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%。

专论金属表面缓蚀剂自组装单分子膜的STM研究进展 Ⅱ.常用金属表面的缓蚀剂自组装单分子膜

缓蚀剂的作用机理与缓蚀剂分子在金属表面形成的自组装单分子膜及其作用密切相关。利用扫描隧道显微镜(STM)可以实时、原位、三维实空间观察原子/分子的技术优势,在分子水平上认识金属 缓蚀剂之间的相互作用,对于金属腐蚀科学的理论研究具有十分重要的意义。本文简要介绍了STM对部分常用金属表面有机缓蚀剂自组装单分子膜的结构、分子取向、晶面结构效应等方面的最新研究进展。

基于小波变换的STM图像处理的研究

根据扫描隧道显微镜(STM)的特点,将小波变换应用于扫描隧道显微镜的降噪、增强及融合方法进行了阐述。对于不同仪器和不同扫描样品的图像,选用不同的小波基函数和分解层数进行分解和重构,结果表明,利用小波变换对扫描隧道显微镜图像进行处理是有效的、可行的,图像质量得到明显提高。

STM探针电化学腐蚀装置的设计及实验研究

本文根据扫描隧道显微镜(STM)探针电化学腐蚀方法的特点,在总结其它STM探针电化学腐蚀装置的基础上,自制了STM探针电化学腐蚀装置。并用此装置进行探针制备的实验研究,摸索出了此装置制备高质量钨探针的较佳工艺条件,同时给出了所制探针的STM成像结果。

技术工具对科学发展促进作用的计量研究——以扫描隧道显微镜技术为例

本文运用量化分析方法,研究扫描隧道显微镜(STM)这一具体技术向多学科知识结构以及理论界热点研究领域的动态演化特征。研究结果表明,STM技术涉及的学科领域主要属于自然科学类、工程科技类和信息科技类,各学科对该技术的反应速度和与该技术相关的研究成果量呈正相关。从与STM技术相关的科学知识结构看,STM技术产生于量子力学、固体物理、化学物理、电子物理、机械工程和控制论等学科之中,同时这项新技术的产生又催生了纳米科技、表面科学等研究领域的迅速发展。运用Citespace技术研究发现近年与STM技术相关的突变词主要有分子束外延、石墨烯和量子计算机等,与这些关键词相关的研究应是当今的热点领域。

扫描隧道显微镜对纳米碳酸钙的研究

由于扫描隧道显微镜(STM)具有原子级分辨率,因而是迄今为止观察微米和更小尺度上表面三维形貌极其有效的工具。利用 STM 可以直接观察纳米碳酸钙的表面形貌、粒径大小、晶形、分散性以及纳米碳酸钙的隧道谱。分析了纳米碳酸钙的量子效应和宏观量子隧道效应。

H原子在Si(111)-7×7表面吸附的STM研究

利用超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM),在液氮(78K)及液氦(4.2K)低温条件下研究了H/Si(111)-7×7吸附体系。H原子易于吸附在表面增原子(adatom)以及剩余原子(rest atom)的位置,导致表面局域电子态密度(LDOS)和STM图像发生明显的变化。利用扫描隧道谱技术(STS)测量获得了H吸附前后这些位置的LDOS并阐明了产生这些变化的原因,又测量获得了表面单分子Si-H化学键的振动和摆动模式。

单晶硅表面STM成像理论模型与实验分析

结合扫描隧道显微镜(STM)成像实验和第一性原理原子级模拟计算的方法已经成为材料界面表征的重要手段。超高真空条件下的STM可用于直接观察单原子等微观结构,但其成像原理还未被理解清楚。STM扫描测得的试件表面原子级图像并不直接反映材料原子的形态,实际上是表面形貌和表面电子态局域密度的综合结果。为了解释STM成像,采用第一性原理Siesta方法,研究了Si(001)面STM成像过程的电子结构,对表面粒子的原子轨道和相应的电荷密度进行计算。讨论了等高模式下扫描高度对局域电子云密度分布的影响,并分析了STM针尖几何形状对模拟结果的影响。研究表明,材料表面原子的电子云密度分布可以用来解释STM成像精度和扫描高度对比的变化。

