使用STM实现原子级超微定位的新方法
时间：2010-12-20
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1 概述
扫描隧道显微镜（STM）的出现[1]，不仅使人们能够得到原子量级的微几何形貌，还可以与其他技术相结合，操纵控制分子和原子，以至于加工出原子级尺度的微型机构．无论是超微加工还是超微测量都离不开超微定位，而一般的STM被重点用于描绘被测量的表面，其本身存在许多误差因素，如扫描器PZT的误差、探针（或样品）的热漂移等．这些误差的存在严重地影响了测量和定位的精度[2]．
本文设计了一种使用扫描隧道显微镜，采用针尖寻踪锁定到原子的技术，并以高定向石墨（HOPG）规则的晶格作定位刻度基准，实现原子级超微定位的新方法．
2 针尖寻踪锁定到原子的原理
在STM扫描中，通常将三角形扫描电压加在横向运动的压电陶瓷驱动器上[3]．为达到针尖寻踪锁定到原子的目的，该电压被取代为：①使针尖在X、Y向上振荡的微小振幅的正弦波信号，其频率分别为ωx、ωy，振幅为δX、δY；②由针尖调制信号产生的隧道电流的响应信号Ux(t)、Uy(t)，后者产生的横向位移为R(t)．设ωx=ωy≡ω，δX≡δY≡δR，两方向的信号相位差90°，那么针尖将以一定的速度│зR/зt│执行圆周运动，如图1(a)所示．ω和δR应满足ωδR>>│зR/зt│，ω应大于STM反馈环的截止频率但要小于第一弹性共振频率，δ应比所观察的表面结构小．如果圆周运动平面在R(t)与样品平面不完全平行，将导致隧道宽度Z在其平均值上下变化，也就是位移矢量ns有横向分量ns,lateral≡Xnx+Yny，如图1(b)所示．
Z-=-nsδR=-δRsinΦscos(ωt-Ψs)
＝－δZeiωt (1)
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（a）针尖作圆周运动的轨迹（b）位移矢量图
图1 针尖圆周运动轨迹和位移矢量
这里Φs=arcsin(n2SX+n2SY)和Ψs=arctg(nsx/nsy)分别为斜面和坡度最大的方向，δZ=δ
Rsinφse-iΨs通常遂道电流可以表示为[4]：
[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792650.gif[/img](2)
由式（2）可得：
（3）[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792710.gif[/img]
式中：Ut－遂道偏压；
Rt－遂道电阻；
Φ－功函数；
A－常数；
<＿>－平均值．
在微振幅δR很小（<70pm）的情况下非常小，如忽略该项，带来的误差将小于0.1nm．因此有：[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792725.gif[/img]
（4）[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792755.gif[/img]
由（4）式可知隧道电流的变化包含了使针尖沿坡度最大方向运动的所有信息．在实际控制电路中，隧道电流被送入两个锁相放大器，其输出信号U1x、U1y分别与nsx、nsy成正比，对信号进行积分可获得驱动电压：
[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792815.gif[/img](5)
式中：C是与锁相放大器有关的参数，并且决定寻踪速度．为使针尖寻踪锁定到原子上，针尖必须沿坡度最大的方向即ψs[R(t)]方向移动.使∝n[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792824.gif[/img]s,lateral[R(t)]可满足这一条件，即：
[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882792921.gif[/img](6)
3 超微定位的实现
根据上述原理构造的控制电路如图2所示．Z向电路为常用的比例积分控制电路．XY控制电路包括正弦波发生器、用于控制振荡方向的数字乘法器、模拟乘法器、模拟滤波器、运算放大器和用于执行比例积分控制的计算机．为使STM扫描台成为超微定位工作台，我们在STM进入隧道状态后让针尖保持不动，在XY扫描台横向上分别加入高频（3.3kHz）、微振幅（70pm）、相位差为90°的两路正弦波信号，并经控制电路反馈控制XY扫描台进行寻踪定位，实现针尖到原子的寻踪定位．为简化起见，我们仅讨论针尖到单个原子上一维寻踪定位的方法和模拟结果，其结果可推广到二维．
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图2 针尖锁定到原子的控制电路框图（二维）
图3为控制电路的模拟结果．正弦波被加入到扫描器的X向上，X=0定义为原子的位置（图3a）．设fd为正弦波频率，正弦波(即),信号（图3b）与高通滤波器输出的对数隧道电流（图3c）相乘，高通滤波器的截止频率为f[img]http://c-cnc/news/file/2008-8/200882793011.gif[/img]d，斜率是6db/oct；相乘后的信号（图3d）通过低通滤波器，低通滤波器的截止频率为fd/10，斜率是6db/oct．对于针尖到原子的负偏移，低通滤波器的输出（图3e）为正；正偏移时，输出为负；无偏移时，输出为零．将低通滤波器的输出信号经计算机进行比例、积分处理后反馈给X向扫描器调整针尖与原子间的相对位置，使低通滤波器的输出为零便可实现针尖到原子的位置锁定功能，定位误差小于晶格空间的10%．
[img]http://news.mechnet/upload/0903262157105755.bmp[/img]
图3 X向一维反馈控制电路的模拟输出结果
利用针尖到原子的位置锁定技术可以得到原子级的定位精度，但这样的定位精度只有与原子级的定位坐标联系起来才能实现原子级超微定位．自然界中规则的晶格空间极有可能作为稳定的参考坐标刻度[5]，高定向石墨（HOPG）的晶格原子排列整齐，晶格空间长度约为0.25nm，因此我们以HOPG的晶格空间为定位坐标刻度．也就是说超微定位工作台应具备两种主
要功能：①以晶格原子阵列为坐标点扫描的功能；②将针尖定位到晶格的单个原子上的位置锁定功能．前者使样品台（XY扫描台）从坐标原点移动到目标点，而这些坐标点是以晶格点定义的；后者用来使工作台保持在目标点，减少由于压电陶瓷的非线性、迟滞、蠕变，温度漂移等带来的定位偏差．我们将X向扫描电压以10s的间隔、开环阶跃的方式增加，选择阶跃电压值以使阶跃位移大致等于晶格空间长度．每次阶跃位移后，通过反馈控制调整针尖定位到相近的原子．图4显示了针尖到晶格原子的伺服寻踪过程．图中横轴为扫描时间，纵轴为X向扫描电压，阶跃电压值约为250pm．Y向扫描电压保持恒定．从图中可以看到，每次阶跃移动后都留有一个“小尾巴”，即反映了针尖到原子的调整过程．
4 结束语
原子级、亚原子级的超微定位的研究对于研究原子的特性、操纵控制原子具有十分重要的意义，定位还可用于定位针尖在所选定的点以获得该点的I/V或I/Z曲线．并且，寻踪能力可使研究集中于我们感兴趣的特征，如岛的形状、界面的轮廓、表面变形的实时演变和样品相对针尖的漂移等．这一技术还可以移植到其他类型的SPM上．【MechNet】