淺論掃描電化學(xué)顯微鏡的探針驅(qū)動(dòng)電路

1、淺論掃描電化學(xué)顯微鏡的探針驅(qū)動(dòng)電路論文關(guān)鍵詞nanvisua教學(xué)型掃描隧道顯微鏡;圖像處理;掃描探針顯微鏡sps;原子力顯微鏡;教學(xué)效果論文摘要介紹掃描探針顯微鏡教學(xué)演示軟件。該軟件將ai技術(shù)和sp技術(shù)結(jié)合在一起，主要運(yùn)用文字說明，靜態(tài)圖像，三維動(dòng)畫，模擬仿真等方法，對(duì)sp的初學(xué)者進(jìn)展sp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)sp有一個(gè)較為深化和全面的理解。abstratthissftarebinesaitehnlgyithsptehnlgyandainlusesethdsftextexplanatin,three-diensinaniatinasellas

2、atheatialsiulatinttrainthebeginnersfsp.afterusingthesftare,thebeginnersanquiklygetdeepandhleknledgefsp.keyrdssanningtunnellingirspefnanvisuatapest;piturepressing:sanningprbeirspesp;atifreirspe;teahingeffitiveness1引言1982年，ib瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛賓尼gbinning和海羅雷爾hrhrer研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡sanningtunnellingirspe，簡稱stst使

3、人類第一次可以實(shí)時(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)外表的1排列狀態(tài)和與外表電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在外表科學(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st的創(chuàng)造者們所作出的出色奉獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金.nanvisual，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nanvisual掃描隧道顯微鏡nanvisual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，nanvisual去繁就簡，掃描部件高度集成，操作流程簡練便捷，具備工作原理明晰、穩(wěn)定性

4、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根本操作方法。2nanvisual掃描隧道顯微鏡具有一定的可擴(kuò)大性，可以根據(jù)需要增加某些功能部件，從而具備一定科研才能。3主要性能掃描圖像bp/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。基于indsxp/2000/9x的在線控制軟件和后處理分析軟件，簡約化的掃描隧道顯微鏡探頭，初學(xué)者只需經(jīng)簡單的培訓(xùn)即可掌握操作方法，具有i-v曲線等測量分析功能，具有圖形刻蝕形式和矢量掃描形式的納米加工技術(shù)，樣品尺寸直徑30、厚度10。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

5、),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10/100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/用針尖重建圖像)。按功能模塊劃分的縱向插卡式構(gòu)造，便于日后系統(tǒng)維護(hù)和晉級(jí)。3.1.技術(shù)指標(biāo)1軟件系統(tǒng)：基于indsxp/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st。納米加工和操縱，包括圖形刻蝕形式和矢量掃描形式。3參數(shù)性能：電流檢測靈敏度：10pa。圖像分辨率：128x128,256x256,512x512,1024x10

6、24。掃描角度：0360。掃描頻率：0.1100hz。預(yù)置隧道電流：0.110na。偏置電壓：-2+2v。4電子控制系統(tǒng)：8通道16-bitda，建立時(shí)間1.5微秒。通信接口：10/100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30，厚度10。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st1，2原理分析掃描隧道顯微鏡st的根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)的外表作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的間隔 非常接近時(shí)通常小于1n，在外加電場的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流i是

7、電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間間隔 s和平均功函數(shù)有關(guān).4。隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品外表之間距非常敏感，假如間隔 s減小0.1n，隧道電流i將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用電子反響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外表的掃描，那么探針在垂直于樣品方向上上下的變化就反映出了樣品外表的起伏。將針尖在樣品外表掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品外表態(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外表形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算外表起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描形式。對(duì)于起伏不大的樣品外表，可以控制針尖高度守恒掃描，

8、通過記錄隧道電流的變化亦可得到外表態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，可以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外表起伏大于1n的樣品6。是利用sp進(jìn)展納米加工的客觀根據(jù)。同時(shí)也說明，sp不是簡單用來成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)展加工和操作的工具。5教學(xué)課程安排1第一周：原理簡介與上機(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)，純熟后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品光柵的測量。3第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進(jìn)展圖像處理。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，st在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用或st儀器的

9、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。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，可屢次操作。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完畢語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根本操作方法.作為一種ai軟件，本軟件界面好，操作簡便。采用文字、圖形、三維動(dòng)畫等方式將sp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，經(jīng)局部人員試用后，效果明顯，反響良好?？纱蟠笤黾硬僮髡邔W(xué)習(xí)sp的興趣，并能起到事半功倍的效果，進(jìn)步課堂教學(xué)效果。缺乏的是af和sn的數(shù)學(xué)模型還有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：1白春禮.掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用.上海：上?？萍汲霭嫔?，1991.8486.2irsftpress,irsftinds:guidetprgraing,1990.3heinzelannh.instruentaldevelpentsandreentexperientsinnear-fieldptialirspy.