超快速扫描隧道显微镜的改进与应用

Currently, researches of the growth and dynamics of self-assembled of nanostructures on the solid surface with atomic resolution, as well as adsorption, catalysis, nucleation, phase transition mechanism on the single-crystal solid surface, attracting much attention of many researchers, reflecting that the researching objects of scanning tunneling microscopes (STM) have changed from the static samples into dynamic phenomena, and particularly need higher time resolution STMs appear. Fast STM can improve the anti-low-frequency noises ability of the STMs, but also can accelerate dip-den nalithography, data storage technology industriali -zation process. Therefore, in this project, with careful analysis of the characteristics of the fast STM, the applicant plans to further enhance the imaging speed of the ultra-fast STM, by (1) improving STM transimpedance amplifier bandwidth 10 times to 1 MHz, (2) increasing the highest scanning frequency 5 times to 100 kHz and Maximum amplitude 10 times 5 nm, (3) enhancing the sampling rate of the data acquisition card 100 times to 100MHz, on the basis of the existing ultra-fast STM. And then, studying the surface dynamics phenomena, revealing the microscopic mechanism of surface dynamics phenomena and the superconducting transition on the atomic scale, lay foundation for the development, characterization and application of nanoscale devices and new energy materials.

当前，从原子尺度上研究表面纳米结构的自组装生长及动力学现象，固体单晶表面的吸附、催化、成核、相变机理，倍受关注，说明扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope/STM）的研究对象已由静态样品转变为动态现象，并特别渴望更高时间分辨率的快速STM的出现。而且快速STM可以提高STM的抗低频噪音能力，并加快纳米刻写、数据存储等技术的产业化进程。因此在本项目中，申请人计划在现有超快速STM的基础上，缜密分析快速STM的特点，采用（1）STM跨阻放大器带宽提高10倍到1MHz，（2）快轴扫描器最大扫描频率提高5倍到100kHz、最大振幅提高10倍到5nm，（3）数据采集卡的采样率提高100倍到100MHz的方法，来进一步提高超快速STM成像速度。进而开展更多表面动力学研究，从原子尺度上揭示表面动力学现象微观机理，为纳米器件和新能源材料的研制、表征与应用奠定基础。

项目的背景：.从原子尺度上研究表面纳米结构的自组装生长等表面动力学现象倍受关注，需要更高时间分辨率扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope/STM）的出现。而且快速 STM技术可以提高 STM 的抗低频噪音能力，和加快纳米刻写、数据存储等技术的产业化进程。为纳米器件和新能源材料的开发、表征与应用奠定基础。.主要研究内容： .该项目，是基于目前对原子尺度上发生的动态变化进行快速表征而改进的仪器。研究的内容包括（A）带宽的提高、（B）采集方法的优化、（C）扫描器的设计与选用、（D）探针的制备及与高频扫描器的配合、（E）控制电路和STM前置放大电路的降噪处理、（F）nm级控制精度压电马达的结构优化设计与控制理论开发、（G）STM的镜体设计、（H）STM减震系统技术与装置的开发、（I）而且在响应国家政策号召考虑逐步实现整套STM的自主产权化和国产化，等。 .重要结果:.本项目目前已基本圆满完成，开创了高速扫描STM新的世界记录。是现有国际最高频率（快扫26kHz；慢扫频率、即帧速，80幅图/s）的约5倍和15倍。. “慢扫频率1.25khz”使得一幅图像仅需要400 us，使高速STM进入“微秒（us）时代”！希望这个时间分辨率的变革，能像nm效应一样带来科技革命、生产力变革！.关键数据：.已经可以在快扫频率100khz、慢扫频率1khz的情况下，获得HOPG样品的原子分辨率图像。并且进一步实现了125kHz和1.25 kHz的原子分辨率成像。.科学意义：.本项目的测试对象是标准样品HOPG，希望今后能对更多对时间分辨敏感的样品进行测试，分析内部的科学意义。.其次，利用高频扫描技术结合隧道结的电容器效应，本项目实施过程中，已经设计出了完整的对绝缘膜的膜厚、膜内缺陷杂质及表面形貌的测试方案。将有可能打破目前STM仅能测良导体的固有观念，促进纳米科技的发展。具有较大的科学价值和应用化前景。