RU2218629C2 - Scanning tunnel microscope - Google Patents
Scanning tunnel microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2218629C2 RU2218629C2 RU2002102571/09A RU2002102571A RU2218629C2 RU 2218629 C2 RU2218629 C2 RU 2218629C2 RU 2002102571/09 A RU2002102571/09 A RU 2002102571/09A RU 2002102571 A RU2002102571 A RU 2002102571A RU 2218629 C2 RU2218629 C2 RU 2218629C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- output
- input
- adaptive
- digital
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также для изучения физико-технологических свойств твердых тел. The invention relates to the field of scientific instrumentation and can be used to obtain the topography of conductive surfaces, as well as to study the physical and technological properties of solids.
Известен сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения [1], содержащий блок обратной связи для стабилизации туннельного тока, генераторы разверток по осям X, Y и схему сближения образца и иглы. Known scanning tunneling microscope based on a monolithic piezoelectric cross-section [1], containing a feedback unit for stabilizing the tunneling current, generators of sweeps along the X, Y axes and the approximation scheme of the sample and the needle.
Недостатком устройства являются его низкие быстродействие и точность, обусловленные отсутствием средств адаптации к условиям сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов. The disadvantage of this device is its low speed and accuracy, due to the lack of means of adaptation to the scanning conditions and registration of the surface topography of the studied samples.
Известен пьезоманипулятор из осесимметричного стержня с крестообразным сечением [2] для перемещения острия в сканирующем туннельном микроскопе, состоящий из нижней части с постоянной по высоте площадью сечения, и из верхней части, убывающей к незакрепленному концу. Known piezomanipulator of an axisymmetric rod with a cross-shaped cross-section [2] for moving the tip in a scanning tunneling microscope, consisting of the lower part with a constant height sectional area, and from the upper part, decreasing to the loose end.
Недостатком сканирующего туннельного микроскопа на основе этого пьезоманипулятора являются его низкие быстродействие и точность, обусловленные отсутствием у пьезоманипулятора средств для адаптации к условиям сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов. A disadvantage of a scanning tunneling microscope based on this piezomanipulator is its low speed and accuracy, due to the lack of means for the piezomanipulator to adapt to the scanning conditions and register the surface topography of the samples under study.
Известно устройство для исследования топографии проводящей поверхности [3] , содержащее пьезоэлектрическую треногу с управляющими электродными системами для привода острия по осям X, Y, Z, а также блоки измерения туннельного тока, управления туннельным промежутком, регистрации топографии, с управляющим усилителем, усилитель напряжения, коммутатор и блок компенсации. A device for studying the topography of a conductive surface [3] is known, comprising a piezoelectric tripod with control electrode systems for driving the tip along the X, Y, Z axes, as well as tunnel current measurement units, tunnel gap control, topography registration, with a control amplifier, voltage amplifier, switchboard and compensation unit.
Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия электрод имеет максимальную протяженность и обеспечивает режим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности обеспечивают режим точного регулирования с компенсацией паразитных перемещений острия, вызванных пульсацией и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя по оси Z. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации. The electrode system of the piezoelectric element for regulating the tunnel gap along the Z axis is made in the form of three consecutively isolated electrodes isolated from each other. The electrode farthest from the tip has the maximum length and provides a coarse regulation mode, the electrode closest to the tip and the minimum average length provide a fine control mode with compensation for spurious displacements of the tip caused by ripple and perturbations of the output voltage of the high-voltage amplifier along the Z axis. The modes are switched by a switch controlled by from the calculator of the registration unit.
Недостатком устройства являются его низкое быстродействие и высокая чувствительность к внешним вибрациям, определяемые использованием в качестве пьезодвигателя острия - пьезотреноги, имеющей низкие собственные резонансные частоты. Кроме того, низкие быстродействие и точность обуславливаются отсутствием средств адаптации к условиям сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов. The disadvantage of this device is its low speed and high sensitivity to external vibrations, determined by the use of a point as a piezoelectric motor - a piezotripod having low natural resonant frequencies. In addition, low speed and accuracy are caused by the lack of adaptation to the scanning conditions and registration of the surface topography of the studied samples.
Задача изобретения состоит в создании сканирующего туннельного микроскопа, который обеспечивает повышение производительности и надежности измерений при увеличении точности и быстродействия устройства, а также его низкую чувствительность к внешним вибрациям. The objective of the invention is to create a scanning tunneling microscope, which provides increased productivity and reliability of measurements while increasing the accuracy and speed of the device, as well as its low sensitivity to external vibrations.
