CN101202125B - 一种用于扫描隧道显微镜的主动式降噪方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于扫描隧道显微镜的主动式降噪方法，该方法具体为：在采谱探针所在的扫描管上同时并列安装一个机械性能相同的探针作为外界噪声采样探针，并将该采样探针设置在反馈闭环状态，工作时利用采样探针保持与样品表面之间距离恒定的同时，使采谱探针一同与样品表面之间保持距离恒定。本发明还同时公开了一种应用上述主动式降噪方法的扫描隧道显微镜。本发明通过设置机械性能相同的采样探针后，利用采样探针的反馈信号对采谱探针进行控制，从而使其与样品表面之间的距离保持恒定，为扫描隧道显微镜在噪声环境下可靠稳定地采集单点隧道谱提供了保证，同时，本发明扫描隧道显微镜具有结构简单，工作可靠稳定的特点。

Description

一种用于扫描隧道显微镜的主动式降噪方法及装置
技术领域
本发明涉及一种应用在扫描隧道显微镜上的主动式降噪方法，及采用这种降噪方法的扫描隧道显微镜。
背景技术
根据采集模式不同，扫描隧道显微镜测量的隧道谱分为：(1)随偏压变化的隧道谱，也就是我们通常所说的单点隧道谱；(2)随位置变化的隧道谱，也即扫描隧道谱。这两种谱的采集内容一样，不同的是说明的问题不一样，其中单点隧道谱给出的是不同能量下的电子态密度，即在样品表面某一点，采集不同偏压下的dI/dV值，以得到dI/dV～V曲线；而扫描隧道谱给出的是同一能量下不同位置的电子态密度；这就要求在采集单点隧道谱时，需要反馈开环，以便保证隧道电流随偏压变化的时候，探针不受反馈的控制，并保持针尖与样品的距离恒定，这样采集到的才是真正的单点隧道谱；而采集扫描隧道谱时，则需要反馈闭环，并保持偏压不变。
扫描隧道谱显微镜在测量隧道谱时，针尖通常距离样品表面1nm左右，由于在单点隧道谱测量中，反馈处于开环状态，即反馈此时不作为，因此，一点振动或者热漂移就会使得针尖远离或者撞击到样品表面，这样就无法得到可靠稳定的隧道谱。通常的解决方法包括外部的地面隔离、声学隔离屋，空气腿，以及内部的弹簧减振装置、紧凑的扫描装置设计，等等。然而这些结构同时增大了设计的难度，而且降低了探针的运动范围。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种主动式降噪方法，利用该方法，可在保持反馈开环的状态下，使扫描隧道显微镜的探针与样品距离保持恒定，特别是在规律的噪声环境下，能够正常稳定工作。本发明还进一步提供一种应用了上述方法的扫描隧道显微镜。
为达到上述目的，本发明一种用于扫描隧道显微镜的主动式降噪方法，该方法具体为：在采谱探针所在的扫描管上同时并列安装一个机械性能相同的探针作为外界噪声采样探针，并将该采样探针设置在反馈闭环状态，工作时，使采样探针与采谱探针同时工作在隧流状态，在采样探针保持与样品表面之间距离恒定的同时，使采谱探针一同与样品表面之间保持距离恒定。
进一步，工作时，所述采样探针的反馈信号调制到所述扫描管的Z轴方向驱动信号中，通过扫描管Z轴方向的伸缩，实现与样品表面之间距离的恒定，并同时带动与扫描管锁定的采谱探针保持与样品表面之间距离的恒定。
进一步，所述采谱探针与采样探针在Z轴方向均可独立驱动，采样探针通过其自身Z轴方向的伸缩，实现与样品表面之间距离的恒定，同时采样探针的反馈信号被提取并调制到采谱探针的Z轴方向驱动信号中，使采谱探针一同保持与样品表面之间距离的恒定。
