電化學(xué)顯微鏡

電化學(xué)顯微鏡

論文NANOVISUA教學(xué)型掃描隧道顯微鏡;圖像處理;掃描探針顯微鏡;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(huà)，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。

1引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼和?！ち_雷爾研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡．STM使人類(lèi)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)和和表面電子行為有關(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)域的探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)揮良好功能。

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，具備工作原理清楚、穩(wěn)定性優(yōu)越等特征。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)生輕松把握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法。[2NanoVisual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)即可把握操作方法，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32位數(shù)字信號(hào)處理器,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)和計(jì)算機(jī)連接。[3全數(shù)字控制,系統(tǒng)狀態(tài)、儀器類(lèi)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。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)。

技術(shù)指標(biāo)

1）軟件系統(tǒng)摘要：基于WindowsXP/2000/9X的在線控制軟件和后處理軟件。

2）系統(tǒng)功能摘要：掃描隧道顯微鏡。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)性能摘要：電流檢測(cè)靈敏度摘要：≤10pA。圖像分辨率摘要：128X128,256X256,512X512,1024X1024。掃描角度摘要：0～360°。掃描頻率摘要：～100Hz。預(yù)置隧道電流摘要：～10nA。偏置電壓摘要：-2～+2V。

4）電子控制系統(tǒng)摘要：8通道16-bitDAC，建立時(shí)間微秒。通信接口摘要：10M/100M快速以太網(wǎng)接口。

5）機(jī)械性能摘要：樣品尺寸摘要：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[1，2原理分析

掃描隧道顯微鏡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)探針和被探究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品和針尖的距離非常接近時(shí)，在外加電場(chǎng)的功能下，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，和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)針尖和樣品表面之間距非常敏感，假如距離S減小，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。這種掃描方式的特征是掃描速度快，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)課程布置

1）第一周摘要：原理簡(jiǎn)介和上機(jī)模擬。課后著手資料定向查詢并預(yù)備實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2）第二周摘要：演示和學(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。指定樣品的測(cè)量。

3）第三周摘要：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)容摘要:心得、心得及建議，STM在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用或STM儀器的某部件的原理。

4）第四面摘要：宣講實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每人15分鐘。

6圖像處理

1）平滑處理摘要：將像素和周邊像素做加權(quán)平均。

2）斜面校正摘要：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）中值濾波摘要：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)生輕松把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(huà)等方式將