Задача решается тем, что в сканирующем туннельном микроскопе, содержащем точный пьезопривод измерительного острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блок управления туннельным промежутком, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации, коммутатор, высоковольтный усилитель напряжения по оси Z, введены блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа и блок адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй каналы коммутатора, два цифроаналоговых преобразователя и два высоковольтных усилителя подсоединены к Х,Y-электродам точного пьезопривода с крестообразным сечением, состоящим из верхней части с постоянной по высоте площадью сечения для привода острия по осям X, Y, и из нижней части с площадью сечения, убывающей к незакрепленному концу для привода острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен с выходом блока управления туннельным промежутком и первым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа через третий канал коммутатора, второй электрод минимальной протяженности соединен с выходом блока компенсации через четвертый канал коммутатора, третий электрод максимальной протяженности соединен с входом блока компенсации и выходом высоковольтного усилителя напряжения по оси Z, вход которого через пятый канал коммутатора подключен к третьему выходу блока адаптивного управления пьезоприводами, четвертый выход которого соединен с Z-электродами шагового пьезопривода, а пятый - со вторым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, выход которого подключен к первому входу блока адаптивного управления пьезоприводами, второй вход которого соединен с шиной обмена данными управляющего вычислителя, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам коммутатора, блока управления туннельным промежутком, блока измерения туннельного тока. The problem is solved in that in a scanning tunneling microscope containing an accurate piezoelectric drive of the measuring tip along the X, Y, Z axes, a sample holder with a stepped piezoelectric drive of its proximity to the tip, the tunnel current measuring unit and the tunnel gap control unit, the surface topography registration unit are connected in series with a control computer, a compensation unit, a switch, a high-voltage voltage amplifier along the Z axis, a unit for measuring elevation prediction errors and an adaptive control unit have been introduced drive, the first and second outputs of which through the corresponding first and second channels of the switch, two digital-to-analog converters and two high-voltage amplifiers are connected to the X, Y-electrodes of the accurate piezo drive with a cross-section, consisting of the upper part with a constant-height cross-sectional area for driving the tip along the axes X, Y, and from the lower part with a cross-sectional area decreasing to the loose end for driving the tip along the Z axis, while the control electrode system along the Z axis is made in the form of three sequentially arranged embedded electrodes isolated from each other, the first of which is located closer to the tip, connected to the output of the tunnel gap control unit and the first input of the elevation prediction error measurement unit through the third switch channel, the second minimum electrode is connected to the output of the compensation unit through the fourth switch channel , the third electrode of maximum length is connected to the input of the compensation unit and the output of the high-voltage voltage amplifier along the Z axis, the input of which through the fifth channel the mating device is connected to the third output of the adaptive piezoelectric drive control unit, the fourth output of which is connected to the Z-electrodes of the stepper piezo drive, and the fifth to the second input of the relief height prediction error measurement unit, whose output is connected to the first input of the adaptive piezo drive control unit, the second input of which is connected to the data exchange bus of the control computer, the first, second and third outputs of which are connected respectively to the control inputs of the switch, tunnel gap control unit, bl Single measurement of the tunneling current.
Блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа содержит аналого-цифровой преобразователь, дифференциальный усилитель и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого является первым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, второй вход которого является входом цифроаналогового преобразователя, выход дифференциального усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа. The relief height prediction error measurement unit contains an analog-to-digital converter, a differential amplifier and a digital-to-analog converter, the output of which is connected to the first input of the differential amplifier, the second input of which is the first input of the relief height forecast error measurement unit, the second input of which is the input of the digital-to-analog converter, the differential output the amplifier is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is the output of the forecast error measurement unit and the height of the relief.
Блок адаптивного управления пьезодвигателями содержит цифроаналоговый преобразователь, блок адаптивного сближения образца с острием и сигнальный процессор, первый, второй и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым и пятым выходами блока адаптивного управления пьезоприводами, третий выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к третьему выходу сигнального процессора, четвертый выход которого соединен с входом блока адаптивного сближения образца с острием, выход которого является четвертым выходом блока адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом сигнального процессора. The adaptive piezoelectric motor control unit contains a digital-to-analog converter, the adaptive rapprochement unit of the sample with a tip, and a signal processor, the first, second, and fifth outputs of which are the first, second, and fifth outputs of the adaptive piezoelectric drive control unit, the third output of which is the output of the digital-to-analog converter, the input of which is connected to the third output of the signal processor, the fourth output of which is connected to the input of the adaptive rapprochement unit of the sample with the tip, the output of the cat cerned a fourth output adaptive piezo drive control unit, the first and second inputs of which are respectively the first and second input signal processor.
