隧道状态下纳米级振动检测技术的研究

　　1　引言

　　随着计量测试量程的向下扩展,纳米级测量仪器在使用中必然会受到外界的影响,特别是微振动的影响。扫描隧道显微镜工作在纳米尺度,外界极微弱的振动都会影响其使用效果。目前对于扫描隧道显微镜来说,振动的隔绝以及仪器本身结构和振动的相关性研究较多,并有很多的报道,而对其在工作状态下振动的分析却并不多见。振动对扫描隧道显微镜等仪器的测量结果影响很大,反过来思考,亦即表明它们对振动非常敏感。由于扫描隧道显微镜工作时的隧道间隙在1 nm左右,隧道状态下测量振动[1]的精度非常高,可以达到0·01 nm。在它的工作环境中,外界的振动源主要有三个方面:大地的振动、声音噪声和直接力的振动。根据经验分析,外界振动的频率大多在1~100 Hz之间,所以通常主要是对这个频段内的振动信号进行实验分析。

　　2　测量原理及装置

　　扫描隧道显微镜是利用隧道效应进行工作的。隧道效应也叫做隧穿效应,它是量子力学中一种粒子跃迁的现象。在隧道状态下隧道电流I与隧道间隙S呈负指数关系变化,其表达式为:

　　当针尖与样品间隙改变0·1 nm,隧道电流就会改变一个数量级。当样品在微位移器控制下接近针尖时(S小于几个nm),由于隧道效应而产生隧道电流,保持针尖与样品之间的距离S恒定,隧道电流则不变。当有外界振动影响S时,隧道电流发生变化,经过电流放大、数据采集系统和信号处理系统,并按一定算法分析处理后即可得到振动信号的幅度和频率。由于纳米级振动检测只在Z向进行移动,可充分利用Z向分辨率最高这一特点。图1为测量装置的示意图。

　　3　纳米级振动检测装置结构

　　采用德国SIOS公司生产的纳米测量机微动平台[2]作为调整装置,如图2所示,其Z向调节范围达到5mm,分辨率为0·1 nm。驱动装置采用精密的直线步进电机,通过微型激光干涉仪作为调整的尺度。Z向的移动由四个单独控制的驱动系统进行调节,这样可便于对移动过程中的角度偏差进行修正。微动平台上部是一个正交的镜体,在X、Y方向各安装有一个角度传感器,以实时进行角度误差的补偿。另外还安装有温度和压力传感器用来检测环境参数的变化。

　　当隧道电流产生后,电流量尚不便测量,需要进行I-V转换,这就需要精度非常高的放大电路,能够分辨极微弱间隙变化引起的电流变化。设计采用高增益的放大电路,并使用电阻反馈网络,保证放大倍数的稳定。实验证明,电路的分辨率能够达到0·1pA,且在1~100 Hz的频率范围内有很好的动态响应特性。