STM系統結構設計與掃描接口智能化的研究

楊一平，張 平 ，張建明

（1. 重慶大學 生物工程學院，重慶 400030；2. 重慶大學 ICT 研究中心，重慶 400030）

0 引言

納米材料制備和應用研究中所產生的納米技術很可能成為下一世紀前20年的主導技術[1,2]。掃描隧道顯微鏡是檢測納米材料的重要手段，他的出現，使人類第一次能夠實時的觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理化學性質，并為納米級技術奠定了基礎，被國際科學界公認為八十年代世界十大發明成就之一。

STM所具有的獨特優點可歸納為以下五點[3]：

1）具有原子級高分辨率。STM在平等和垂直樣品表面方向的分辨率分別可達到0.1nm和0.01nm，即可分辨出單個原子；

2）時地得到在實空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性表面結構研究。這種實時觀測的性能可用于表面擴散等動態過程的研究；

3）觀察單個原子層的局部表面結構，而不是體相或整個表面的平均性質。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等等。另外，還可以對單個原子，分子進行加工；

4）真空大氣常溫等不同環境下工作，甚至可將樣品浸在水或其他液體中，不需要特別的制樣技術，并且探測過程對樣品無損傷。這些特點特別適用于研究生物樣品和不同實驗條件下對樣品表面的評價；

5）掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息。

1 STM基本工作原理

掃描隧道顯微鏡的基本工作原理如圖1所示。圖中A為具有原子尺度的針尖，B為被分析樣品。STM工作時，在樣品和針尖間加一定電壓，當樣品與針尖的距離小于一定值時，由于量子隧道效應，樣品和針尖間產生隧道電流。

圖1 掃描隧道顯微鏡的工作原理示意圖

式中，I表示隧道電流，d表示樣品與針尖間的距離道條件下，k與有效局部功函數φ有關，可近似表示為：

上式中，mm為電子質量，φ為有效局部功函數，h為普朗克常數。典型條件下，φ近似為4eV，K=10nm-1。由式(1)得，當間隙每增加0.1nm時，隧道隧道電流I可更準確表達為：

上式中，Mμv表示隧道矩陣元，發f(Eμ)為費米函數，V為跨越能壘的電壓，Eμ表示狀

態μ的能量，μ、v表示針尖和樣品表面的所有狀態。Mμv可表示為：

上式中，Ψ為波函數。由此可見，隧道電流I并非表面起伏的簡單函數，他表征樣品和針尖電子波函數的重疊程度。可將隧道電流I與針尖和樣品之間距離d以及平均功函數Φ之間的關系表示為：

其中 為針根據掃描過程中針尖與樣品相對運動的不同，可將STM的工作原理分為恒電流模式圖1(a)和恒高度模式圖1(b)。若控制樣品和針尖間的距離不變，如圖1(a),則當針尖在樣品表面掃描時，由于樣品表面高低起伏,勢必引起隧道電流變化，此時通過一定的電子反饋系統,驅動針尖隨樣品高低變化而做升降運動，以確保針尖與樣品間的距離保持不變,此時針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡如圖1(a)中虛線所示，直接反應了樣品表面態密度的分布,而在一定條件下，樣品的表面態密度與樣品表面的高低起伏程度有關。此即恒電流模式。

若控制針尖在樣品表面某一水平面上掃描，針尖的運動軌跡如圖1(b)所示,則隨著樣品表面高低起伏,隧道電流不斷變化,通過記錄隧道電流的變化,可得到樣品表面的形貌圖,此即恒高度模式。

2 STM系統結構的設計

STM儀器主要由三部分組成，即鏡體部分、數據采集與掃描系統和計算機工作站部分。三部分協調穩定的工作是獲得良好圖像的關鍵[4]。

2.1 鏡體

STM鏡體主要由掃描探針組件、樣品架、步進電機和粗逼進機構等組成，掃描探針組件采用鈦酸鋯酸鉛壓電陶瓷材料（簡稱PZT）做成的單管掃描器，為使探針更換方便，可將探針直接插入壓電陶瓷管中的針管內。

對整個鏡體部分來講，由于工作時針尖與樣品間距一般小于1nm，同時隧道電流的大小與隧道距離成指數關系，因而任何微小的振動，都會對儀器的穩定性產生影響。一般來講由振動所引起的隧道間距變化必須小于0.005nm，STM才能保持良好的工作狀態。在設計上采用彈簧懸吊減震系統，整個鏡體用彈簧懸掛起來，用以隔絕外界的振動和干擾。

2.2 數據采集系統的設計

由于STM是一個納米級的隨動系統，因而其電路設計應與機械設計緊密結合，設計的STM的電路原理如圖2所示，主要由掃描電路，反饋控制回路和步進電機電路等幾部分組成。由計算產生的兩組數字信號經過數模轉換形成兩組相關的階躍波電壓信號，分別作為X和Y方向掃描電壓的源信號。信號的頻率連續可調、轉化后的信號經高壓放大器放大后分別形成壓電陶瓷管在X和Y方向上的掃描驅動電壓Vx和Vy，同時在X和Y掃描電壓上疊加一可調的直流偏置電壓，用來在較大范圍內搜索和確定較為合適的掃描區域，兩者在不超過極限值的范圍內相互獨立可調。在掃描完一幅圖像時，針尖會返回到起始位置，開始對同一區域進行下一次掃描。

