制備掃描隧道顯微鏡針尖的電路設計

郭寶會

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

制備掃描隧道顯微鏡針尖的電路設計

郭寶會

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

為了獲得質量較好，經濟實惠的掃描隧道顯微鏡針尖，設計了利用電化學腐蝕法制備針尖的控制電路.該電路包括直流腐蝕控制電路和交流腐蝕控制電路，以及利用比較器實現直流控制電路向交流電路跳轉的控制電路.經過計算機仿真實驗表明隨著腐蝕進行，預設實際電壓大于預設參考電壓時，可以實現比較器反轉和交流腐蝕，達到預設的功能，說明該控制電路可以制備理想的掃描隧道顯微鏡所用的鎢針尖.

針尖;電化學腐蝕法;直流腐蝕;交流腐蝕;掃描隧道顯微鏡

0 引言

掃描隧道顯微鏡在當今科學研究中起著重要作用［1－2］.掃描隧道顯微鏡中起關鍵作用的為掃描隧道顯微鏡的針尖，它在很大程度上決定著掃描隧道顯微鏡的性能，因此，針尖制備是非常關鍵的工藝［3－5］.

常見的掃描隧道顯微鏡針尖材料有Pt-Ir合金和鎢絲，其中前者采用剪刀斜剪切的方法獲得針尖，雖然制備方法簡單，但是所用材料的價格昂貴.而后者采用化學腐蝕鎢絲的方法制備所需針尖，制備方法雖然麻煩，但所用材料的價格相對便宜.化學腐蝕鎢絲的方法有直流電化學腐蝕法和交流電化學腐蝕法.直流腐蝕法的優點是所獲得的針尖質量較好，缺點是腐蝕速度慢;交流腐蝕的優點是腐蝕速度快，缺點是制作出的針尖不理想，原因是電化學反應劇烈，導致了腐蝕過程的不穩定［6－8］.

針對直、交流腐蝕的優缺點，可以設想如果在電解開始階段用較大電流，以加快腐蝕速度，這時采用直流法;在最后階段減小電流，使殘端得到修飾，這時采用交流法.利用產生的氣泡對針尖上端的保護，加快下部殘端的腐蝕.就可以既保障針尖能達到理想參數，又節省時間.

基于以上設想，本文設計了一種電化學腐蝕方法制作鎢針尖的直流和交流控制電路，并對其進行了計算機仿真.對該控制電路有以下要求:(1)能在針尖形成的瞬間斷電;(2)能夠對針尖形狀進行不斷的修飾［9－10］.

1 實驗原理

1.1 腐蝕原理

電化學腐蝕方法制作鎢針尖腐蝕裝置如圖1所示.在電解池中裝入KOH溶液，電解池中央是制作針尖的鎢絲，它同時作為陽極.陰極是圍繞鎢絲的不銹鋼圓環，陽極和陰極通過引線串接在電流源的正負兩個輸出端之間.由于表面張力的作用，溶液沿鎢絲表面有一定程度的凸起.電化學反應開始后，鎢被氧化成為離子，且向下擴散，在一定程度上包裹住鎢絲的下半部分，使其與KOH溶液隔離，所以腐蝕基本限制在液面附近的鎢絲表面，如圖2所示.隨著腐蝕的進行，針尖與溶液的接觸面積逐漸減小，引線間電阻變大.當鎢絲被腐蝕斷開之前的瞬間，由于重力作用，鎢絲的下半段下落，同時由于形變，在尖端部分形成只有少量原子的針尖.此時，引線間電阻由幾百歐姆激增為幾十千歐，電路電壓隨之減小，為防止針尖被繼續腐蝕，控制系統應對電壓減小信號做出響應，切斷腐蝕電源，啟動脫離裝置，快速從溶液中提取針尖，實現針尖與溶液的快速脫離［3］.

圖1 針尖的電化學腐蝕裝置

圖2 針尖的電化學腐蝕機理

1.2 控制電路的設計

基于實驗原理的要求，控制電路所需實現的功能依次為:(1)進行直流腐蝕;(2)進行交流腐蝕;(3)針尖與溶液脫離完成腐蝕.設計出的電路圖如圖3所示.根據圖3，將針尖的實現過程描述如下:

(1)啟動:當接通電路后，由C1和R2組成的啟動電路起作用，輸入A2的電壓值在瞬時達到高電位，經過A2、A3比例放大后，LM311的輸入端電位必定高于參考電壓，保證LM311低電位輸出，則電磁繼電器不起作用，并且場效應管導通，電路進入直流腐蝕狀態.隨后C1和R2很快不起作用，若無此啟動過程，則電路在開通之后，有可能LM311的輸入端電位低于參考電壓，使電磁繼電器起作用，直接跳過直流腐蝕階段，與實驗設計不符.

