用于扫描隧道显微镜的低噪声前置电流放大器

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜系统的前置电流放大器.该放大器最灵敏档位(1 GΩ)的噪声低至4 fA/(Hz)1/2,带宽为2.3 kHz,具有10 MΩ,100 MΩ和1 GΩ三个测量量程并且可以通过控制信号实现自动切换,测量范围覆盖pA—μA量级的隧穿电流.利用该前置电流放大器展示了扫描隧道显微镜系统的主要功能,包括表面形貌表征、扫描隧道谱测量以及原子搬运,并探索了隧穿电流中散粒噪声的测量.通过散粒噪声随隧穿电流的变化关系,得到隧穿结中散粒噪声的法诺因子约等于1,验证了简单金属隧穿结中电子隧穿满足泊松过程,为表面电子关联体系的高精度表征提供了基础.

超高真空低温强磁场扫描隧道显微镜的原理及其在石墨烯量子点中的应用

扫描隧道显微镜具有原子级实空间分辨与原位电子态密度探测能力,是材料表面结构及性质表征的常用工具,特别是在近20年来以石墨烯为代表的二维材料电学性质的研究中发挥了重要作用.本文介绍了扫描隧道显微镜的基本原理以及超高真空低温强磁场扫描隧道显微镜的关键技术,并且以石墨烯量子点的特性为例,介绍了超高真空低温强磁场扫描隧道显微镜在石墨烯量子点的制备、电学性质的表征以及量子点中准束缚态在磁场作用下的演化研究中的应用.

一种具备谱学功能的扫描隧道显微镜实验装置设计与教学应用

该文研制了一种具备谱学功能的扫描隧道显微镜实验教学装置。装置采用紧凑的对称式结构设计和高刚性材料,具有漂移小、噪声低的优点,结合减震隔音设计,能够在课堂环境下稳定实现对多种材料表面的原子分辨成像。隧道电流的一阶微分谱直接反映了样品表面的电子态密度信息,可以帮助学生理解隧道电流信号。该装置集成了锁相放大功能,可以实现隧道电流-偏压谱及其一阶微分谱的测量,拓展了扫描探针显微实验的教学内容和教学深度。

利用变温扫描隧道显微镜原位测量锐钛矿型TiO_(2)(001)重构表面

金属氧化物表面的催化性能主要取决于其表面原子结构,在不同的样品处理条件和催化反应过程中,表面原子结构通常会发生变化.因此,获得不同处理条件的表面原子形貌对于进一步理解复杂重构表面的催化机理具有重要意义.本文报道了氩离子刻蚀后的锐钛矿TiO_(2)(001)薄膜,在不同温度加热处理下的表面形貌演变,并使用变温扫描隧道显微镜进行了表征.实验结果表明,在不同的加热温度下,样品的表面形貌不同.热处理过程中,O原子从体相向TiO_(2)(001)表面迁移,对形成(1x4)重构过程中Ti^(2+)和Ti^(3+)态的再氧化起了重要作用.TiO_(2)(001)-(1x4)表面的原子级分辨图像显示出不对称的脊链特征,这很好地支持了TiO_(2)(001)-(1x4)重构表面的完全氧化结构模型.

光子扫描隧道显微镜和扫描隧道显微镜联用系统的研制

报导我们研制的一套光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）联用系统的初步实验结果。联用系统采用的基本结构为早先研制的一台ＰＳＴＭ，另外增加了一个ＳＴＭ通道，通过真空蒸镀金膜制作了既导电又导光的光纤探针，联用系统用ＳＴＭ通道隧道电流反馈控制探针高度。初步实验结果表明，ＰＳＴＭ和ＳＴＭ通道既能分别单独成像，亦能用导电导光探针实现ＰＳＴＭ和ＳＴＭ同时成像。

扫描隧道显微镜简介

作为研究物质微观结构的有力工具,扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy)与其它种类的显微镜相比,它的分辨本领却可以达到10-10米.以量子力学为基础的扫描隧道显微镜,可以在大气、液体、真空状态下工作,可以在4.2 K到1000 K之间的温度下工作;并且对样品也无特殊要求,可以测量单晶、多晶、非晶等样品表面;特别是扫描隧道显微镜可以与其他实验设备结合,应用更加有效、灵活.因此,扫描隧道显微镜在物理学、化学、生物学、纳米材料等领域中都得到了深入而广泛的应用,并取得了一系列重要的研究成果.