На фиг.1 изображена структурная схема сканирующего туннельного микроскопа, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы. Figure 1 shows the structural diagram of a scanning tunneling microscope, figure 2 is a timing diagram explaining the principle of its operation.
Сканирующий туннельный микроскоп содержит точный пьезопривод 1 для перемещения измерительного острия 2 по осям X, Y, Z относительно поверхности образца 3 с держателем и шаговым пьезоприводом 4 его сближения с острием, последовательно соединенные блок 5 измерения туннельного тока и блок 6 управления туннельным промежутком, соединенный с блоком 7 регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации 8, коммутатор 9, высоковольтный усилитель 10 напряжения по оси Z, блок 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа, блок 12 адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй каналы коммутатора 9, два цифроаналоговых преобразователя 13, 14 и два высоковольтных усилителя 15, 16 подсоединены к X,Y электродам точного пьезопривода 1 крестообразного сечения, который состоит из верхней части с постоянной по высоте площадью сечения для привода острия 2 по осям X, Y и из нижней части, убывающей к незакрепленному концу для привода острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов 23, 24, 25, из них расположенный ближе к острию электрод 23 соединен с выходом блока 6 управления туннельным промежутком и первым входом блока 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа через третий канал коммутатора 9, электрод 24 минимальной протяженности соединен с выходом блока 8 компенсации через четвертый канал коммутатора, электрод 25 максимальной протяженности соединен с входом блока 8 компенсации и выходом высоковольтного усилителя 10 напряжения по оси Z. The scanning tunneling microscope contains an accurate piezodrive 1 for moving the measuring tip 2 along the X, Y, Z axes relative to the surface of the sample 3 with the holder and a step piezodrive 4 of its rapprochement with the tip, the tunnel current measuring unit 5 and the tunnel
Блок 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа включает аналого-цифровой преобразователь 17, дифференциальный усилитель 18 и цифроаналоговый преобразователь 19, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 18, второй вход которого является первым входом блока 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа, второй вход которого является входом цифроаналогового преобразователя 19, выход дифференциального усилителя 18 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 17, выход которого является выходом блока 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа. The elevation prediction error measurement unit 11 includes an analog-to-digital converter 17, a differential amplifier 18 and a digital-to-analog converter 19, the output of which is connected to the first input of the differential amplifier 18, the second input of which is the first input of the elevation forecast error measurement unit 11, the second input of which is the input of the digital-to-analog converter 19, the output of the differential amplifier 18 is connected to the input of the analog-to-digital converter 17, the output of which is the output of the measurement unit 11 I forecast errors in elevation.
Блок 12 адаптивного управления пьезоприводами включает цифроаналоговый преобразователь 20, блок 21 адаптивного сближения образца 3 с острием 2 и сигнальный процессор 22, первый, второй и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым и пятым выходами блока 12 адаптивного управления пьезоприводами, третий выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя 20, вход которого подключен к третьему выходу сигнального процессора 22, четвертый выход которого соединен с входом блока 21 адаптивного сближения образца 3 с острием 2, выход которого является четвертым выходом блока 12 адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом сигнального процессора 22. Блок 6 управления туннельным промежутком включает логарифмический усилитель для линеаризации входного напряжения, пропорционального величине туннельного тока, схему сравнения в виде линейного усилителя с дифференциальным входом и корректирующие цепи для обеспечения стабилизации туннельного тока. Коммутатор 9 представляет собой многоканальный электронный коммутатор, управляемый вычислителем блока 7 регистрации топографии и реализующий работу сканирующего туннельного микроскопа в двух режимах: грубого и точного регулирования. Блок 7 регистрации топографии включает управляющий вычислитель с регистрирующим устройством и встроенными ЦАП и АЦП. The adaptive piezoelectric drive control unit 12 includes a digital-to-analog converter 20, the adaptive rapprochement unit of sample 3 with tip 2 and the signal processor 22, the first, second, and fifth outputs of which are the first, second, and fifth outputs of the adaptive piezoelectric drive control unit 12, the third output of which is the output digital-to-analog converter 20, the input of which is connected to the third output of the signal processor 22, the fourth output of which is connected to the input of the adaptive approximation unit 21 of sample 3 with 2, the output of which is the fourth output of the adaptive piezoelectric drive control unit 12, the first and second inputs of which are the first and second input of the signal processor 22, respectively. The tunnel
Сигнальный процессор 22, ЦАП 13, 14, 19, 20, АЦП 17 располагаются вблизи туннельного промежутка, что обеспечивает повышенное значение отношения сигнал/шум за счет применения для передачи и обработки цифровой (а не аналоговой, как в прототипе) измерительной информации. The signal processor 22, DAC 13, 14, 19, 20, ADC 17 are located near the tunnel gap, which provides an increased signal-to-noise ratio due to the use of digital (and not analogous, as in the prototype) measurement information for transmission and processing.
Сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом. Для сближения образца 3 с иглой 2 до возникновения туннельного тока используется шаговый пьезопривод 4, выполненный, например, в виде устройства для микроперемещений объекта [4] по оси Z. Для этого устройство содержит закрепленную на основании одним концом пьезотрубку с электродами, снабженную на другом конце патроном, в котором посредством пружин установлен держатель объекта с возможностью перемещения по оси Z, параллельном оси патрона. При подаче пилообразного напряжения на электроды пьезотрубки последняя плавно удлиняется. В момент времени, соответствующий заднему фронту (сбросу амплитуды) пилообразного напряжения, пьезотрубка возвращается в исходное состояние. Держатель объекта за счет своей инерционности и в силу того, что масса mд держателя с образцом подобрана так, что выполняется условие mдад>Fтрд, проскальзывает относительно патрона на некоторый шаг. Для перемещения объекта по оси Z на большее расстояние на пьезотрубку подается серия импульсов управляющего напряжения.Scanning tunneling microscope works as follows. To bring sample 3 closer to the needle 2 before the tunnel current occurs, a step piezoelectric actuator 4 is used, made, for example, as a device for microdisplacement of an object [4] along the Z axis. For this, the device contains a piezotube with electrodes fixed at one end and provided at the other end a cartridge in which, by means of springs, an object holder is mounted with the possibility of movement along the Z axis parallel to the axis of the cartridge. When applying a sawtooth voltage to the electrodes of the piezotube, the latter gradually lengthens. At the point in time corresponding to the trailing edge (amplitude drop) of the sawtooth voltage, the piezotube returns to its original state. The holder of the object due to its inertia and due to the fact that the mass m d of the holder with the sample is selected so that the condition m d d > F thd is satisfied , slides relative to the cartridge by a certain step. To move the object along the Z axis to a greater distance, a series of control voltage pulses is supplied to the piezo tube.
При появлении с последующим установлением заданной величины туннельного тока сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом. Блок 21 адаптивного сближения образца 3 с острием 2 формирует управляющее пилообразное напряжение U21 (фиг.2,а), которое подается на шаговый пьезопривод 4. Для ускорения процедуры сближения образца 3 с острием 2 скорость сближения (пропорциональная U21) устанавливается сначала максимальной и снижается (с появлением туннельного тока на выходе блока 5) до нуля по мере роста этого тока до заданной величины Iт. Во время переднего фронта сигнала U21 образец 3 перемещается по направлению к острию 2, при этом в каждой измерительной точке фронта сигнала U21 сигнальный процессор 22 отслеживает величину туннельного тока. Если туннельный ток не достиг заданного значения Iт, сигнальный процессор 22 продолжает формирование фронта сигнала U21 (предел наращивания амплитуды в этом случае - максимальный код ЦАП, управляющего пьезоприводом 4). Если в какой-либо точке фронта сигнальный процессор 22 установит достижение туннельным током заданной величины, дальнейшее наращивание переднего фронта сигнала U21 завершится и будет сформирован его срез, назначение которого сохранение взаимного положения иглы 2 и образца 3. Однако ряд причин (возможное движение образца 3 вперед (по инерции) в начальное время заднего фронта, колебательный переходный процесс в элементах привода 4, применение в нем весокомпенсирующих пружин) может при формировании заднего фронта сигнала U21 привести к неконтролируемому движению образца 3 к острию 2. Для избежания повреждения острия 2 непосредственно перед формированием заднего фронта пилообразного напряжения U21 сигнальный процессор 22 на выходе ЦАП 20 формирует управляющее напряжение U10, которое через пятый канал коммутатора 9, высоковольтный усилитель 10, Z-электроды 25 точного пьезопривода 1 перемещает острие 2 в направлении возможного (от образца) неконтролируемого движения держателя с образцом 3, вызванного задним фронтом сигнала U21. Затем сразу по окончании этого фронта сигнальный процессор 22 снижает уровень сигнала U10 до нуля, перемещая острие 2 по направлению к образцу со скоростью, достаточной для отслеживания этих перемещений отрицательной обратной связью микроскопа. Это позволяет, автоматически (в зависимости от величины туннельного тока) регулируя скорость шаговых перемещений и размер шага, сократить время сближения образца 3 и острия 2, увеличить точность установления шаговым пьезоприводом 4 заданной величины IT туннельного тока, а также повысить надежность работы устройства.When a tunneling current of a predetermined magnitude appears with a subsequent establishment, the scanning tunneling microscope works as follows. Block 21 of adaptive rapprochement of sample 3 with tip 2 generates a control sawtooth voltage U 21 (Fig. 2, a), which is supplied to the stepper piezoelectric actuator 4. To accelerate the approach of sample 