STAR系列STM计算机系统

扫描隧道显微镜(STM)于1982年由IBM公司苏黎士研究实验室的Binnig和Rohrer发明,1986年获得诺贝尔物理奖,其基本原理就是量子力学的隧道效应。STM通过一个由压电陶瓷驱动的探针在样品表面作精确的二维扫描,其扫描精度达到几分之一纳米。该探针尖端可以制成只有一个原子大小的粗细,并且位于距样品表面足够近的距离内,以使探针尖端与样品表面之间的电子云发生重叠。这时若在探针与样品表面之间加上一定的偏压就会有一种被称为隧道电流的电子流流过探针。这种隧道电流对探针与样品表面的间距十分灵敏,从而在探针扫描时通过感知这种隧道电流的变化就可记录下物体表面的起伏情况。这些信息再经计算机重建后就可以在计算机屏幕上获得反映样品表面形貌的直观图像。这就是STM的工作原理。STM问世不久就进入了商业产品的开发,目前已有了一定基础。美国DI公司、英国VG公司、德国Omicron公司以及其他一些国家都相继推出了自己的品牌,其中较为知名的是美国DI公司推出的Nano Scope系列,约占国际市场50%的份额。国内在这一领域的开发从1987年开始,北京本原公司与上海纳米公司都推出了自己的产品。其中上海纳米公司与中科院上海原子核研究所合作,完全立足国内,在SINR-Ⅰ型STM (实验样机)的基础上按照严格的商业产品规范设计,相继推出STAR-Ⅰ型、STAR-Ⅱ型STM。其中STAR-Ⅱ型STM作为普及型STM的定型产品已经投入销售。该仪器的主要特点是克服了国内精密仪器普遍存在的性能不稳定、容易出毛病的缺点,同时达到了高质量与稳定性,并且操作方便、易于维护[1]。上海纳米公司还计划在年底推出集STM与AFM功能与一体的普通型SPM产品STAR-Ⅱ型SPM,以及立足DSP技术的高档型SPM产品STAR-Ⅲ型SPM。

1　STAR系列STM硬件系统

STAR系列STM硬件系统包括头部、电子学控制以及PC机三部分。见图1。

1.1　头部

头部结构为分块组合式,采用悬吊式抗震装置。探针安装在针块上,采用Pt-Ir或W丝,可以调换。扫描器使用压电陶瓷管,样品固定在扫描器上,相对于探针扫描。利用两只手动螺旋测微头与一只精密步进马达顶杆三点支撑针块,控制样品与针尖距离。步进马达可以由用户通过操作盘手动控制,也可以由计算机通过马达控制器自动控制。

1.2　电子学

电子学控制系统包装在470 mm×450 mm×175 mm的标准机箱内,由电源板、步进马达控制板、XY控制板以及Z控制板组成,是一个精心设计的高精度低噪声电路系统。电源板提供电子学系统所需的高精度低噪声电源驱动。步进马达控制板接受PC机给出的数控指令并转换成步进马达可识别的模拟脉冲信号送给步进马达,控制马达动作。XY控制板将PC机通过DAC送出的X、Y扫描信号高压放大后送给压电陶瓷扫描管,控制样品扫描。Z控制板将探测到的隧道电流和样品表面的高度信息处理后送入PC机的A/D转换器,由PC机完成数据采集,同时控制Z方向反馈。