IPC-205系列扫描隧道显微镜的研制及应用

　　纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为21世纪前20年的主导技术,而扫描隧道显微镜(STM)则是纳米技术中检测和加工所不可缺少的工具。STM是1982年在国际商业机器公司苏黎世实验室研究成功的,它的出现,使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质,其在表面科学、材料科学和生命科学等研究领域有着重大的意义和广阔的应用前景,被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为此,STM的发明者在1986年被授予诺贝尔物理学奖。与其它表面分析技术相比,STM的独特优点可归纳为,具有原子级高分辨力,STM在平行和垂直样品表面方向的分辨力分别为0.1和0.01nm,即可分辨出单个原子;可实时地得到在实空间中表面的三维图像,用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究;可观察单个原子层的局部表面结构,而不是体相或整个表面的平均性质,因而能直接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置^[1] 以及由吸附体引起的表面重构等[2];还可对单个的原子和分子进行加工;能在真空和大气常温等不同环境下工作,甚至可将样品浸在水或其它液体中,不需要特别的制样技术,而且探测对样品无损伤;结合扫描隧道谱

　　(STS)可以得到有关表面电子结构的信息。基于以上优点,STM的应用极为广泛,主要集中在微机械制造(纳米级加工、定位和传动) ^[3] 、纳米材料(观察材料晶粒的机构)、生物医学(观察血液与细胞的微结构与病变) ^[4] 、化学(观察分子在化学过程中的变化)以及质量检测部门(产品质量检测)。

　　STM已被许多先进国家列入优先发展的领域,在德国、美国、俄罗斯及日本已形成产业。重庆大学早在1990年即开始STM的研制工作,十年来在新型机上针对应用要求进行了十项较大的改进,即在前置放大器中采用三级线性放大器。在误差放大器中利用对数放大代替折线放大。采用外设时钟。在扫描电路中用智能数字化控制。在数据采集系统中采用智能控制。使用主板。(七）采用高精度的A/D和D/A卡。⑧采用工控机。采用光学平台。 ⑤将步进机控制机箱与数据采集系统机箱分离等。上述措施是获得清晰图像与保证整机精度的关键所在。以下主要介绍STM的原理、STM IPC-205系列机的系统设计及其主要技术指标和部分应用实例。

　　1　STM的原理

　　扫描隧道显微镜的基本工作原理是利用量子力学中的隧道效应,在样品和针尖之间加一定的电压,当样品与针尖的距离非常接近时,样品和针尖之间将产生隧道电流。隧道电流对样品的微观表面起伏特别敏感,当样品和针尖的距离减少0.1nm时,隧道电流将增加一个数量级。因此,利用反馈线路控制隧道电流的恒定,并利用压电陶瓷控制针尖在样品表面的扫描,则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏。根据扫描过程中针尖与样品相对运动的方式,STM可以分为恒电流模式和恒高度模式。在恒高度模式下,STM虽然能速扫描,且能有效地减少噪声和热漂移对隧道电流的干扰,但为了保护探针,一般不用来观察表面起伏>0.1nm的样品。我们采用的是恒电流模式,比较适于观察表面起伏较大的样品,从而对样品的制备工艺要求不高,拓宽了STM的应用领域。