3 with tip 2, the approach speed (proportional to U 21 ) is first set to maximum and decreases (with the appearance of the tunneling current at the output of block 5) to zero as this current grows to a given value of It. During the leading edge of the signal U 21, the sample 3 moves towards the tip 2, while at each measuring point of the edge of the signal U 21, the signal processor 22 monitors the magnitude of the tunneling current. If the tunneling current does not reach the set value of It, the signal processor 22 continues to form the signal front U 21 (the amplitude increase limit in this case is the maximum code of the DAC controlling the piezo drive 4). If at any point on the front the signal processor 22 determines that the tunneling current reaches the specified value, further growth of the leading edge of the signal U 21 is completed and its slice is formed, the purpose of which is to preserve the relative position of the needle 2 and sample 3. However, a number of reasons (possible movement of sample 3 forward (by inertia) at the initial time of the trailing edge, an oscillatory transient in the elements of the actuator 4, the use of weight-compensating springs in it) can lead to noncontrol during the formation of the trailing edge of the signal U 21 the controlled movement of the sample 3 to the tip 2. To avoid damage to the tip 2 immediately before the formation of the trailing edge of the sawtooth voltage U 21, the signal processor 22 at the output of the DAC 20 generates a control voltage U 10 , which through the fifth channel of the switch 9, the high-voltage amplifier 10, Z-electrodes 25 accurate piezo actuator 1 moves the tip 2 in the direction of possible (from the sample) uncontrolled movement of the holder with the sample 3 caused by the trailing edge of the signal U 21 . Then, immediately after the end of this front, the signal processor 22 reduces the level of the signal U 10 to zero, moving the tip 2 towards the sample with a speed sufficient to track these movements with the negative feedback of the microscope. This makes it possible, automatically (depending on the magnitude of the tunneling current), by adjusting the speed of step movements and the step size, to reduce the time of approach of the sample 3 and tip 2, to increase the accuracy of the stepwise piezoelectric actuator 4 to establish the specified value of T tunneling current, and also to increase the reliability of the device.
После сближения острия 2 и образца 3 и установления заданного туннельного тока сканирующий туннельный микроскоп (как и прототип) может работать в двух режимах. В первом режиме контур автоматического регулирования образует острие 2, туннельный промежуток, образец 3, блок 5 измерения туннельного тока, блок 6 управления туннельным промежутком, высоковольтный усилитель 10 напряжения по оси Z и электрод 25 точного пьезопривода 1. Данный режим позволяет "осматривать" большие площади с большими перепадами высот рельефа исследуемой поверхности образца 3, но при этом разрешение координаты Z составляет несколько нанометров. Этот режим предназначен для начального исследования поверхности. Получив начальное топографическое изображение поверхности, можно выбрать нужный для исследования ее участок и перейти на второй режим точного регулирования. В этом режиме работают два электрода 23 и 25, причем управляющее напряжение на электроде 25 изменяет положение острия 2, если управляющее напряжение, подаваемое на электрод 23, выходит за заданные пределы точного регулирования, которые оцениваются вычислителем блока регистрации топографии исследуемой поверхности, с выхода блока 6 управления туннельным промежутком. Использование блока 8 компенсации и второго электрода 24 на пьезоэлементе координаты Z компенсирует перемещения острия 2, вызванные пульсациями и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя 10 по оси Z, подаваемого на электрод 23, под действием нестабильности источников питания и внешних возмущающих воздействий. After approaching tip 2 and sample 3 and establishing a given tunnel current, the scanning tunnel microscope (like the prototype) can work in two modes. In the first mode, the automatic control loop forms a tip 2, a tunnel gap, a sample 3, a tunnel current measuring unit 5, a tunnel
Недостатком известных сканирующих туннельных микроскопов является их низкая производительность и значительное (до 40 мин) время получения СТМ-изображений, обусловленное использованием линейной механической развертки с помощью пьезопреобразователей. Следует отметить, что наибольший вклад в общее время получения СТМ-изображений вносит время успокоения колебаний измерительного острия 2, выдерживаемое перед началом измерений в каждой точке СТМ-растра. Для сокращения времени получения изображения поверхности объекта 3 и повышения производительности туннельного микроскопа в данном устройстве предложено использовать нелинейную адаптивную развертку с прогнозированием Z-координаты в точке измерений. С этой целью блок 12 адаптивного управления пьезодвигателями в процессе сканирования острием 2 поверхности образца 