用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡STM的控制課件

用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡（STM）的控制

物理系林亮宋真

指導老師

張朝暉

用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡（STM）的控制1背景

1.掃描隧道顯微鏡（STM）簡介

掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope）1982年由諾貝爾物理學獎得主葛-賓尼（GedBinning）和海-羅雷爾（HeinrichRohrer)等人研制成功。是一種具有原子級（A，埃）分辨率的表面分析儀器。在金屬和半導體表面以及生命科學的研究中有著廣泛的應用。背景

1.掃描隧道顯微鏡（STM）簡介掃描隧道22.STM工作原理簡介2.STM工作原理簡介3控制部分控制分為三部分：粗逼近、掃描和負反饋。粗逼近用步進的方式進行，每加一次電壓，向前逼近一步，采用鋸齒形電壓。掃描分為X掃描和Y掃描兩部分，X方向為行方向，Y方向為列方向。X方向掃描過去再回來，然后Y方向換行，循環(huán)往復，可以掃描x×y大小的區(qū)域.控制部分控制分為三部分：粗逼近、掃描和負反饋。4負反饋和表面分析負反饋控制貫穿全過程。負反饋由加在Z方向上的電壓來實現(xiàn)。首先讀取隧道電流I,與標準值相減，然后經(jīng)過比例、積分運算，得到負反饋電壓的數(shù)值，加到Z軸上去，調節(jié)陶瓷管伸長，以實現(xiàn)衡電流掃描。加在Z軸上的電壓的變化反應樣品表面電子波函數(shù)的起伏。通過存儲和讀取分析Z軸電壓的二維分布，就能得到樣品表面起伏的信息。負反饋和表面分析負反饋控制貫穿全過程。負反饋由加在Z方向上的53.負反饋控制簡介為了實現(xiàn)對STM探針與樣品表面距離的控制，普遍方法是用pid控制。通常的STM的控制部分是用dsp芯片來實現(xiàn)的。而我們這里是用labview編程來實現(xiàn)對STM的控制。3.負反饋控制簡介為了實現(xiàn)對STM探針與樣品表面距離的控6Pid有兩種控制算法，即：

式（4）稱為位置式PID控制算法。Pid有兩種控制算法，即：7由于位置式算法輸出在計算過程中容易產(chǎn)生積分飽和作用，導致控制器的響應速度變慢，而且由于積分的累積作用，在手動和自動切換時，很難做到無擾動切換。因此，人們又提出一種新的控制算法，PID增量式控制算法：由于位置式算法輸出在計算過程中容易產(chǎn)生積分飽和作用，導致控制8二為什么要嘗試新的控制方式虛擬儀器的關鍵環(huán)節(jié)是軟件，使用和修改起來會更方便開發(fā)與維護的費用低，系統(tǒng)組建時間短具有強大的數(shù)據(jù)處理功能二為什么要嘗試新的控制方式虛擬儀器的關鍵環(huán)節(jié)是軟件，使用9三我們所做的工作粗逼近控制XY掃描控制針尖到表面距離的負反饋控制三我們所做的工作粗逼近控制10用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡STM的控制課件11用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡STM的控制課件12用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡STM的控制課件13用虛擬儀器實現(xiàn)掃描隧道顯微鏡STM的控制課件14四結論與問題用虛擬儀器來實現(xiàn)pid控制是十分方便的，而且修改起來也十分方便，當用硬件實現(xiàn)某些功能比較困難時，可以考慮用虛擬儀器。由于系統(tǒng)的硬件還沒有完全準備好，所以我們還只能對掃描過程進行模擬。但從我們模擬的情況來看，用虛擬儀器實現(xiàn)STM的控制是完全可行的。四結論與問題用虛擬儀器來實現(xiàn)pid控制是十分方便的，而15Labview軟件也有很大的局限性，例如時序問題，labview系統(tǒng)本身只提供了一毫秒周期的系統(tǒng)時鐘。所以要實現(xiàn)真正的應用，還需考慮使用A/D卡的時鐘。另外，關于Labview的資料還是太少，有一些模塊都找不到描述，所以我們經(jīng)常只能摸著石頭過河。但其中也不乏樂趣！Labview軟件也有很大的局限性，例如時序問題，labvi16五致謝在我們的實驗過程中，張朝暉老師給了我們很多的指導和鼓勵，并為我們提供了很好的實驗條件。賈宏博同