扫描隧道显微镜系统

主要研究了用外设时钟 ,CPU ,以及D \A中的倒T网络实现STM(ScanningTunnelingMicro scope)扫描电压的智能控制 ,使用对数放大器实现隧道电流的对数压缩以及低通与高通滤波器的智能控制。

扫描隧道显微镜微位移工作台的神经网络PID控制方法研究

提出了一种基于神经网络理论的微位移工作台控制方案。该工作台以压电陶瓷作为微位移驱动元件,对伺服电机大位移进行位移补偿。分析了压电陶瓷微位移驱动器的原理,建立了工作台的数学模型。神经网络PID控制器对工作台进行闭环控制,利用BP网络的自学习和自适应能力,实时调整网络加权值,改变PID控制器的控制系数,减小工作台的位移误差。采用专用的压电陶瓷驱动电源对工作台的位移进行了实验,相对于常规PID控制器,微位移为11.41μm时的响应时间从1.5 s缩短到1 s,稳态位移误差从3.13%减小到1.05%,工作台的稳定性和定位精度得以提高,改善了扫描隧道显微镜的工作性能。

扫描隧道显微镜精密工作台及其控制技术研究

针对扫描隧道显微镜工作台高精度控制的需求,设计了一种基于神经网络理论的控制系统,其微位移工作台由压电陶瓷驱动器和柔性铰链机构组成。在对驱动器结构进行分析的基础上,建立了工作台的数学模型。以三层神经网络自学习PID控制器代替常规PID控制器,实现了样本的在线采集和优化,有效地克服了神经网络控制器需要离线训练的缺点;采用BP算法对神经网络进行在线训练,增强了系统的实时控制性能。实验结果表明,10μm下的过渡时间从3·25s缩短到1·6s,稳态误差从2·78%减小到1·39%。

扫描隧道显微镜纳米云纹法的实验研究

提出了应用扫描隧道显微镜(STM)纳米云纹法测量面内位移的原理。测量中,把扫描隧道显微镜的探针扫描线作为参考栅,把物质原子晶格栅结构作为试件栅,对这两组栅线干涉形成的云纹进行了纳米级变形测量。对扫描隧道显微镜纳米云纹的形成原理及测量方法进行了详尽的讨论,并运用该方法对高定向裂解石墨(HOPG)的纳米级变形虚应变进行了测量研究,得到了随扫描范围变化的虚应变场,并与理论值进行了比较。

利用扫描隧道显微镜研究水分子在Cu(110)表面的吸附与分解

利用扫描隧道显微镜研究水分子在吸附有氧原子的Cu(110)表面的吸附与分解过程.室温条件下,氧原子(O)在Cu(110)表面吸附并自组装形成规则的沿[001]方向的(2×1)Cu-O链状结构.将吸附有氧原子的Cu(110)样品置于77 K低温条件下观察水分子的吸附与分解,发现在低温下水分子通过氢键与Cu-O链中的氧原子键合而吸附于Cu-O链的顶部和周围,吸附于Cu-O链周围的水分子自组装形成规则的六边形网状结构.通过针尖隧穿电子激发,六边形网状结构中的水分子与氧原子发生化学反应,反应生成的羟基与未参与反应的水分子键合在裸露的Cu(110)表面形成蜂窝网状结构.研究结果表明,Cu(110)表面吸附的氧原子有助于水分子在金属表面的吸附和组装,同时可以催化金属表面水分子的分解反应,对水汽转换实验研究具有一定的指导意义.

利用优化差分电路制作扫描隧道显微镜针尖

扫描隧道显微镜是一种分辨率极高的表面研究仪器,针尖对其工作过程及图像质量有决定性的影响。本文针对目前针尖腐蚀成功率较低和不稳定的缺点,提出了一种新的电路。该设计改变了反应电流的测量机制,使实际反应电压在实验过程中保持稳定,同时为了得到更加尖锐的针尖,利用差分电路监控反应过程的电流变化,能够在反应结束的瞬间立刻切断电路,避免了过度反应使针尖变钝。最后,通过观察反应电压,阴极圆环位置,差分电路灵敏度以及电解液浓度对针尖质量的影响,给出了合适的反应参数,并且比较了差分电路和传统电流阈值监控法的优缺点。结果表明新电路在稳定性上有所提高,与电流阈值监控法相比,针尖质量更好,另外扫描隧道显微镜测试结果也表明针尖质量完全符合要求。