3 варьирует интервал пространственной дискретизации Δх в зависимости от рельефа поверхности образца 3, увеличивая скорость сканирования на ровных участках поверхности и уменьшая на неровных. Информация о рельефе поверхности поступает в сигнальный процессор 22, который (используя столбцы растра просканированной части СТМ-изображения) в начале каждой строки строит прогнозный полином, который экстраполирует на несканированные точки растра. Согласно данным прогноза, сигнальный процессор 22 устанавливает текущий интервал строчной дискретизации, который может изменяться в пределах от своего минимального значения (равного Х-шагу обычного линейного СТМ-растра) до максимального (равного длине строки). Для этого в прогнозной последовательности точек строки выделяются квазилинейные участки, для которых интервал дискретизации Δх устанавливается согласно соотношения Δx = Δ/(4Z′x) (где А - нормировочный коэффициент; Z'X - первая производная на участке профилограммы) [5] . При Х-перемещении острия 2 от начальной измерительной точки интервала дискретизации к последней ЦАПX 13 и высоковольтный усилитель 15 формируют не обычное равномерное (линейное) наращивание управляющего напряжения, а скачкообразное U15 (фиг.2,б). В последней точке интервала дискретизации производится измерение ее Z-координаты. Вместо пропущенных при адаптивном сканировании точек строки обычного линейного СТМ-растра используются точки прогнозного полинома. Если измеренная Z-координата в конце интервала дискретизации отличается от прогнозной на величину, большую допустимой ошибки, то производится пересканирование строки с использованием обычной линейной развертки.A disadvantage of the known scanning tunneling microscopes is their low productivity and significant (up to 40 min) time for obtaining STM images due to the use of linear mechanical sweep using piezoelectric transducers. It should be noted that the greatest contribution to the total time of obtaining STM images is made by the time of calming the oscillations of the measuring tip 2, which is maintained before the start of measurements at each point of the STM raster. To reduce the time of obtaining the image of the surface of the object 3 and increase the productivity of the tunneling microscope, it is proposed to use a nonlinear adaptive scan with prediction of the Z-coordinate at the measurement point in this device. To this end, the adaptive control unit 12 of the piezoelectric motors during scanning with the tip 2 of the surface of the sample 3 varies the spatial sampling interval Δx depending on the topography of the surface of the sample 3, increasing the scanning speed on even sections of the surface and decreasing on uneven ones. Information about the surface topography enters the signal processor 22, which (using the raster columns of the scanned part of the STM image) at the beginning of each line builds a predictive polynomial that extrapolates to unscanned points of the raster. According to the forecast, the signal processor 22 sets the current horizontal sampling interval, which can vary from its minimum value (equal to the X-step of a conventional linear STM raster) to the maximum (equal to the length of the line). To do this, in the predicted sequence of line points, quasilinear sections are distinguished for which the sampling interval Δx is set according to the relation Δx = Δ / (4Z′x) (where A is the normalization coefficient; Z ' X is the first derivative in the profile section) [5]. When the X-movement of the tip 2 from the initial measuring point of the sampling interval to the last DAC X 13 and the high-voltage amplifier 15 form not the usual uniform (linear) build-up of the control voltage, but the spasmodic U 15 (Fig. 2, b). At the last point of the sampling interval, its Z-coordinate is measured. Instead of the line points missed during the adaptive scanning of the ordinary linear STM raster, the points of the forecast polynomial are used. If the measured Z-coordinate at the end of the sampling interval differs from the predicted one by an amount greater than the permissible error, then the line is scanned using a conventional linear scan.
Во избежание потери работоспособности острия 2 во время его возможных касаний поверхности образца 3, перед началом Х-перемещений острия 2 сигнальный процессор 22 через ЦАП 20, пятый канал коммутатора 9 и высоковольтный усилитель 10 по оси Z отводит острие 2 на безопасное прогнозное расстояние, равное сумме туннельного зазора и (умноженного на коэффициент запаса) прогнозного максимального значения Z-координаты этого участка профилограммы поверхности. In order to avoid the loss of operability of the tip 2 during its possible touching the surface of the sample 3, before the X-movements of the tip 2, the signal processor 22 through the DAC 20, the fifth channel of the switch 9 and the high-voltage amplifier 10 along the Z axis leads the tip 2 to a safe predicted distance equal to the sum the tunnel gap and (multiplied by the safety factor) the predicted maximum value of the Z-coordinate of this section of the surface profilogram.
