Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп

Реферат

 

Изобретение относится к туннельной микроскопии и может быть использовано для исследований быстропротекающих динамических процессов на поверхностях изучаемых объектов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей сканирующего туннельного микроскопа за счет расширения диапазона временных характеристик исследуемых процессов. Микроскоп содержит по крайней мере два игольчатых эмиттера с соответствующими пьезоприводами сканирования, позиционер образца, аналоговые системы управления в цепи каждого из игольчатых эмиттеров, включающие усилители туннельного тока, системы обратной связи, выходы которых соединены с входами блоков задания режимов туннелирования и блока сравнения, выходы которого соединены с усилителями управляющих сигналов пьезоприводов сканирования. Блок сравнения через систему согласования связан с вычислительным устройством. 3 ил.

Изобретение относится к туннельной микроскопии и может быть использовано для исследований быстропротекающих динамических процессов на поверхностях изучаемых объектов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) за счет расширения диапазона временных характеристик исследуемых процессов. На фиг. 1 показана схема СТМ с двумя игольчатыми эмиттерами; на фиг. 2 - схема исследований динамических процессов; на фиг. 3 структурная схема блока сравнения. СТМ содержит первый и второй дополнительный игольчатые эмиттеры 1 и 2 с соответствующими пьезоприводами 3 и 4 сканирования, исполнительные элементы 5 позиционера образца с блоком 6 управления, аналоговые системы управления в цепи каждого из игольчатых эмиттеров, включающие усилители 7 и 8 туннельного тока, системы 9 и 10 обратной связи, выходы которых соединены с входами блоков 11 и 12 задания режимов туннелирования и блока 13 сравнения, выходы которого соединены с высоковольтными усилителями 14 и 15 управляющих сигналов пьезоприводов сканирования. Блок сравнения через систему 16 согласования связан с вычислительным устройством 17 и включает (фиг.3) первый и второй компараторы 18 и 19, цифроаналоговый преобразователь 20, время-амплитудный преобразователь 21 и амплитудно-цифровой преобразователь 22. СТМ работает следующим образом. С помощью пьезоприводов игольчатые эмиттеры устанавливают в исходное положение. На обоих туннельных переходах блоками 11 и 12 задаются необходимые напряжения. Туннельный ток поступает на отдельные усилители 7 и 8 туннельного тока, выходные напряжения которых сравниваются в системах 9 и 10 обратной связи с заданным опорным напряжением. При этом вырабатываются независимые сигналы рассогласования для каждого из игольчатых эмиттеров, которые подаются на элементы регулирования туннельного зазора, которые, в свою очередь, перемещая игольчатые эмиттеры, устраняют отклонения выходных напряжений усилителей туннельного тока от опорного напряжения. В результате траектория перемещения игольчатых эмиттеров повторяет профиль исследуемой поверхности. На блок 13 сравнения поступают сигналы, характеризующие режимы обоих туннельных переходов. В этом блоке кроме сравнения уровня сигналов осуществляется привязка сигналов по времени и выдача результатов сравнения в аналоговом и цифровом виде, которые могут использоваться как управляющие. При этом снимается ограничение по быстродействию, которое характерно для аналоговой системы управления и вычислительного устройства. Принцип работы блока сравнения может быть пояснен следующим примером. Пусть на исследуемой поверхности возникает некоторое динамическое возмущение, например поверхностная акустическая волна (ПАВ) (фиг.1). Тогда, зная расстояние L между игольчатыми эмиттерами 1 и 2 и сравнивая сигналы h₁(t) и h₂(t), пропорциональные туннельным зазорам, в соответствующие моменты времени, можно определить длину волны ПАВ на данной поверхности. С другой стороны, зная значение l, можно получить значение расстояния L. С вычислительного устройства на вход цифроаналогового преобразователя 20 (фиг. 3) поступает цифровой код, задающий уровни сравнения в компараторах 18 и 19. На внешние входы этих компараторов поступают сигналы соответственно с первого и второго игольчатых эмиттеров. В момент t₁, когда уровень сравнения на компараторе 18 становится равным сигналу с игольчатого эмиттера 1, с этого компаратора поступает импульс запуска на время-амплитудный преобразователь 21. Аналогичный сигнал поступает с компаратора 19, но через промежуток времени Dt = t₂-t₁, который определяет время распространения поверхностного возмущения от первого до второго игольчатого эмиттера. Время-амплитудный преобразователь вырабатывает сигнал А, амплитуда которого пропорциональна и который можно использовать непосредственно для управления СТМ или, преобразовав его в цифровой код в амплитудно-цифровом преобразователе 22, использовать в вычислительном устройстве. Время-амплитудный преобразователь 21 может быть реализован, например, в приборном варианте типа измерителя разности фаз ФК2-26 или ФК2-33. Структурная схема блока сравнения может видоизменяться в зависимости от исследуемого процесса, а также от числа исследуемых игольчатых эмиттеров. В последнем случае очевидно, что функциональные возможности СТМ еще более возрастают с точки зрения определения различных параметров быстропротекающих процессов, в частности динамики распространения ПАВ, локализации градиента теплового дрейфа, направления распространения поверхностных химических реакций и др. При этом введение блока сравнения позволяет расширить временные характеристики этих процессов до частот 10¹²Гц. Для исследования динамических процессов во многих случаях необходимым является требование возможно минимального расстояния между игольчатыми эмиттерами. При установке эмиттеров перпендикулярно к поверхности это расстояние ограничено диаметрами их стержней. Однако возможна установка эмиттеров под различными углами друг к другу и к поверхности. Например, при углах 45^o между осями эмиттеров и поверхностью обеспечиваются минимальные расстояния между их остриями и одновременно появляется возможность проводить взаимный контроль качества поверхности самих эмиттеров.

Формула изобретения

Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий игольчатый эмиттер с пьезоприводом сканирования, позиционер образца и аналоговую систему управления, включающую усилитель туннельного тока, выход которого соединен с входом системы обратной связи, и усилители управляющих сигналов пьезопривода сканирования, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет расширения диапазона временных характеристик при исследовании динамических процессов, он снабжен по крайней мере одним дополнительным игольчатым эмиттером с пьезоприводом сканирования, а также дополнительной аналоговой системой управления и блоком сравнения, входы которого соединены с выходами системы обратной связи, а выходы с входами усилителей управляющих сигналов пьезоприводов сканирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002