扫描探针显微术入门（5）

本文主要内容来源于V. L. Mironov 的“Fundamentals of scanning probe microscopy”。根据个人对SPM的理解略有改编。

STM 控制系统

STM 控制系统的功能框图如图 10 所示。STM控制系统通常包括数字部分和模拟部分，数字部分包括DAC 和ADC 功能，可以直接采用PC机扩展AD 和 DA 采集卡的方式。模拟部分通常实现为单独的模块，主要功能就是完成反馈控制。探针样品偏置电压的大小由操作者决定，通过PC机的DA 输出来提供。隧道电流的设定值也是由操作者来设定，通过DA输出给反馈控制系统。两路DA 输出（DAC-X 和DAC-Y）提供扫描器做光栅扫描的驱动信号。反馈控制系统包括隧道电流的前置放大器(位于STM扫描头中)，差分放大器，低通滤波器，放大器A4和A5，压电陶瓷驱动器。

图 10 STM控制系统的功能框图

操作者首先选择合适的工作参数（隧道电流值和偏置电压），然后驱动马达进行探针样品的粗逼近。在这个阶段没有隧道电流，扫描器在z方向伸长到最大。当探针样品接近到可以产生可测量的隧道电流时，反馈控制系统控制扫描器z方向收缩。当扫描器z方向的长度处于中间位置时马达停止。STM开始扫描图像时，DAC-X和DAC-Y输出锯齿波，通过高压放大器A1和A2 驱动扫描器在XY平面做光栅扫描。扫描过程中反馈系统维持隧道电流恒定。扫描器Z方向的驱动电压反映了样品表面形貌的起伏变化，这个电压被PC 采集记录，用来形成STM扫描图像。

为了获得局域功函数分布，信号发生器G产生一个正弦信号经过A5放大后给到扫描器z方向。利用锁相放大器来获得隧道电流的振幅，这个振幅被PC机记录形成局域功函数的分布图。

隧道电流I-V曲线测量的操作如下。首先利用电子开关K短时间断开反馈控制系统，扫描器z方向的电压由于电容C的作用仍然维持恒定，因此探针悬停在样品表面恒定高度。利用DAC-U产生一个锯齿波U(t)施加在隧道结上，同时记录隧道电流前置放大器PU 的输出电压。完成I-V曲线测量后关闭电子开关K，反馈系统恢复工作。如果需要，重复进行多次IV曲线测量然后去平均。

STM的设计

为了满足性能要求，STM扫描头的结构必须满足一系列的规范。最重要的一条就是要有极高的对外界噪声的抑制能力。自从STM发明后，STM的设计者就在不断的研究改进其性能的方法，并且发展出了一系列增强其抵御外部干扰的方法。这里只介绍一些简单的方法。

图 11 是一个STM扫描头的设计示意图，利用两个压电陶瓷管实现温度补偿。

图 11 一个STM扫描头的设计实例
1 - 底座; 2 – 管状扫描器; 3 – 温度补偿压电陶瓷管, 同时作为探针样品粗逼近的直线马达; 4 –探针; 5 – 样品;6 - 样品台

底座 (1) 固定了两个同轴的不同直径的压电陶瓷管，内部的压电陶瓷管作为三维扫描器。外部的压电陶瓷管有两个作用，第一用来抵消温度变化的影响，第二作为一个直线电机，驱动探针接近样品。整个STM设计采用轴对称结构以减小探针在样品表面方向上的漂移。