在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习

把新成果转化为物理实验,能源源不断地推出新的实验,而这些新的实验又能极大提高学生们对物理实验的兴趣。本文介绍了在新开设的扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习的教学实践,介绍了5步教学方法的具体做法及取得的教学效果。

纳米Ti膜形成过程的扫描隧道显微镜观察

用磁控溅射方法在聚合物薄膜基体上制备出不同厚度的纳米 Ｔｉ膜．扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）的观察结果表明，初期膜是由直径小于２ｎｍ的形核粒子和粒子团聚体组成．粒子沉积呈岛状生长形成纳米晶粒结构随薄膜厚度增加，平均晶粒尺寸增加，形成大尺寸晶粒的连续薄膜.分析和讨论了薄膜生长过程的结构特征及溅射条件对薄膜结构的影响．

新型冲击驱动器及其在扫描隧道显微镜中的应用

提出了一种基于压电陶瓷的新型冲击式微位移驱动器,该驱动器利用摩擦力和惯性原理使目标产生步进式的微位移。其特点是最小位移可达几纳米,并在几纳米至几微米之间连续可调,运动范围几乎不受限制,具有实用的运动速度,系统结构简单,操作与控制方便,因而可能在微纳米技术中得到广泛应用。阐述了该驱动器的工作原理和机构设计,给出了它在扫描隧道显微镜中用于探针—样品间的自动定位控制的应用实例,得到了理想的结果。

一种新型扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪的设计

针对扫描隧道显微镜的针尖腐蚀系统,提出了一种新的电路,改变了反应电流的测量机制,克服了以往腐蚀过程中电压变化的缺点,提高了针尖制作的成功率。在此基础上对比了新旧两种电路的效果,并测量了腐蚀电压,截止电流以及钨丝浸入长度对针尖质量的影响,发现反应参数的改变对针尖特征的影响是多方面的,必须均衡考虑才能提高成功率,最后,作者在合适的参数条件下观察了整个腐蚀过程,并检测了针尖的使用效果。

贝氏体和马氏体浮突的扫描隧道显微镜研究

本文首次用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）研究了Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ钢中贝氏体和马氏体浮突的形态，利用ＳＴＭ所独具的优异的纵向分辨率，发现贝氏体浮突实际上是贝氏体的亚片条、亚单元及超亚单元造成的表面浮突所组成的浮突群，完全不符合马氏体浮突的不变平面应变特征，说明了贝氏体相变不可能按切变机制进行．

高精度IPC-205B型扫描隧道显微镜的设计及应用

为提高STM的工作效率、解决原始图象难于理解的问题,在一种STM新机型中对硬件设计和软件配备进行了改进。通过引入自动进车、自动停车与锁定装置,实现了进入隧道状态的半自动化。通过借用A/D转换卡的倒T电阻网络,实现了程控快速扫描。配备了独立开发的专用软件用于图象处理,应用此软件处理获得的扫描图象,可以更精确、更形象、更直观的获取样品表面信息。把典型样品的扫描图象与已有知识和已确认的结果比较,可以判断出新机型的分辨本领为:横向0.1nm,纵向0.01nm。给出了用该机型获得的几种样品的扫描图象。

应用扫描隧道显微镜对几种动物金属硫蛋白的比较研究

金属硫蛋白（简称ＭＴ）在生物体内发挥着多种重要作用，因而对其结构的研究越来越受到人们的重视。但由于技术上的困难，目前仅有少数几种动物的ＭＴ经过Ｘ射线衍射或ＮＭＲ技术得以精确测定，对于其余大多数，人们还知之甚少。我们运用ＳＴＭ技术成功地观察到兔、刺猬和蚯蚓的ＭＴ分子，而后两种ＭＴ分子的结构尚未见报导。通过对三种动物ＭＴ分子结构的比较，我们认为，双球形结构模式是ＭＴ分子行使其正常生物学功能所必需的。

天然纤维素超显微结构的扫描隧道显微镜研究

本文用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）对天然纤维素脱脂棉的超显微结构进行了研究，结果表明用ＳＴＭ可直接观察到脱脂棉的微纤丝和基原纤丝。另外，还直接观察到了脱脂棉中纤维素分子的结晶区和非结晶区以及分叉状结构，从而表明棉花纤维素是一种结晶不完全的多聚物。