扫描隧道显微镜对不同样品测试条件的分析

概述了扫描隧道显微镜(STM)的应用,讨论了扫描隧道显微镜(STM)对不同样品测试的条件,这对STM图象的分析有着重要的作用。

用于微区阻抗测量的STM探针的制备

基于扫描隧道显微镜（scanning tunneling micmscope，STM）的新型扫描阻抗显微镜（scarming impedance microscope，SIM）可以对绝缘电介质表而的阻抗性质进行测量，但由于传统STM针尖不适用于这种模式，需要制备新型的探针。介绍了利用电化学腐蚀法制备SIM针尖的工艺，研究了制备过程中各种条件的控制对针尖质量的影响。根据实验结果，对切断时问的控制效果提出了与以往经验不同的看法。最后通过实验分析了适用于阻抗性质扫描的针尖特点，认为适用于阻抗扫描的针尖其曲率半径应在100～200nm之间，且具有小的纵横比和一级新月结构。

Si(111)7×7表面Gd@C_(82)分子的STM研究

用超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)研究了金属富勒烯分子Gd@C82在Si(111)7×7重构表面的吸附特性和电学特性。STM形貌像显示Gd@C82分子和Si基底之间相互作用较强,Gd@C82分子吸附在Si基底的三种特定的位置上,其中在Si(111)7×7单胞内三个顶戴原子间的吸附位最稳定。扫描隧道谱(STS)的测量显示Gd@C82分子呈现半导体特性。分子表面局域电子态密度(LDOS)在Gd附近受到Gd与碳笼间电子转移的影响,发生显著变化。

扫描隧道显微镜钨针尖的制备与表征

采用直流电化学刻蚀方法制备扫描隧道显微镜钨针尖,研究了电化学刻蚀过程中NaOH溶液浓度、钨丝浸入长度和刻蚀电压对针尖形貌的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)测量针尖曲率半径和针尖纵横比值,以表征针尖的尺寸和形状;通过能谱仪(EDS)分析针尖表面成分,以表征表面清洁度;通过场发射显微镜(FEM)得到Fowler-Nordheim (F-N)曲线来检测针尖发射性能。实验结果表明,当溶液浓度为2 mol/L、钨丝浸入长度为4 mm、刻蚀电压为3 V时,可以得到曲率半径约为100 nm、纵横比值为13的针尖,且表面无钨的氧化层。FEM结果显示当对针尖施加500 V的负偏压时,针尖可以稳定发射50 nA量级的电流,且针尖性能具有良好的一致性。

STM中量子隧穿效应原子模型的计算机模拟

首先介绍了STM中原子的量子隧穿效应,并进行了量子力学分析。接着用Maya2013模拟了隧穿效应和STM扫描过程,最后研究了隧道电流和探针表面的距离的关系式,并绘制了其关系图像。图像表明隧道电流对针尖与样品的距离是很敏感的,当针尖与样品的距离增加0.1 nm,隧道电流将会成指数级的变化。所以控制针尖与样品的距离和针尖的大小对实验有至关重要的作用。

利用STM研究苝四羧酸分子间的作用机制

通过对苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(PTCDA)酸化,合成了苝-3,4,9,10-四羧酸(PTCA),采用红外、氢谱等方法对目标产物进行了表征.并且采用荧光光谱研究了产物的光学性质,结果表明:酸化后的PTCA表现出很强的荧光特性.为了进一步揭示分子作用机制,以高定向热解石墨HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite)为基底,利用扫描隧道显微镜(STM)研究了PTCA分子在固-液界面的二维(2D)自组装行为,实验结果表明了分子间的作用力来源于分子间的氢键和π-π堆积相互作用力.

