基于LabVIEW的扫描探针电子能谱仪离线数据处理系统

作为目前唯一可以对固体表层单个原子进行实空间成像的手段[1],扫描探针显微术(Scanning Probe Microscopy,SPM)自发明以来在单原子分子成像、操纵及表面电子态测量方面获得了大量应用[2]。然而SPM只能获得样品表面处于费米面附近的电子态信息,而无法对固体表面丰富的能谱信息进行研究,这大大限制了它在表面科学中的应用。因此将SPM与成熟的电子能谱技术结合起来,实现固体表面微区能谱测量是一个重要课题。在这方面日本的Miyatake组[3-4]和Tomitori组[5-8]以及英国的Palmer组[9-13]已经开展了初步的研究。

我们实验室将一台环形电子能量分析器( Toroidal Electron Energy Analyzer,TEEA)[14-15]与扫描探针系统结合起来,建造了一台扫描探针电子能谱仪(Scanning Probe E-lectron Energy Spectrometer,SPEES)[16]。由于TEEA角度和能量多道同时测量的特性,所采集到的数据是电子位置的二维信息,这对数据处理提出了更高的要求。本文报道了我们利用LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)语言开发的SPEES离线数据处理系统。通过对Ar弹性散射电子及LMM俄歇电子的能谱测量,证明该系统能够完全满足我们SPEES实验的数据处理要求。

1　离线数据处理系统功能

我们在SPEES中使用微通道板(Multi-Channel Plate,MCP)作为二维位置灵敏探测器,电子打在MCP上被倍增为电子束团,由电阻阳极板收集并在其四角产生四个电荷脉冲。这些电荷脉冲被电容和电阻耦合输出后经过后续的电荷灵敏放大器放大形成四个电压脉冲P1~P4,最终被数据采集卡采集并以二进制文件格式记入计算机中[17]。电子打在MCP上的位置(x,y)可以由这四路位置信号计算:

由于谱仪的轴对称性,我们可以以MCP的中心(x0,y0)为原点建立极座标(r,θ)。其中径向座标r反应了电子的能量,而极角θ反应了电子的散射方位角[16-17]。

SPEES在进行能谱测量时有两个模式:非扫描模式和扫描模式[16]。在非扫描模式中,电子进入TEEA内外球之前的减速电压Vp固定,一次实验所测量的是谱仪能窗范围内的能谱,因此对仪器稳定性要求不高,即使束流不稳也不影响测量。但是对于能量分布较宽的能谱,在该模式下只能分段测量后接谱。另外,由于MCP各点的探测效率不均还需要进行效率修正。在扫描模式中,Vp在一台扫描电压源的控制下进行扫描,使得谱仪能窗随之移动,因而能够测量很宽范围的能谱。同时由于Vp的变化,同样能量的电子打在MCP上的位置的径向座标r会不同,最后统计相加的结果是将MCP各点的探测效率进行了平均,所以不需要进行效率修正。其缺点是测量周期长,测量中入射电子束流不能有太大变化,对仪器稳定度要求很高。这两种模式各有优缺点,根据实验需要进行选择。对于记录的数据文件而言,扫描模式比非扫描模式多了一路Vp值,在数据处理时需要加以区分。