低温扫描隧道显微镜部分电子电路的研制.pdf

西北大学
硕士学位论文
低温扫描隧道显微镜部分电子电路的研制
姓名:樊英民
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:张殿琳
20080612
摘要扫描隧道显微镜由于能够探测导电固体表面附近的局域电子态结构,以及得到原子级分辨率的样品表面形貌,而在凝聚态物理学和材料科学研究中得到了广泛的应用。本论文的主要目的,是设计和搭建一套用于低温扫描隧道显微镜这套电路系统主要包括:哐沟缏返ピ#直鹛峁┫咝匝沟绮浇缁咝匝沟绮浇缁目刂频缏罚隧道电流前置放大单元,用于将隧道电流转换并放大成合适大小的电压信号;蠢】刂频ピ#墒中藕糯砥鱀实现,对来自前放的信号进行处理并控制扫描高压驱动电路主要功能元件是公司的高精度集成高压运放,通过细致地分析设计,使得高压信号输出噪声小于锏蕉匝沟缟韫茉硕控制的精度要求。扫描隧道显微镜的粗调定位器使用一种结构紧凑、控制方便,并可工作于液氦低温环境的压电陶瓷步进电机。扫描隧道显微镜的隧道电流一般约为,对这么小的电流信号进行处理,前置电流放大器的性能好坏至关重要,本文在前放单元的设计中,详细分析影响隧道电流放大电路性能的各种因素,如元件选用、接地、电磁屏蔽等。我们使用加拿大公司的集成缏钒蹇ǎ⒍云涞缏方欣┱梗词迪址蠢〖翱刂啤本文对这几个部分的设计和制作做了详细的分析和介绍,并对制作过程中存在的问题进行讨论。关键词:扫描隧道显微镜,电子电路系统,运算放大器,数字信号处理器的控制电路。压电陶瓷扫描管所需的高压源,前者用于扫描针尖位置的粗调,后者用于细调;驱动电路。
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指导教师签名:蕴錾噬学位论文作者签名:癸爰民蟹囊巨加岁年歹月佗日西北大学学位论文知识产权声明书全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫究所等机构将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》或其它保密论文待解密后适用本声明。谎迥暾荚拢と西北大学学位论文独创性声明本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研相关数据库。学位论文作者签名:6吣辏拢日本人声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
其中七:止竺苟第一章引言研究物质的表面结构是凝聚态物理学和其他相关学科所关心的一个重要课展、应用和局限做一简单的讨论。题。年,绽枋朗笛槭业腉和及其同事成功研制了世界上第一台扫描隧道显微镜简称Ⅲ。扫描隧道显微镜不仅能直接获得样品表面实空间原子级分辨率的结构图像,而且能反映物体表面的三维信息,它为物质的表面结构研究开创了一个崭新的局面堙’,已成为凝聚态物理、化学、生物、材料等实验研究中极其有力的工具。由于诟鞲鲅芯苛煊蛑械闹匾P砸约八〉玫闹匾3删停年,姆⒚髡逩被授予诺贝尔物理学奖。本章将简要介绍墓ぷ髟怼⒐ぷ髂J胶突窘峁梗⒍許的发§在量子力学中,如图所示,能量为牡缱哟┩负穸任猌氖评萸的几率#.扫描隧道显微镜的基本原理就是建立在被真空势垒所隔开的针尖和样品之第一章引言,图评菟泶┦疽馔
∥旷够/\八∥埽海阂唬篈:为单位,衰减常数以为单位,则氖滴#簉.√丽ā圈圆粪其中』三竺是势垒区接近费米能级的样品态衰减常数。如果功函数以弦⋯⋯.主\势幻础5ⅱ怼倬虺薄#ァ2蔶磊荔僦。琲;§ァ旎在样品和针尖之间加上偏压保鱅上日匕看τ贓狿虢胖涞牡间的电子隧穿效应的基础之上。如图所示【:雎匀燃し⑹保鹗糁蟹衙啄芗禘钦加刑纳舷蕖<偕枵爰与样品的功函数相同,样品中的电子可隧穿进入针尖,同样,针尖中的电子也子有一定的几率隧穿进入针尖,出现净的隧道电流。假定①,则所有可能的态能级十分接近费米能级,即忠虎取真空能级作为能量参考点5鎏械牡缱映鱿衷谡爰獗砻鎧处的几率#可隧穿入样品;没有加偏压时,不存在净的隧道电流。.真空能级第一章引言●缓荔圈晃慕鹗粢悔た金属隧道结蟊哐酚胗冶叩恼爰饽P尸
謞肛,廓。针尖和样品之间隧道电流的大小依赖于针尖与样品之间的距离、偏压大小及针尖与样品的表面局域电子态密度口’。在合理的近似下,隧道电流的大小可用下式表示心式中,U爰庥胙分涞钠梗琻是表面局域电子态密度。功函数的典型值①≈饩透隽怂ゼ醭J牡湫椭滴猺≈。例如:,则隧道电流变化倍。从街锌梢钥闯