一种应用上述主动式降噪方法的扫描隧道显微镜，该显微镜包括扫描管，扫描管上并列设置有一采谱探针和一外界噪声采样探针，两探针的机械性能相同，其中，采谱探针处于反馈开环状态，采样探针处于反馈闭环状态；扫描管固定两探针一端被沿Z轴方向对称截劈成两部分，两探针分别固定在所述两部分的内壁上。
进一步，所述采谱探针和采样探针均通过磁铁被吸附固定在所述扫描管内壁设置的轨道上，所述轨道均沿扫描管Z轴方向设置。
本发明通过设置与采谱探针机械性能相同的噪声采样探针后，由于这两个探针感受到的是近似相同的外界噪声，因此不论是依靠采样探针自身的隧流恒定模式，还是利用采样探针的反馈信号来控制采谱探针，均可使采谱探针与样品表面之间的距离保持恒定，从而为扫描隧道显微镜在噪声环境下可靠稳定地采集单点隧道谱提供了保证，同时，本发明扫描隧道显微镜具有结构简单，工作可靠稳定的特点。
附图说明
图1为应用本发明方法的扫描隧道显微镜扫描管结构示意图；
图2为Si(111)-(7×7)的隧道谱在主动式反馈和反馈开环下的比较图；
图3加到扫描管上的粗进针驱动电压波形图。
具体实施方式
图1所示为应用本发明方法的扫描隧道显微镜扫描管的结构示意图，其中(a)为扫描管立体图，(b)为扫描管的端面视图。该扫描管里设置了两个相同的探针，这两个探针共同占用一个扫描结构，即XY扫描单元座，这样的结构使得两个探针尽可能的感受到相同的外界噪声。扫描管安装探针一端，通过两个Z轴方向的缺口被截劈成两部分Z1、Z2，两个探针分别被磁铁吸附固定在所述两部分扫描管Z1、Z2的内壁上，两个探针沿扫描管Z轴方向的移动、驱动均由各自所在的扫描管部分Z1、Z2来完成。扫描管内侧粘有提供探针沿扫描管Z轴方向移动的轨道，两个探针均通过由0.2毫米直径的细金丝做成的弹性很小的弹簧与各自的引出电极相连。
两个探针沿X轴方向和Y轴方向的移动由扫描单元座一同驱动完成；在Z轴方向上，则可以控制Z0、Z1、Z2，其中Z0、Z1、Z2分别对应扫描管整体、采谱探针所在的扫描管部分和采样探针所在的扫描管部分，探针沿Z轴方向的移动是靠加在Z1或Z2和Z0上的驱动电压信号和他们之间的配合来实现的。
工作时，首先通过控制Z0、Z1、Z2使两个探针均进入隧流工作状态，然后利用处于隧流恒定工作状态的采样探针来使采谱探针与样品表面之间的距离保持恒定。
将两个探针调节到隧流状态，可按如下方式进行：
如图3所示，在一个周期的前部分是缓慢变化的波形，在驱动电压作用下，扫描管连同探针缓慢向前伸或后缩，然后在后边部分是迅速变化的波形，即在很短的时间内，由于驱动电压突然加大或减小，扫描管随之突然后缩或前伸，由于惯性的原因，这时候探针不随扫描管一同移动而保持不动，只有扫描管发生位移，这样在一个周期结束后，探针就相对扫描管向前或向后移动了一段距离，即走了一步。在粗进针时，为了避免针尖撞到样品表面，先将Z0往前伸大于单步粗进针的距离，如果这时候没有检测到隧流，接着就将Z0回缩大于单步的距离，这时候往前单步走一步，就完成了一次自动进针。当探针还需要再走一步就可以接触到样片表面的时候，此时Z0的伸长就可以检测到隧流，这时候就完成了进针，保证针尖不会撞到样品表面上。
