用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)掃描隧道顯微鏡（STM）的控制

物理系林亮宋真

指導(dǎo)老師

張朝暉

背景

1.掃描隧道顯微鏡（STM）簡(jiǎn)介

掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope）1982年由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主葛-賓尼（GedBinning）和海-羅雷爾（HeinrichRohrer)等人研制成功。是一種具有原子級(jí)（A，埃）分辨率的表面分析儀器。在金屬和半導(dǎo)體表面以及生命科學(xué)的研究中有著廣泛的應(yīng)用。2.STM工作原理簡(jiǎn)介控制部分控制分為三部分：粗逼近、掃描和負(fù)反饋。粗逼近用步進(jìn)的方式進(jìn)行，每加一次電壓，向前逼近一步，采用鋸齒形電壓。掃描分為X掃描和Y掃描兩部分，X方向?yàn)樾蟹较颍琘方向?yàn)榱蟹较?。X方向掃描過(guò)去再回來(lái)，然后Y方向換行，循環(huán)往復(fù)，可以掃描x×y大小的區(qū)域.負(fù)反饋和表面分析負(fù)反饋控制貫穿全過(guò)程。負(fù)反饋由加在Z方向上的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先讀取隧道電流I,與標(biāo)準(zhǔn)值相減，然后經(jīng)過(guò)比例、積分運(yùn)算，得到負(fù)反饋電壓的數(shù)值，加到Z軸上去，調(diào)節(jié)陶瓷管伸長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)衡電流掃描。加在Z軸上的電壓的變化反應(yīng)樣品表面電子波函數(shù)的起伏。通過(guò)存儲(chǔ)和讀取分析Z軸電壓的二維分布，就能得到樣品表面起伏的信息。3.負(fù)反饋控制簡(jiǎn)介為了實(shí)現(xiàn)對(duì)STM探針與樣品表面距離的控制，普遍方法是用pid控制。通常的STM的控制部分是用dsp芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而我們這里是用labview編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)STM的控制。Pid有兩種控制算法，即：

式（4）稱為位置式PID控制算法。由于位置式算法輸出在計(jì)算過(guò)程中容易產(chǎn)生積分飽和作用，導(dǎo)致控制器的響應(yīng)速度變慢，而且由于積分的累積作用，在手動(dòng)和自動(dòng)切換時(shí)，很難做到無(wú)擾動(dòng)切換。因此，人們又提出一種新的控制算法，PID增量式控制算法：二為什么要嘗試新的控制方式虛擬儀器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是軟件，使用和修改起來(lái)會(huì)更方便開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低，系統(tǒng)組建時(shí)間短具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能三我們所做的工作粗逼近控制XY掃描控制針尖到表面距離的負(fù)反饋控制四結(jié)論與問(wèn)題用虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)pid控制是十分方便的，而且修改起來(lái)也十分方便，當(dāng)用硬件實(shí)現(xiàn)某些功能比較困難時(shí)，可以考慮用虛擬儀器。由于系統(tǒng)的硬件還沒有完全準(zhǔn)備好，所以我們還只能對(duì)掃描過(guò)程進(jìn)行模擬。但從我們模擬的情況來(lái)看，用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)STM的控制是完全可行的。Labview軟件也有很大的局限性，例如時(shí)序問(wèn)題，labview系統(tǒng)本身只提供了一毫秒周期的系統(tǒng)時(shí)鐘。所以要實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用，還需考慮使用A/D卡的時(shí)鐘。另外，關(guān)于Labview的資料還是太少，有一些模塊都找不到描述，所以我們經(jīng)常只能摸著石頭過(guò)河。但其中也不乏樂(lè)趣！五致謝在我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，張朝暉老師給了我們很多的指導(dǎo)和鼓勵(lì)，并為我們提供了很好的