一种高稳定性扫描隧道显微镜的设计与应用

　　1　引　　言

　　扫描隧道显微镜STM(Scanning Tunneling Mi-croscope)是基于量子力学隧道效应原理而发展起来的一种新型显微镜和表面分析仪器,被广泛应用于物理学、化学、材料科学、生物医学和微电子学等多学科领域,促进了纳米科技的发展,由此诞生了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米计量学、纳米电子学、纳米机械学、纳米制造学等,并已取得了重要的成果,　　被国际科技界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。自1981年问世以来[1～2],STM已出现了许多种结构各异的镜型,它们的各自特点反映了各个领域的研究人员的不同需要。例如,就工作环境而言,就有适合于在大气、真空、液体、低温或强磁场条件下的多种STM。尽管STM的构型各不相同,但都包括有下述三个主要部分:驱动探针相对于导电试样表面作三维　　运动的机械系统(镜体),用于控制和监视探针与试样之间距离的电子系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。由于STM工作时探针与试样间为几个原子层的距离,外界环境的任何微小振动,例如实验室所在建筑物的微小振动,将导致探针相对于试样作不需要的附加运动。因此,排除外界环境扰动是STM设计中的一个关键。好的设计使得STM镜体的各个部件的　　组合既紧凑又具有很强的刚性,特别是在垂直于试样表面的方向上表现出很强的隔离外界振动的能力。报道自行研制的一种隔离外界振动干扰能力强和工作稳定性高的计算机化的STM及其在导电物体表面观测和纳米级加工等方面的应用研究。

　　2　镜体设计

　　该扫描隧道显微镜镜体[3]及其支承机构如图1所示,它有3种基本功能:实现粗进给运动和细进给运动,以及有效隔离外界环境振动对探针运动的干扰。当步进电机15通过多级减速齿轮组3和进给传动齿轮2驱动进给螺杆4向上运动时,压电陶瓷固定板8以较邻近压电陶瓷管的支撑钢球5为支点转动(此时支点到进给螺杆和探针的距离之比约为40∶1),使探针10逐渐接近试样11的表面。当步进电机反转时,用限位开关限位。压缩弹簧6不仅用于紧固压电陶瓷固定板于试样固定板13上,增强系统的刚性,还可以根据需要与进给螺杆上端的压缩弹簧(图中未画出)配对组成差动弹簧组以加大减速比。调节螺旋14用于调节压电陶瓷固定板与试样固定板的间距,以便于安装探针和试样。为了隔振,镜体由三根悬吊弹簧6支承,该系统的固有振动频率为1.5Hz左右,为了减少外来振动干扰的作用时间,采用了海绵阻尼器16。压电陶瓷管9为直径为12.7mm和6.35mm两种。小直径管主要用于观测大面积表面时使用。探针用直径0.25mm的钨　　丝电化学腐蚀制作而成。试样水平放置于试样支承12上。试样支承可在水平方向作二维运动。玻璃钟罩17用于隔离外界的声频振动干扰。