С целью повышения точности измерений Z-координаты введен компенсационный метод [6] с использованием прогнозного значения Z-координаты в точке измерений, для реализации которого на первый вход дифференциального усилителя 18 с выхода блока 6 управления туннельным промежутком подается измеряемое и пропорциональное высоте рельефа напряжение, а на второй вход - прогнозное значение этой же Z-координаты в этой же точке профилограммы. Усиленная дифференциальным усилителем 18 ошибка прогноза Z-координаты измеряется АЦП 17 и передается в сигнальный процессор 22 для расчета истинного значения Z-координаты, равного алгебраической сумме ее прогнозного значения и ошибки прогноза. Погрешность измерений Z-координаты будет тем меньше (на порядок и более), чем ближе ее прогнозное значение к измеренному. Блок 11 измерения ошибки прогноза позволяет также повысить быстродействие измерений Z-координаты при сохранении точности микроскопа на уровне прямых измерений, используя для этого АЦП, имеющий меньшее (на 5 и более) число разрядов (и как следствие более быстродействующий и дешевый), чем АЦП 17 прототипа. In order to increase the accuracy of measurements of the Z-coordinate, a compensation method was introduced [6] using the predicted value of the Z-coordinate at the measurement point, for which a measured and proportional to the relief height voltage is applied to the first input of the differential amplifier 18 from the output of the tunnel
Предложенный сканирующий туннельный микроскоп обладает более высокими производительностью и быстродействием, малым временем получения СТМ-изображений (обусловленными быстрым сканированием, адаптированным к рельефу исследуемой поверхности), повышенной надежностью работы (обеспечиваемой предложенной защитой острия от его возможного касания поверхности образца), повышенной точностью (или быстродействием) измерений (определяемой введением компенсационного метода с использованием прогнозного значения Z-координаты в точке измерений), а также повышенным значением отношения сигнал/шум (за счет применения для передачи и обработки цифровой, а не аналоговой, как в прототипе, измерительной информации), что обеспечивается расположенными вблизи туннельного промежутка сигнальным процессором 22, ЦАП 13, 14, 19, 20, АЦП 17. The proposed scanning tunneling microscope has higher performance and speed, short time for obtaining STM images (due to fast scanning adapted to the relief of the studied surface), increased operational reliability (provided by the proposed protection of the tip from its possible contact with the sample surface), increased accuracy (or speed ) measurements (determined by the introduction of the compensation method using the predicted value of the Z-coordinate at the measurement point), as well as an increased value of the signal-to-noise ratio (due to the use of digital and not analog, as in the prototype, measurement information for transmission and processing), which is provided by the signal processor 22, DAC 13, 14, 19, 20, ADC located near the tunnel gap 17.
Источники информации
1. Адамчук В.К., Ермаков А.В., Любинецкий И.В., Житомирский Г.А., Панич А. Е. Сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения. - Приборы и техника эксперимента, 1989, 5, с.182-184.Sources of information
1. Adamchuk V.K., Ermakov A.V., Lyubinetskiy I.V., Zhitomirsky G.A., Panich A.E. Scanning tunneling microscope based on a monolithic piezoelectric cross-section. - Instruments and experimental equipment, 1989, 5, p.182-184.
2. А.с. 1604136 Н 02 N 2/00 Н 01 L 41/09 А.О. Голубок, Д.Н. Давыдов, В. А. Тимофеев, С.Я. Типисев, М.Л. Фелыптын. Пьезоманипулятор. 2. A.S. 1604136 H 02 N 2/00 H 01 L 41/09 A.O. Dove, D.N. Davydov, V.A. Timofeev, S.Ya. Tipisev, M.L. Felyptyn. Piezomanipulator.
3. А. с. 1709429 Н 01 J 37/285 Д.Г. Соболев, А.М. Косяков, С.А. Герасимов. Устройство для исследования топографии проводящей поверхности (прототип). 3. A. p. 1709429 H 01 J 37/285 D.G. Sobolev, A.M. Kosyakov, S.A. Gerasimov. A device for studying the topography of a conductive surface (prototype).