在SPM通用平台上自己开发组装扫描探针显微镜

SPM通用平台是一套扫描探针显微镜开发工具系统 ,它提供了一种开发生产SPM新的思路和方法 ,使SPM成为通用、开放、兼容的仪器体系。本文介绍了SPM通用平台的原理、指标和在其上扩展扫描隧道显微镜、原子力显微镜等功能模块的方法 ,以及智能型SPM通用平台的研究思路。希望与相关领域的专家开展合作。

铂纳米团簇在修饰的HOPG表面的生长及性能表征

用扫描隧道显微术研究了经过不同方法处理的高定向裂解石墨(HOPG)表面的性质以及铂在其上的成核和生长。通过控制氩刻及氧化时间,在HOPG表面制备出分布和大小均匀的坑。这些纳米坑具有较强的活性,在后面的金属铂沉积过程中成为铂团簇的成核中心。通过控制坑的密度和分布,可以很好地控制沉积的铂团簇的分布及大小。用X射线光电子能谱(XPS)对其电子性质进行了研究,并用高分辨电子能量损失谱(HREELS)研究了甲醇在该体系的吸附行为。

纳米团簇晶体的制备和结构研究

利用表面调制“幻数团簇”的方法制备出Al、Ga和In的纳米团簇人造晶体。这种方法是用Si(111) 7× 7表面作为“模板”生长尺寸相同和分布有序的纳米团簇。通过扫描隧道显微镜 (STM )原位分析结合第一性原理计算确定了金属纳米团簇的原子结构以及这些结构的形成机理。我们的研究表明对生长动力学的精确控制是制备团簇晶体的关键所在。此外 ,这种方法并不局限于制备某一种金属团簇。人造纳米团簇具有高的热稳定性和独特的结构使它们有希望在实际中得到广泛的应用。

自适应控制在纳米加工微驱动器中的应用研究

为提高扫描隧道显微镜微驱动器的响应速度和定位精度,提出了一种基于自适应理论的控制方法。微驱动器采用压电陶瓷驱动,在分析其结构的基础上,建立了驱动器的简化运动模型,利用最小二乘法对驱动器参数进行了在线辨识。把自适应控制理论引入到微驱动器的控制中,在参数自校正PID控制律的作用下,实现了PID控制器参数的自动整定。采用专用的压电陶瓷驱动电源,进行了位移的测试实验。结果表明,参考位移量为12.39μm时,相对于传统PID控制,动态响应时间由3 s缩短到1.4 s,稳态位移误差由3.2%减小到2.7%。

基于隧道效应的纳米级振动检测及补偿

微振动是提高纳米测量精度的主要障碍,为了减小微振动在STM测量中的影响,需要对微振动进行隔离和检测．因此,抗振、隔振及振动补偿技术成为了纳米测量领域的一大分支．设计了基于隧道效应的纳米级振动传感器,该传感器具有很高的灵敏度和分辨力,并用设计的振动传感器进行了纳米级振动检测试验．在隧道状态下, 观察隧道间隙对外界微振动的响应情况,并用测量结果实时对STM测量进行补偿．结果表明,基于隧道效应的测振传感器具有很好的响应特性和良好的幅频特性,并且可以进行STM的振动补偿．

功率谱估计在扫描隧道显微术中的应用

扫描隧道显微镜(简称STM)所采集到的隧道电流信号,不仅包含着表征样品的表面形貌和分子结构的有效信号,而且还隐含着整个扫描隧道显微系统的动态特性.针对STM采集的信号,运用短时傅立叶变换对其波形数据进行功率谱密度估计,对信号在频率域中的特征向量加以提取.结果表明:基于谱空间的特征向量,准确地分辨出了工频在信号中的干扰,也能有效地解释和分析STM系统的动态特性,进而认为存在一小阻尼系统对信号施以影响;此外,分析的结果可以为STM扫描过程的控制,诊断以及扫描图像的重建和解释提供有力的理论指导.