專利名稱：掃描隧道顯微鏡功函數(shù)信息成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及掃描探針成像技術(shù)，是基于掃描隧道顯微鏡建立的功函數(shù)信息成像裝置。
在現(xiàn)有技術(shù)中，掃描隧道顯微鏡以其優(yōu)越的分辨率能夠獲得樣品表面納米乃至原子尺度的分辨像，可對表面結(jié)構(gòu)進行觀察研究，但卻不能標定樣品表面元素種類及分布，然而根據(jù)隧道效應(yīng)原理可知探針與樣品之間的隧道電流不僅反映樣品表面的結(jié)構(gòu)，同時也包含了樣品元素的功函數(shù)信息。
為了克服上述不足，本實用新型的目的是基于掃描隧道顯微鏡采用對隧道電流的調(diào)制、解調(diào)、提取功函數(shù)信息等技術(shù)，建立了一種既能獲得表面精細結(jié)構(gòu)，也可測量表面元素功函數(shù)信息的掃描隧道顯微鏡功函數(shù)信息成像裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案包括攜帶探針的掃描器、放大器、比例積分器、數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及計算機裝置，其中樣品接地，前置放大器A1同相端連至隧道偏壓Vb正端，其異相端連接來自探針針尖的電流信號，其輸出端信號一路與參考電流Ir經(jīng)誤差信號放大器A3接至比例積分器；另一路接對數(shù)放大器A2，隧道偏壓Vb負端與樣品共地，高壓放大器HA的輸入端接比例積分器，輸出端接至掃描器的Z臂，所述掃描器的X、Y臂輸出信號來自計算機裝置的掃描控制端數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC，比例積分器輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC至計算機裝置的采集控制端，其特征在于在對數(shù)放大器A2后設(shè)一鎖相放大器，高壓放大器HA前加一信號發(fā)生器，鎖相放大器的一個輸入端接至所述對數(shù)放大器A2的輸出端，另一個輸入端與信號發(fā)生器連接，其帶有功函數(shù)信息的輸出信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，所述信號發(fā)生器的調(diào)制信號同時與高壓放大器HA的輸入端連接；所述對數(shù)放大器A2輸出信號為鎖相放大器中高通濾波器的輸入信號，所述來自信號發(fā)生器的參考信號接于鎖相放大器中移相器的輸入端，所述鎖相放大器中放大器A5輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC相連；來自信號發(fā)生器的調(diào)制信號和來自比例積分器的反饋信號分別經(jīng)電阻R1和R2與所述高壓放大器HA的異相端連接；所述信號發(fā)生器的調(diào)制信號頻率大于回路的截止頻率，小于掃描器響應(yīng)截止頻率，與參考信號的頻率相同，其回路的截止頻率在1KHz-10KHz范圍內(nèi)可調(diào)，掃描器截止頻率小于50KHz，參考信號的頻率和調(diào)制信號的的頻率均為5KHz-25KHz范圍可調(diào)。
本實用新型具有如下優(yōu)點本實用新型利用了量子力學中電子隧穿原理以及隧道電流依賴材料功函數(shù)的關(guān)系I∝Vbexp(-1.025Φ1/2S)，在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上，研制了功函數(shù)信息成像的功能，使掃描隧道顯微鏡具有既可觀察表面精細結(jié)構(gòu)，也可測量表面元素及其分布的功能。


圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本實用新型中的鎖相放大器電路原理圖。
圖3為本實用新型中調(diào)制信號與高壓放大HA的連接圖。
以下結(jié)合附圖及其工作原理對本實用新型作進一步詳細說明。
