基于隧道效应的纳米级振动检测及测量

    1　引　言

    随着测试计量技术的发展,纳米级测量仪器作为高精度的仪器,必然很容易受到外界因素的影响,特别是微振动[1]的影响。扫描隧道显微镜(STM)是纳米测量领域具有极高灵敏度的表面测试仪器,外界极微弱的振动都会影响扫描隧道显微镜的使用效果。随机的外部振动对扫描隧道显微镜测量来说是一个主要的障碍,这包括机器运行时引起建筑物的振动,人走动或者说话引起的振动等等。根据经验分析,这类外界振动的频率大多在1-100Hz之间,所以主要对这个频率段内的振动信号进行实验分析。虽然使用了振动绝缘系统[2],微弱振动的影响还是不可避免的。

    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,而在扫描隧道显微镜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,因此,为了研究外界振动对隧道状态的影响,本文构建了纳米级步进及测量平台装置,并设计纳安级隧道电流的检测电路,研究外界微振动在实验装置进入隧道状态后对隧道间隙的影响,并把外界微振动的信号转变为方便测量和处理的隧道电压信号,方便后续的实验操作和处理。

    2　测量原理

    本实验装置是利用隧道效应[3]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。当一根几个纳米曲率的金属针尖和样品的距离小到一定程度的时候,其间的势垒变得很薄,电子云相互重叠,针尖中的电子波函数与样品表面的电子波函数交叠,电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁,而跃迁形成的电流叫做隧道电流。但是这种相互的跃迁并没有形成连续的隧道电流。当在针尖与样品之间加上偏压Vb时,在电场作用下,电子就会穿过两个电极之间的势垒,通过电子云的狭窄通道流动,从一极流向另一极,形成连续的隧道电流。在隧道状态下隧道电流与隧道间隙呈负指数关系变化,其表达式如下:

    其中:为常数,其值为5·12316588eV^-1/2nm^-1,m为自由电子的质量, h为普朗克常量,φ为平均势垒高度,B为针尖与样品间偏压V_b有关的系数,S为隧道间隙。

    3　实验装置结构

    为了进行高精度的振动检测,设计的结构必须足够的刚性、稳定性,并且具有高的共振频率,以确保在没有外界干扰的情况下,隧道间隙能够保持不变。因此,我们设计一种新的试验装置来观察隧道状态下的振动特性。这里我们使用德国生产的纳米测量机[4]作为调整机构,确保在进入隧道状态前的可操纵性和稳定性,并且使用PI公司的S303作为振源固定在纳米测量机上。纳米测量机的高精度定位是通过具有零阿贝误差的三个平面微型干涉仪,两个角度传感器和一个表面传感探针的结构设计实现的。纳米测量机在五个自由度上实现全范围的闭环控制的自适应误差补偿,调整范围在X,Y, Z方向分别达到25mm×25mm×5mm,并且具有0·1nm分辨力。纳米测量机的移动步距在1nm到10mm之间可以调整,并且可以通过编程使用键盘控制,这最大的好处是在调整过程中可以降低以往粗调和精调分别控制带来的弊端。由于纳米测量机只是提供了一个高精度的测量平台,需要不同功能的扫描器完成测试和操作。本实验装置采用简单的探头固定在平台上方,和纳米测量机合为一体,其中探头包括隧道电流检测电路和针尖夹持器。隧道电流检测电路放在完全封闭的金属探头内,降低电子噪声的干扰。这里并不进行X和Y方向的扫描,只是进行Z向位移的检测。在实验过程中,该实验装置放置在隔振平台上,有效的降低高频振动的影响。下面是实验装置示意图。