4. А.с. 1635869 Н 02 N 2/00, Н 01 L 41/09 Д.Г. Волгунов, А.А. Гудков, В. Л. Миронов. Устройство для микроперемещений объекта по трем некомпланарным осям. 4. A.S. 1635869 H 02 N 2/00, H 01 L 41/09 D.G. Volgunov, A.A. Gudkov, V.L. Mironov. A device for microdisplacement of an object along three non-coplanar axes.
5. Темников Ф.Е. Методы и модели развертывающих систем. М.: Энергоатомиздат, 1987, 134с. 5. Temnikov F.E. Methods and models of deployment systems. M .: Energoatomizdat, 1987, 134s.
6. Измерения в промышленности. Справ, изд. В 3-х кн. Кн. 1. Теоретические основы. Пер. с нем. /Под ред. Профоса П.- М.: Металлургия, 1990.-492с. 6. Measurements in the industry. Reference, ed. In 3 book. Prince 1. The theoretical basis. Per. with him. / Ed. Profosa P.- M .: Metallurgy, 1990.-492с.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002102571/09A RU2218629C2 (en) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | Scanning tunnel microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002102571/09A RU2218629C2 (en) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | Scanning tunnel microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002102571A RU2002102571A (en) | 2003-07-27 |
| RU2218629C2 true RU2218629C2 (en) | 2003-12-10 |
Family
ID=32065931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002102571/09A RU2218629C2 (en) | 2002-01-28 | 2002-01-28 | Scanning tunnel microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2218629C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465676C1 (en) * | 2011-05-20 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Scanning tunnel microscope |
| RU174482U1 (en) * | 2016-08-30 | 2017-10-16 | Дмитрий Юрьевич Белан | DEVICE FOR PLASTIC DEFORMATION OF THE WORKING SURFACE OF THE COLLECTORS OF ELECTRIC MACHINES WITH THE FOLLOWING SYSTEM |
-
2002
- 2002-01-28 RU RU2002102571/09A patent/RU2218629C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465676C1 (en) * | 2011-05-20 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Scanning tunnel microscope |
| RU174482U1 (en) * | 2016-08-30 | 2017-10-16 | Дмитрий Юрьевич Белан | DEVICE FOR PLASTIC DEFORMATION OF THE WORKING SURFACE OF THE COLLECTORS OF ELECTRIC MACHINES WITH THE FOLLOWING SYSTEM |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4889988A (en) | Feedback control for scanning tunnel microscopes | |
| USRE37203E1 (en) | Feedback control for scanning tunnel microscopes | |
| US5107112A (en) | Scanning tunnel-current-detecting device and method for detecting tunnel current and scanning tunnelling microscope and recording/reproducing device using thereof | |
| US5220555A (en) | Scanning tunnel-current-detecting device and method for detecting tunnel current and scanning tunnelling microscope and recording/reproducing device using thereof | |
| CA1270132A (en) | Method and atomic force microscope for imaging surfaces with atomic resolution | |
| EP0347739B1 (en) | Scanning tunneling microscope and surface topographic observation method | |
| DE69730670T2 (en) | Scanning probe microscope and signal processing device | |
| US5260572A (en) | Scanning probe microscope including height plus deflection method and apparatus to achieve both high resolution and high speed scanning | |
| CN102680741A (en) | Metering type scanning electronic microscope imaging control system and scanning imaging method | |
| RU2218629C2 (en) | Scanning tunnel microscope | |
| RU2296387C1 (en) | Scanning tunnel microscope | |
| KR100567860B1 (en) | Raster mode scanning device compensates for mechanical vibration disturbances during the scanning process | |
| CN110082568B (en) | Scanning electrochemical microscope and correction method thereof | |
| JP2003014605A (en) | Scanning type probe microscope | |
| US6740876B2 (en) | Scanning probe microscope | |
| Erlandsson et al. | A three‐axis micropositioner for ultrahigh vacuum use based on the inertial slider principle | |
| JP3892184B2 (en) | Scanning probe microscope | |
| Atherton | Nanometre precision mechanisms | |
| RU2020405C1 (en) | Method for registering sample surface relief by scanning tunnel microscopes and device for its realization | |
| SU1709429A1 (en) | Device for investigating topography of conductive surface | |
| JPS63281002A (en) | Body surface state access system | |
| JPH0758297B2 (en) | Non-contact potential measuring device | |
| RU2638941C1 (en) | Electrochemical scanning tunnel microscope | |
| JP2009222548A (en) | Surface potential measurement method and surface potentiometer | |
| JPH07248334A (en) | Interatomic force microscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040129 |