如圖1所示，包括攜帶探針的壓電陶瓷掃描器、放大器、比例積分器、數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及計算機裝置。其中樣品接地，隧道偏壓Vb與樣品共地，隧道偏壓Vb加在前置放大器A1同相端，來自針尖的電流信號與前置放大器A1異相端連接，前置放大器A1輸出信號一路與參考電流Ir一起經(jīng)誤差信號放大器A3接至比例積分器，另一路接對數(shù)放大器A2，其比例積分器的輸出端經(jīng)高壓放大器HA接至掃描器的Z臂，同時接至計算機裝置采集控制端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，所述掃描器的X、Y臂輸入信號來自計算機裝置掃描控制端的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，所述比例積分器輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC至計算機裝置的采集控制端；另外加設(shè)一信號發(fā)生器和鎖相放大器，其信號發(fā)生器的輸出一路接高壓放大器HA的輸入端作為調(diào)制信號，另一路接鎖相放大器，所述對數(shù)放大器A2的輸出端至鎖相放大器。
如圖2所示，所示鎖相放大器包括濾波器、放大器、移相器和相敏檢波器。所述對數(shù)放大器A2輸出信號為鎖相放大器的輸入信號，經(jīng)高通濾波器接至選擇放大器A4，所述信號發(fā)生器輸出的參考信號為鎖相放大器另一輸入信號，接移相器的輸入端，移相器和選擇放大器A4的輸出分別為相敏檢波器的輸入，相敏檢波器的輸出信號通過低通濾波器經(jīng)電阻R接至放大器A5，放大器A5的異相輸入與輸出端跨接一可調(diào)電阻RF1同相端經(jīng)電阻接地。鎖相放大器輸出端與所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC相連。
如圖3所示，來自信號發(fā)生器的調(diào)制信號和來自比例積分器的反饋信號分別經(jīng)電阻R1和R2與所述高壓放大器HA的異相端相接，其同相端流電阻R3接地，其同相端與輸出端還跨接一可調(diào)電阻RF2。
所述信號發(fā)生器的調(diào)制信號頻率大于回路的截止頻率，小于掃描器壓電陶瓷的響應(yīng)截止頻率，與參考信號的頻率相同，本實施例所述回路的截止頻率為5KHz，所述掃描器壓電陶瓷的響應(yīng)截止頻率為40KHz，參考信號頻率和調(diào)制信號頻率為10KHz。
本實用新型的工作原理是在恒流掃描模式下，給掃描器Z臂高壓上疊加一個固定頻率和幅值的正弦調(diào)制信號，其頻率高于回路截止頻率，使針尖依賴隧道間距變化的同時，又受到調(diào)制信號的調(diào)制，調(diào)制電流隨大小變化，其頻率與調(diào)制信號同頻，幅值與功函數(shù)值的大小有關(guān)，利用鎖相放大器來提取與功函數(shù)信息相關(guān)的調(diào)制電流信號；由隧穿效應(yīng)可知，調(diào)制電流與功函數(shù)信息成指數(shù)關(guān)系，為使所提取信號與功函數(shù)數(shù)值成比例關(guān)系，調(diào)制電流信號必須經(jīng)對數(shù)放大器A2線性化，再送入鎖相放大器；信號經(jīng)高通濾波和選擇放大器A4以后作為相敏檢波器的輸入，相敏檢波器相當于一個乘法器，兩個輸入信號分別為調(diào)制信號和調(diào)制后的電流信號，相敏檢波器輸出不但和它的兩個輸入信號的幅值有關(guān)，而且還與兩個輸入信號之間的相位差有關(guān)，當這兩個信號的相位差為π/2時，輸出值最大并且只與輸入信號的幅值成比例，因此，在參考信號的通路上接入一個移相電路，用以調(diào)整兩個輸入信號之間的相位差為π/2，使輸出與相位無關(guān)，只與輸入信號幅值有關(guān)，這樣，相敏檢波器的輸出只有直流信號(即差頻信號)和頻率較高的和頻信號；為使采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，則把相敏檢波器的輸出送入低通濾波器濾掉高頻信號，這樣，鎖相放大器的輸出便為與功函數(shù)信息數(shù)值成正比的直流電信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采集鎖相放大器的輸出信號，通過軟件把計算機采集的數(shù)據(jù)以圖像的形式表現(xiàn)出來，這樣，就可以利用圖像來表示功函數(shù)信息。這就是掃描隧道顯微鏡功函數(shù)信息成像原理。