圖2 STM電路原理

在恒定電流掃描模式中，隧道距離的設定是通過將隧道電流與預設電流進行比較，然后通過一個正反饋回路來保持針尖掃描時所設定的隧道間隙不變，其主要由前置放大器、誤差放大器、Z高壓放大器等幾部分組成。其中，誤差放大器是整個STM反饋控制系統的核心部分。前置放大器的作用是將nA級的隧道電流轉換成mV級的電壓信號。由于前置放大器的性能對整個儀器性能的影響很大，因而要求他具有高精度、低漂移、低噪音等電路性能。

2.3 計算機控制系統

為使STM方便、有效、精確的工作，計算機控制系統是必不可少的。計算機控制系統的主要任務是協調控制、數據采集、圖像存儲和顯示以及圖像處理等。整個系統的軟件主要由C++語言來編寫，同時考慮到運算速度和顯示速度等的關系，部分程度由匯編語言編寫。因為A/D卡的轉換的位數不僅影響模擬量轉換成數字的精度，還會進一步影響到后面的數據處理。在電路中先對被測信號進行一定的處理，使有用信號基本充滿ADC量程，然后經A/D轉換進入計算機，這樣就有效的利用ADC。從計算機經D/A變換輸出的掃描信號為連續的階梯波，當沿X方向的電壓改變一個階梯，PZT帶動針尖在X方向移動一步，計算機便采集到一個數據，當X方向移256步并復位后，Y掃描信號改變一個階梯開始下一行掃描，當Y方向掃完256步并復位后，掃描電路便完成了一個周期的操作。同時也得到了一幅圖像的256×256個數據點。在掃描過程中，采集軟件把采集到的數據用灰度和掃描線的方式在顯示器上實時的顯示出來。

2.4 STM掃描電路智能化的設計

圖3 倒T型電阻網絡D/A轉換器

對掃描電路進行智能化研究，是對STM儀器整體智能化中較重要的一環。因此，首先對掃描電路有一個簡單的了解。掃描電壓是由計算機編程控制，通過D/A轉換來輸出至X和Y掃描電壓放大器，由放大器輸出的信號即為加壓電陶瓷上的掃描電壓信號。從計算機經D/A變換輸出的掃描信號為連續的階梯波，當沿X方向的電壓改變一個階梯，PZT帶動針尖在X方向移動一步，計算機便采集到一個數據，當X方向移動256步并復位后，Y掃描信號改變一個階梯開始下一行掃描，當Y方向掃完256步并復位后，掃描電路便完成了一個周期的操作。同時也得到了一幅圖像的256×256個數據點。

為避免這一誤差并進一步提高轉換速度，可采用圖3的倒T型DAC。

這個電路突出特點是速度比較快，而且動態過程中V0的尖峰脈沖很小。這是因為各支路的電流都直接接到了運放的輸入端，因此他們之間不存在傳輸時間差，從而有效地減小了動態誤差，提高了轉換速度。

在STM掃描電壓的智能化設計中，使用了兩塊D/A轉換卡。首先，給第一塊十位D/A轉換卡輸入一個參考電壓源，利用計算機控制系統（CPU）中的編程控制，將數字信號轉換為5000mV的標準輸出電壓。接著該電壓信號輸入第二塊十位D/A轉換卡的參考電源處，利用D/A轉換卡的電阻譯碼網絡，通過編程控制，就可在5000mV的電壓內任意選擇電壓的大小，即在電壓范圍（0～5000mV）以內，均可精確的輸出所需要的電壓給X（Y）掃描電路，改變探針在掃描范圍內的X或Y方向的掃描區域，獲得不同掃描范圍內的掃描圖像，有利于更好分析各種材料表面形貌和結構的真實信息。

3 采集軟件設計

采集軟件主要由九部分組成，各個部分并不是相互獨立的，必需相互之間嚴密的配合才能使STM掃描出精美的圖像。圖4是軟件工作的關系框圖，從中可看出軟件各部分是怎樣配合工作的。

圖4 運行軟件的流程圖

在采集軟件設計中，控制掃描階梯波信號部分應是程序的核心部分，因為如果沒有他給掃描遂道顯微鏡的壓電陶瓷送給恒穩的掃描電壓，壓電陶瓷上頭的探針的動作將是混亂的，掃描遂道顯微鏡會無法正常的工作，外設時鐘是為控制掃描階梯波信號服務的，能使他發出有嚴格周期率的鋸齒波。

隨著探針的移動，樣品表面形貌的高度會通過相應的遂道電流轉換傳到模數轉換器（ADC）接口，計算機程序將信號讀到計算機內存，進行進一步的處理。

4 結論

掃描遂道顯微鏡是通過計算機來控制他的掃描范圍的，利用DAC里的倒T網阻來完成掃描范圍的控制，采集程序只負責把相應的控制字送給相應的DA通道，硬件會自動完成設定。通過硬件電路和軟件設計，獲取了不同材質的數據，經過軟件處理最終得到的各種材質的STM表面三維形貌圖。

[1] 劉安偉,吉貴軍.掃描隧道顯微鏡電壓脈沖法加工產生納米結構的研究[J].自然科學進展,1999,4:320-324.

[2] 吳世法,姚駿恩.光子掃描隧道顯微鏡的進展[J].光學學報,1998,2:191-198.

[3] 白春禮.掃描隧道顯微鏡技術及其應用[M].上海科技出版社,1992.

[4] 方鴻生,王家軍,等,材料科學中的掃描隧道顯微鏡[M].科技出版社,1993.

[5] 姜卜香,等.電路與系統理論[M].高等教育出版社,1987.

[6] 何斌,馬天予,等.Visual C++數字圖像處理[M].人民郵電出版社.

[7] 周長發.圖像處理編程[M].電子工業出版社,2002.