掃描探針顯微鏡在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要介紹掃描探針顯微鏡教學(xué)演示軟件。該軟件將CAI技術(shù)和SPM技術(shù)結(jié)合在一起，主要運(yùn)用文字說(shuō)明，靜態(tài)圖像，三維動(dòng)畫(huà)，模擬仿真等方法，對(duì)SPM的初學(xué)者進(jìn)行SPM的原理介紹和使用培訓(xùn)，可以大大縮短他們的學(xué)習(xí)時(shí)間，并能使其在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)SPM有一個(gè)較為深入和全面的了解。

關(guān)鍵詞 NANOVISUA教學(xué)型掃描隧道顯微鏡; 圖像處理; 掃描探針顯微鏡（SPMs）;原子力顯微鏡;教學(xué)效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TH742; G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-489X（2006）11-0047-02

Application of Scanning Probe Microscope in Machinery Teaching//Yue Rui， Zhu Wengsheng

Abstract This software combines CAI technology with SPM technology and mainl uses methods of text explanation， three-dimension animation as well as mathematical simulation to train the beginners of SPM. After using the software， the beginners can quickly get deep and whole knowledge of SPM.

Key words scanning tunnelling microscope ofNANOVISUA tape（STM）; Picture processing:Scanning Probe Microscope（SPM）;Atomic Force Microscope;teaching effictiveness

Author’s address

1. GraduateSchool，NanjingAgriculture University，210095， Nanjing， China

2. Lianshui Vocation Education Centre ， 223400，Lianshui，Jiangsu， China

1引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（G．Binning）和海·羅雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunnelling Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)STM）．STM使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的^[1] 排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金.NanoVisual，教學(xué)型掃描隧道顯微鏡可在機(jī)械教學(xué)中發(fā)揮良好作用。

2教學(xué)型NANOVISUAL掃描隧道顯微鏡

NanoVisual是針對(duì)高等院校實(shí)驗(yàn)課程和中學(xué)素質(zhì)教育而設(shè)計(jì)的教學(xué)型掃描隧道顯微鏡。為了適應(yīng)教學(xué)要求，NanoVisual去繁就簡(jiǎn)，掃描部件高度集成，操作流程簡(jiǎn)練便捷，具備工作原理清晰、穩(wěn)定性?xún)?yōu)越等特點(diǎn)。 在線控制軟件和后處理軟件用戶(hù)界面友好，輔以生動(dòng)的教學(xué)課件，引導(dǎo)學(xué)生輕松掌握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法。^[2]NanoVisual掃描隧道顯微鏡具有一定的可擴(kuò)充性，可以根據(jù)需要增加某些功能部件，從而具備一定科研能力。

3 主要性能

掃描圖像BMP/TIFF全兼容文件格式，當(dāng)前全部工作環(huán)境參數(shù)同步保存。基于Windows XP/2000/9X的在線控制軟件和后處理分析軟件，簡(jiǎn)約化的掃描隧道顯微鏡探頭，初學(xué)者只需經(jīng)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可掌握操作方法，具有I-V曲線等測(cè)量分析功能，具有圖形刻蝕模式和矢量掃描模式的納米加工技術(shù)，樣品尺寸直徑30mm、厚度10mm。主控制系統(tǒng)采用德州儀器(TI)32位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，每秒可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10億次32位運(yùn)算。主控制系統(tǒng)采用10M/100M快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet 10/100)與計(jì)算機(jī)連接。^[3]全數(shù)字控制，系統(tǒng)狀態(tài)、儀器類(lèi)型、掃描器和探針架參數(shù)智能識(shí)別和控制。具針尖表征及圖像重建功能(針尖形貌估計(jì)/圖像重建/用已知針尖重建圖像)。按功能模塊劃分的縱向插卡式結(jié)構(gòu)，便于日后系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)。

3.1.技術(shù)指標(biāo)

1）軟件系統(tǒng)：基于Windows XP/2000/9X的在線控制軟件和后處理軟件。

2）系統(tǒng)功能：掃描隧道顯微鏡（STM）。納米加工和操縱，包括圖形刻蝕模式和矢量掃描模式。

3）參數(shù)性能：電流檢測(cè)靈敏度：≤10pA。圖像分辨率：128X128，256X256，512X512，1024X1024。掃描角度：0～360°。掃描頻率：0.1～100Hz。預(yù)置隧道電流：0.1～10nA。偏置電壓：-2～+2V。

4）電子控制系統(tǒng)：8通道16-bit DAC，建立時(shí)間1.5微秒。通信接口：10M/100M快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet 10/100）接口。

5）機(jī)械性能：樣品尺寸：最大可達(dá)直徑30mm，厚度10mm。全自動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)樣系統(tǒng)。

4掃描隧道顯微鏡（STM）^[1，2]原理分析

掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流 I 是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離 S 和平均功函數(shù) Φ 有關(guān).^[4]。

隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離 S 減小0.1nm，隧道電流 I 將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。

將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來(lái)，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象^[5]。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過(guò)加在 z 向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對(duì)于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過(guò)記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品^[6]。

是利用SPM進(jìn)行納米加工的客觀依據(jù)。同時(shí)也說(shuō)明，SPM不是簡(jiǎn)單用來(lái)成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具。

5教學(xué)課程安排

1）第一周：原理簡(jiǎn)介與上機(jī)模擬。課后著手資料定向查詢(xún)并準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2）第二周：演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)。先用鐵絲作探針練習(xí)，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品（光柵）的測(cè)量。

3）第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進(jìn)行圖像處理。課后資料定向查詢(xún)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 報(bào)告內(nèi)容: 心得、體會(huì)及建議，STM在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用或STM儀器的某部件的原理。

4）第四周：宣講實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每人15分鐘（包括5分鐘提問(wèn)）。

6圖像處理

1） 平滑處理：將像素與周邊像素做加權(quán)平均。

2）斜面校正：選擇斜面的一個(gè)頂點(diǎn)，以該頂點(diǎn)為基點(diǎn)，現(xiàn)行增加該圖像的所有像數(shù)值，可多次操作。

3）中值濾波：傅立葉變換。對(duì)圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時(shí)很有用.

7結(jié)束語(yǔ)

在線控制軟件和后處理軟件用戶(hù)界面友好，輔以生動(dòng)的教學(xué)課件，引導(dǎo)學(xué)生輕松掌握掃描隧道顯微鏡的原理和基本操作方法.作為一種CAI軟件，本軟件界面好，操作簡(jiǎn)便。采用文字、圖形、三維動(dòng)畫(huà)等方式將SPM這一尖端復(fù)雜儀器的原理和使用與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)這一形式結(jié)合起來(lái)，經(jīng)部分人員試用后，效果明顯，反應(yīng)良好。可大大增加操作者學(xué)習(xí)SPM的興趣，并能起到事半功倍的效果，提高課堂教學(xué)效果。不足的是AFM和SNOM的數(shù)學(xué)模型還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 岳睿，潘祖軍等。不銹鋼的腐蝕分析[J].金屬世界，2006.3：28－29