Устройство сканирующего туннельного микроскопа

Принцип работы микроскопа для исследования структуры поверхности материала или шлифа, основанный на использовании в качестве инструмента измерения туннельного тока, был сформулирован в начале XX века после открытия основных положений квантовой механики.

Однако практические трудности по разработке высокоточных двигателей для перемещения острия зонда, регистрирующих и следящих приборов, задержали появление конструкции туннельного микроскопа вплоть до конца XX столетия.

Блок-схема СТМ, работающего в режиме постоянного туннельного тока, представлена на Рисунке 6.

Рисунок 6. — Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа.

1 — двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 — двигатель для перемещения объекта по оси Z; - напряжения, подаваемые на двигатели 1; - напряжение, подаваемое на двигатель 2; - разность потенциалов между зондом и объектом; - туннельный ток.

Зонд перемещается в плоскости объекта XY и по нормали к ней Z с помощью трёх двигателей 1. Объект подводится к острию зонда с помощью двигателя 2.

От цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подаются напряжения и на -, -двигатели 1, управляющие сканированием зонда в плоскости объекта. Надвигатель 1 подается напряжение обратной связи, и двигатель начинает перемещать зонд по нормали к поверхности объекта до тех пор, пока туннельный ток цепи зонд — образец не будет стабилизирован на заданном уровне. Таким образом, изменение Uz при сканировании поверхности будет количественно отражать характер изменения рельефа поверхности. Для регистрации этих зависимостей используется компьютер, обрабатывающий сигнал из АЦП. Это позволяет быстро менять параметры эксперимента, проводить математическую обработку трёхмерного массива данных, запоминать и выводить данные в различной форме. Сигнал на АЦП поступает из предусилителя, который служит для усиления туннельного тока.

Электронные устройства, используемые в СТМ, традиционны, и вся специфика прибора в основном связана с конструкцией двигателей перемещения зонда и образца. К этим двигателям предъявляются следующие требования:

• 1. Двигатели должны обеспечивать по возможности большие перемещения при высокой жесткости устройства, что необходимо для защиты СТМ от механических вибраций. Поэтому они должны обладать высокими частотами собственных механических колебаний, что желательно также и для обеспечения быстродействия;
• 2. Задаваемые перемещения должны быть воспроизводимы и линейно зависеть от управляющего напряжения;
• 3. Необходимо уменьшать мощность управляющих сигналов (в термо-скомпенсированной конструкции локальные источники тепла приводят к изменению температуры по направлению (появлению градиента температур) и вызывают искажения линейных размеров деталей конструкции микроскопа)

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют двигатели из пьезокерамики, обладающей высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (до 40%).