经过粗进针后，再将两个探针调节到隧流状态。调节时可以采取两种方法，一种是牺牲一个提取噪声的探针而保全另一个采谱探针，即先将提取噪声的探针进到隧流状态，然后再进采谱的探针，这时虽然前者会撞到样品表面，但并没有影响到它提取噪声的功能。另一种方法是先将提取噪声的探针进到隧流状态后，再安全地向后退一定的距离，然后再进采谱的探针，在前进到位以后，同样向后退一定的距离。循环往复，可以将后退距离一点点减少，最终可以安全地将两个探针同时进到隧流状态，并不破坏样片表面。与前一种方法相比，后者操作时间略长。
利用处于隧流恒定工作状态的采样探针来使采谱探针与样品表面之间的距离保持恒定可以有两种方式。一是将采样探针的反馈信号调制到Z0的驱动电压信号中，通过控制Z0使采样探针处于隧流恒定状态，同时将采谱探针与Z0锁定，使采谱探针与采样探针一同移动，在采样探针与样品表面之间距离保持恒定的同时，连带采谱探针也与样品表面之间距离保持恒定。第二种方式是，将采样探针的反馈信号调制到其自身的驱动电压信号中，通过其自身即Z2实现隧流恒定工作状态，与此同时，将采样探针的反馈信号调制到采谱探针的驱动电压信号中，以使采谱探针与样品表面之间的距离同样保持恒定。在第二种方式种，因采谱探针与采样探针的机械性能相同，并均处于隧流状态，因此，可实现近似闭环反馈的工作效果。
图2为Si(111)-(7×7)的隧道谱在主动式反馈和反馈开环下的比较图。图中左边的是实验室环境噪声下的单点隧道谱，右边的是在另加10Hz沿Z方向的噪声环境下的单点隧道谱。图中上方的是普通开环反馈下给出的数值dI/dV曲线，信噪比很低，出现大幅度的振荡，特别是对外界噪声很敏感，如10Hz噪声下振荡幅度大大增加。图中下方的是采用本发明主动式降噪方法后的dI/dV曲线，该曲线很平滑。测试结果显示，本发明主动式降噪技术大大提高了隧道谱的信噪比，其效果甚至可以和加了两级内部减振装置的扫描隧道显微镜相匹敌。

Claims (4)

1.一种用于扫描隧道显微镜的主动式降噪方法，该方法具体为：在采谱探针所在的扫描管上同时并列安装一个机械性能相同的探针作为外界噪声采样探针，并将该采样探针设置在反馈闭环状态，工作时，使采样探针与采谱探针同时工作在隧流状态，在处于隧流恒定工作模式中的采样探针保持与样品表面之间距离恒定的同时，使采谱探针与样品表面之间的距离保持恒定；所述采谱探针与采样探针在Z轴方向均可独立驱动，采样探针通过其自身Z轴方向的伸缩，实现与样品表面之间距离的恒定，同时采样探针的反馈信号被提取并调制到采谱探针的Z轴方向驱动信号中，使采谱探针一同保持与样品表面之间距离的恒定。
2.如权利要求1所述用于扫描隧道显微镜的主动式降噪方法，其特征在于，工作时，所述采样探针的反馈信号调制到所述扫描管的Z轴方向驱动信号中，通过扫描管Z轴方向的伸缩，实现与样品表面之间距离的恒定，并同时带动与扫描管锁定的采谱探针保持与样品表面之间距离的恒定。
3.一种权利要求1或2中所述主动式降噪方法的扫描隧道显微镜，该显微镜包括扫描管，其特征在于，所述扫描管上并列设置有一采谱探针和一外界噪声采样探针，两探针的机械性能相同，其中，采谱探针处于反馈开环状态，采样探针处于反馈闭环状态；扫描管固定两探针一端被沿Z轴方向对称截劈成两部分，两探针分别固定在所述两部分的内壁上。
4.如权利要求3所述的一种扫描隧道显微镜，其特征在于，所述采谱探针和采样探针均通过磁铁被吸附固定在所述扫描管内壁设置的轨道上，所述轨道均沿扫描管Z轴方向设置。
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