另外，利用兩路采集通道分別對表面形貌信息和功函數(shù)信息采集，即在掃描某點時，先采集該點形貌信息，再采集功函數(shù)信息幅值。采集完畢移至下一點繼續(xù)采集；采集的形貌信息和功函數(shù)信息為兩組對應(yīng)的數(shù)據(jù)，形貌信息的大小反映表面的起伏，以三維掃描線表示；對應(yīng)的功函數(shù)信息的大小則用顏色表示，最終的圖像既反映形貌的起伏，又顯示功函數(shù)的大小。
本實施例所述信號發(fā)生器采用ORTEC Brookdeal 5012F型，另采用PARTMModel 128鎖相放大器，比例積分器和放大器為現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種掃描隧道顯微鏡的功函數(shù)信息成像裝置，包括攜帶探針的掃描器、放大器、比例積分器、數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及計算機裝置，其中樣品接地，前置放大器A1同相端連至隧道偏壓Vb正端，其異相端連接來自探針針尖的電流信號，其輸出端信號一路與參考電流Ir經(jīng)誤差信號放大器A3接至比例積分器；另一路接對數(shù)放大器A2，隧道偏壓Vb負端與樣品共地，高壓放大器HA的輸入端接比例積分器，輸出端接至掃描器的Z臂，所述掃描器的X、Y臂輸出信號來自計算機裝置的掃描控制端數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC，比例積分器輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC至計算機裝置的采集控制端，其特征在于在對數(shù)放大器A2后設(shè)一鎖相放大器，高壓放大器HA前加一信號發(fā)生器，鎖相放大器的一個輸入端接至所述對數(shù)放大器A2的輸出端，另一個輸入端與信號發(fā)生器連接，其帶有功函數(shù)信息的輸出信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，所述信號發(fā)生器的調(diào)制信號同時與高壓放大器HA的輸入端連接。
2.按照權(quán)利要求1所述掃描隧道顯微鏡的功函數(shù)信息成像裝置，其特征在于所述對數(shù)放大器A2輸出信號為鎖相放大器中高通濾波器的輸入信號，所述來自信號發(fā)生器的參考信號接于鎖相放大器中移相器的輸入端，所述鎖相放大器中放大器A5輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC相連。
3.按照權(quán)利要求1所述掃描隧道顯微鏡的功函數(shù)成像裝置，其特征在于來自信號發(fā)生器的調(diào)制信號和來自比例積分器的反饋信號分別經(jīng)電阻R1和R2與所述高壓放大器HA的異相端連接。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述掃描隧道顯微鏡的功函數(shù)信息成像裝置，其特征在于所述信號發(fā)生器的調(diào)制信號頻率大于回路的截止頻率，小于掃描器響應(yīng)截止頻率，與參考信號的頻率相同，其回路的截止頻率在1KHz-10KHz范圍內(nèi)可調(diào)，掃描器截止頻率小于50KHz，參考信號的頻率和調(diào)制信號的的頻率均為5KHz-25KHz范圍可調(diào)。
專利摘要本實用新型涉及一種掃描隧道顯微鏡的功函數(shù)信息成像裝置,包括帶探針的掃描器、放大器、比例積分器、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及計算機裝置,其中加設(shè)一信號發(fā)生器和鎖相放大器,其鎖相放大器的一個輸入端接至所述對數(shù)放大器A
文檔編號G02B21/00GK2392189SQ9925025
公開日2000年8月16日 申請日期1999年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月10日
發(fā)明者謝天生, 范兆忠, 趙玉清, 葉恒強 申請人:中國科學院金屬研究所