(2)直流腐蝕:隨著直流腐蝕進行，鎢絲逐漸變細，電阻增大導致電路電流減小，LM311的輸入端電位也逐漸減小，當輸入電位減小到低于參考電壓時，LM311改為高電位輸出，則電磁繼電器起作用，斷開直流腐蝕同時啟動交流腐蝕電路進入交流腐蝕狀態.

(3)交流腐蝕:隨著交流腐蝕進行，鎢絲繼續變細，逐漸達到實驗設計的理想針尖的形狀，當LM311的輸入端電壓值小于參考電壓時，LM311低電位輸出，經A5穩定信號，使電磁繼電器起作用，斷開了交流接觸器的開關，交流接觸器由于斷電而釋放，則燒杯做自由落體運動，實現了電路的迅速斷電和針尖與溶液的迅速脫離，至此，針尖腐蝕過程結束.

圖3 利用電化學腐蝕法制作針尖的控制電路

2 仿真實驗

衡量控制電路優劣的重要標準是能在針尖形成的瞬間斷電，圖4為仿真實驗所使用的直流腐蝕與交流腐蝕結束、針尖脫離溶液的電路圖.由仿真軟件經過示波器測試，并由仿真電路實驗測得直流腐蝕電路中的參考電壓為0.8V，比較理想.所以在進行實際電路測量時，將直流腐蝕電路中LM311的參考電壓輸入端調為0.8V，經實際電路檢驗可以實現比較器反轉，即當電路電壓為0.8V時切斷直流腐蝕，開始交流腐蝕，交流腐蝕不通過穩壓電路，直接接交流電源，腐蝕速度快，所以，比較器的參考電壓設置就非常重要.

圖4 仿真實驗圖

另外，腐蝕電壓、電流、電解液的濃度都對針尖的曲率半徑、縱橫比和幾何形狀有影響，而且不同的電路參數對參考電壓的設置也有影響，所以，比較適宜的電路參數對實驗來說就顯得非常重要，在實驗中發現直流電流一般控制在50mA左右，電壓在50V以下，電解液選用1—5mol/L的KOH溶液，腐蝕過程中針尖與液面接觸處最易腐蝕變細，到達一定程度后，在液面下面殘端的重力作用下，發生斷裂，形成最后的針尖.這種斷裂面往往參差不齊，比較粗糙，有亞針尖的存在，為盡力避免這種現象，鎢絲插入溶液的部分不宜過長，以1—3mm為宜.

為了在實驗中將腐蝕電壓、電流控制在理想范圍，我們將限流電阻R13、R13'設置為高功率電阻，以防止燒毀.設置電阻R5、R5'至合適的數值，以調節腐蝕電壓.這樣就能控制電壓電流值到理想范圍.

3 結語

本文設計的制備掃描隧道顯微鏡針尖的控制電路，經過仿真實驗能夠達到直流腐蝕到交流腐蝕的轉化，且交流腐蝕電路可以實現快速切斷.

［1］白春禮.掃描隧道顯微術及其應用［M］.上海:上海科學技術出版社，1992.

［2］周世勛.量子力學教程［M］.北京:高等教育出版社，1979.

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［6］田陽，王晶云，彭練矛.組裝碳納米管掃描隧道顯微鏡針尖［J］.北京大學學報(自然科學版)，2004，40(3):351－354.

［7］傅惠南，王宏霞，王曉紅，等.SPM探針制造技術的研究和發展［J］.電子顯微學報，2005，24(6):622－628.

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［10］牛建龍，吳雪，李楓，等.SPM 鎢針尖的制備［J］.物理實驗，2010，31(4):1－3.

Electronic Circuit Design of Fabricating Tip in the Scanning Tunueling Microscope

GUO Bao-hui
(School of Physics and Electronic Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714000，China)

In order to get the good quality and economical tip of scanning tunueling microscope，an electronic circuit design of fabricating tip with the electrochemistry corrosion is investigated.These electric circuits conclude the direct current electronic circuit，alternating current electronic circuit and the electric circuits which skip from the direct current to alternating current by the comparator.The emulator experiments show that the comparator is inverted when the voltage is higher than preinstall voltage and the alternating current corrosion is realized.The circuit meets the targets and the need expected.

tip;the electrochemistry corrosion;direct current corrosion;alternating current corrosion;scanning tunueling microscope

TM741

A

1009—5128(2012)06—0029—04

2012—03—19

陜西省教育廳科研計劃項目(08JK282);渭南師范學院科研計劃項目(12YKZ054)

郭寶會(1978—)，男，陜西寶雞人，渭南師范學院物理與電氣工程學院講師，西北工業大學在讀博士.研究方向:近代物理實驗.

【責任編輯 牛懷崗】