值IBM苏黎世实验室的G. Binnig与H. Rohrer等人发明世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，简称STM) ○1-○3二十周年。因为发明STM的卓越贡献，G. Binnig与H. Rohrer和E. Ruska分享了1986年度的Nobel物理学奖，距今也已经16年了。STM这一新型的表面分析技术引起了越来越多的物理学、化学、生物学、材料科学、微电子科学等领域的工作者的关注和兴趣，其理论、实验技术和应用研究也得到了迅速的发展。○4 STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。STM的核心部件是一个能在样品表面进行扫描的金属探针（tip），探针固定在用压电陶瓷做成的三维坐标架上。当针尖很靠近样品表面时，由于量子力学中的隧道效应，针尖和样品之间会发生电子隧穿现象，当给针尖和样品之间加上一适当偏压V T，则可探测到隧道电流J T。而这个隧道电流及其敏感的依赖于探针和样品之间的距离，从而使得STM有很高的分辨本领，在面内（横向）的分辨率约为0.1nm，在垂直的方向上则要优于0.01nm。○5

STM的基本构造可分为以下几部分：机械装置（扫描探针，压电陶瓷构成的三维扫描控制器，粗逼近马达和多级减震措施），电子学系统（信号的各级放大和运算，反馈控制等），数模转换部分（计算机与电子学系统通信的桥梁）和计算机（硬件接口和相应的控制软件）。这里需要指出的是，一般的STM系统在恒定电流模式下采集的电压只能反映针尖在Z向的位置，我们实验室的系统可以有两种数据采集模式：直流模式和交流模式。其中直流模式下采集的电压反映针尖在Z向的位置，交流模式下采集的电压反映针尖在Z向的位置变化，是

我们的STM 系统所特有的，也是在我们实验室里最常用的。由于不同模式对我们的工作有着不同的要求，下面简要介绍一下这两种模式的特点。

加在Z 陶瓷上的电压来自HVZ 的输出，经过右面的网络：

可见，开关选在直流档，即在直流模式下，Z 陶瓷上的电压经过简单的分压，输出电压与Z 陶瓷电压成正比。

在交流模式下，Z 陶瓷上的电压经过一阻容构成的高通滤波器，输出电压反映了Z 陶瓷电压的变化。

交流模式的优点在于：所得到的数据不直接反映Z 陶瓷的电压（针尖的高度），而反映其变化（在功函数一定的情况下，反映样品表面的起伏），从而避免了在直流模式下的X,Y 电压的补偿调节，并且去掉了无用且相对较大的直流信号，有利于提取有用信号。比如对于样品表面台阶（几个原子高度）的研究，直流模式下是无能为力的，因为它只能得到一边是白一边是黑的图像，而在交流模式下却能得到台阶处的原子分辨。

但是交流模式对系统提出了更高的要求，因为输出电压不仅是HVZ 的函数，还是时间的函数。网络的时间常数为15ms ，这就要求我们对每步之间的时间间隔控制必须非常精确（Δ

t<<15ms ），这样得到的数据才是有意义的。在后面会说到，我们利用硬件支持的Performance Counter 模拟了一个高精度定时器，很好的解决了这个问题

图一 采集模式选择网络

HVZ

二、扫描隧道显微镜系统的改进

（一）问题的提出和改进目标

实验室原有系统建立于1993年，受当时计算机性能、电子学技术等的限制，只采用了8位的数模转换芯片（AD/DA converter），使横向、纵向分辨率只能达到最高256×256（事实上的分辨率只有200×200），纵向分辨精度也只有8位，导致每幅STM图像信息量不够，未能充分发掘仪器的性能。导致此问题的关键自然在于系统的数模转换系统，于是，我们着手改进仪器的数模转换系统。我们希望用12位或16位的AD/DA芯片或转换卡来升级数模转换系统，使横向分辨率至少达到2000×2000，纵向精度达到12位，以便得到大范围和高清晰度的扫描图像。此外，原有系统的AD芯片并无AD完成的判断，导致Windows 下程序频繁切换或系统繁忙时可能出现一些白线，在此次升级过程中也希望予以解决。

（二）电子学系统的改进