扫描隧道显微镜中的扫描驱动器

    1引言

   扫描隧道显微镜(STM)是一种新型显微分析仪器^[1]，自80年代初研制成功以来，得到西方各国政府的重视，发明人罗杰和宾尼因此获得诺贝尔奖。由于STM分辨率高，可进行三维成像，能在真空、大气等不同环境下工作，并且操作简便，已在物理、化学、生物及材料科学等方面得到了广泛应用，在微电子领域也己成为一种新的表面检测、分析工具。本文首先概述了STM的工作原理，然后结合我们研制的STM，介绍其中的压电扫描驱动器。

    2STM工作原理

    STM的基本工作原理[2j是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和样品表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，这种现象即是隧道效应。隧道电流I与针尖和样品之间的距离S以及平均功函数中有关:

式中V、是加在针尖和样品之间的偏置电压;平均功函数分别为针尖和样品的功函数;A为常数，在真空条件下约为1。由式(1)可知，隧道电流强度对针尖与样品表面间距非常敏感。因此，如果控制隧道电流恒定，同时控制针尖在样品表面进行扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了样品表面的起伏，如图1所示。

    要控制针尖在样品表面高精度的扫描，用普通机械控制难以达到要求，目前普遍使用YZT压电陶瓷材料，利用其逆压电效应，作为x.y.z方向扫描驱动器，且可通过加在:向驱动器上的电压值推算出样品表面的起伏高度:PZT压电陶瓷有几种不同型号，PZT-4和PZT-8型压电陶瓷材料具有高功率容量，主要应用在高功率声学发射、高电压发生器以及功率控制器中。PZT-5A具有高灵敏性、高介电常数和时间稳定性，常用于一般的发送器或传感器，而PZT-5H最适合于低频应用，与PZT-5A相比，这种材料的介电常数高，但工作温度范围不宽。两种PZT-5型材料都具有高运动灵敏性，都适合在STM中作为扫描驱动器使用。

    3扫描驱动器

    STM扫描驱动系统如图2所示。STM在扫描过程中，探针固定在z扫描驱动器上，并在水平方向保持不动。计算机输出x.y方向扫描驱动信号，经高压功放放大后，控制扫描平台移动，因此探针即相对样品在水平方向作扫描运动。在探针与样品之间加有偏置电压，负反馈控制系统输出驱动信号控制z扫描驱动器移动，调节探针与样品之间的间隙，以保持隧道电流恒定。这样探针与样品之间的间隙与z向驱动信号成正比，因此，z向驱动信号即反映出样品表面起伏。计算机同时采集z向驱动信号，经处理后得到样品的表面形貌。