摘要:概述了扫描隧道显微镜的工作原理，给出了采用压电材料的扫描控制方案及获取样品表面形貌信号的方法，介绍了系统中的z扫描驱动器，xy扫描驱动器(扫描平台)及其非线性修正方法。
1引言
扫描隧道显微镜(STM)是一种新型显微分析仪器[1]，自80年代初研制成功以来，得到西方各国政府的重视，发明人罗杰和宾尼因此获得诺贝尔奖。由于STM分辨率高，可进行三维成像，能在真空、大气等不同环境下工作，并且操作简便，已在物理、化学、生物及材料科学等方面得到了广泛应用，在微电子领域也己成为一种新的表面检测、分析工具。本文首先概述了STM的工作原理，然后结合我们研制的STM，介绍其中的压电扫描驱动器。
2STM工作原理
STM的基本工作原理[2j是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和样品表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，这种现象即是隧道效应。隧道电流I与针尖和样品之间的距离S以及平均功函数中有关:
式中V、是加在针尖和样品之间的偏置电压;平均功函数分别为针尖和样品的功函数;A为常数，在真空条件下约为1。由式(1)可知，隧道电流强度对针尖与样品表面间距非常敏感。因此，如果控制隧道电流恒定，同时控制针尖在样品表面进行扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了样品表面的起伏，如图1所示。
要控制针尖在样品表面高精度的扫描，用普通机械控制难以达到要求，目前普遍使用YZT压电陶瓷材料，利用其逆压电效应，作为x.y.z方向扫描驱动器，且可通过加在:向驱动器上的电压值推算出样品表面的起伏高度:PZT压电陶瓷有几种不同型号，PZT-4和PZT-8型压电陶瓷材料具有高功率容量，主要应用在高功率声学发射、高电压发生器以及功率控制器中。PZT-5A具有高灵敏性、高介电常数和时间稳定性，常用于一般的发送器或传感器，而PZT-5H最适合于低频应用，与PZT-5A相比，这种材料的介电常数高，但工作温度范围不宽。两种PZT-5型材料都具有高运动灵敏性，都适合在STM中作为扫描驱动器使用。
3扫描驱动器
STM扫描驱动系统如图2所示。STM在扫描过程中，探针固定在z扫描驱动器上，并在水平方向保持不动。计算机输出x.y方向扫描驱动信号，经高压功放放大后，控制扫描平台移动，因此探针即相对样品在水平方向作扫描运动。在探针与样品之间加有偏置电压，负反馈控制系统输出驱动信号控制z扫描驱动器移动，调节探针与样品之间的间隙，以保持隧道电流恒定。这样探针与样品之间的间隙与z向驱动信号成正比，因此，z向驱动信号即反映出样品表面起伏。计算机同时采集z向驱动信号，经处理后得到样品的表面形貌。
3. 1z扫描驱动器
z扫描驱动器采用管状PZT制成，如图3所示。其内外壁都有电极，极化方向穿过管壁，它的轴向移动为
式中V为电极上所加电压;l为PZT管长度;D为管的壁厚;d31，为压电常数。径向移动为
式中d33为压电常数。管状材料对壁厚的均匀性要求较高，否则轴向平移就不会严格沿管轴方向运动，而会由于一边的膨胀大于另一边而产生弯曲。
3.2扫描驱动器(扫描平台)
扫描平台的作用是控制探针在样品表面进行扫描运动。扫描平台采用SUPTAK公司的WTDS-I型电致伸缩陶瓷微位移器作为驱动源，再通过金属弹性体将位移放大驱动平台。扫描平台的结构示意图如图4所示，其扫描范围为100μm100 μm。
微位移器由多片电致伸缩陶瓷(PMN )叠加后封装，驱动电压范围为0 ~ 300 V 。PMN与PZT相比，具有迟滞小的优点，但其驱动电压与位移之间是平方关系，非线性较严重，因此我们采用线性插值法进行修正。其具体方法是在100 μm的扫描范围内，每隔lμm测出对应的驱动电压，得到一组位移S,与驱动电压V，的关系表，将其存入计算机，在实际扫描过程中，根据扫描位移S，按下式求得相应的驱动电压V
4讨论
上面介绍的扫描平台为开环工作方式，在要求较高的场合，可采用闭环反馈方式(见图4).以提高扫描平台的线性、稳定性、重复性和精度，其方法是在扫描平台的x,y方向各安装一个高精度位移传感器用于监测位移，将位移误差作为反馈信号，通过一定的控制算法得到控制信号，实时修正驱动电压，以保证扫描位移的精度。
〔参考文献〕
[1]BINNING G. ROHER H, GERBER Ch et al.Surface studies by scanning tunneling mi-croscopy[1]} PhYs Rev Lett .1982,49(1):57...61.
[2]白春礼.扫描隧道显徽术及其应用〔M].上海:上海科学技术出版社，1992.
本文作者：路小波 陆祖宏 周庆 王国著
