电化学扫描隧道显微镜及其应用研究

摘要

扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,STM）拥有纳米微加工、原子分辨率、原子搬运等共同的功能性特征，在材料科学、生命科学、表面科学等纳米技术领域有着无法撼动的地位。迄今为止，扫描隧道显微镜技术在商业上已经逐渐发挥出越来越重要的作用，但随着研究的不断深入，液态环境和极端条件下的材料性能表征技术逐渐引起人们的重视，且大多数系统的搭建都是用到国外进口的材料，成本相对较高，所以我们的研究目标是在降低搭建整个STM系统的预算成本的前提下，还能够搭建出一套完整的可在液体环境下使用的扫描隧道显微镜系统，该系统需要具有很高的稳定性和精度，所以我将我们的研究工作列成如下几点： （1）根据压电效应，结合目前已有的多种经典压电步进马达的结构，设计并搭建出一款全新的高稳定STM系统。该STM系统采用全新设计的镜体结构，利用不锈钢作为镜体的原材料，且为了防止导线被一些强碱性或强酸性溶液挥发而腐蚀，我们利用Teflon绝缘层的导线或铂丝作为制作导线的原材料。其核心部件压电步进马达也摒弃了前期实验使用较多的压电扫描管而改用压电片叠堆而成的压电堆栈。 （2）我们在调研了大量文献的基础上，参考性能最优异的范例，独立搭建出一个完整的前置放大电路，该放大电路能够将微观的隧道电流信号放大成宏观的信号，能够在一定程度上将该电路的放大倍率进行提高，以便控制器进行识别和记录。 （3）搭建一套完整的电化学STM控制软件，该软件利用Labview进行编程，此控制软件包括粗逼近程序、细逼近程序和扫描成像程序三大部分。整套控制软件提高了软件的扫描速度，将传统的恒高扫描模式进行改进，将针尖与样品的高度维持在一个恒定值，从而避免了手动调节针尖样品间距所带来的滞后性。 （4）利用STM系统对固体表界面的分子自组装进行一定的研究，具体利用扫描隧道显微镜研究水分子在吸附有氧原子的Cu(110)表面的吸附与分解过程。

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扫描隧道显微镜简介

1.1 引言

1.1.1扫描隧道显微镜的发展历史

1.1.2固体表界面分子自组装的表征在国内外的发展现状

1.1.3电化学STM对固体表界面的分子自组装成像的研究意义

1.1.4研究电化学STM对固体表界面的分子自组装成像的技术难点

1.1.5电化学STM研制的先进性与实用性

1.2 扫描隧道显微镜原理

1.2.1量子隧穿原理

1.2.2 压电效应与逆压电效应

1.2.3扫描隧道显微镜原理

1.3 STM前置放大电路

1.4 探针

1.4.1 机械剪切法

1.4.2 电化学腐蚀法

1.4.3 针尖的绝缘包封

1.5 粗逼近装置

1.5.1 Pan型压电步进马达

1.5.2 惯性压电马达

1.5.3 Koala型步进马达

1.5.4 甲虫

1.5.5 尺蠖

1.6 隔音减震装置

第二章 基于自制高稳定惯性压电马达的STM系统

2.1 引言

2.2 前置放大器

2.3 扫描镜体

2.4 减震装置

2.5 探针—样品逼近机制

2.5.1 基于压电扫描管的惯性压电马达

2.5.2 自制基于压电堆栈的惯性马达的基本结构

2.5.3 自制基于压电堆栈的惯性马达的工作原理

2.5.4 实验数据及结论

2.6 自制高稳定惯性压电马达的变形

2.6.1自制变形惯性马达的基本结构

2.6.2自制变形惯性马达的工作原理

2.6.3自制变形惯性马达的优点

2.7 基于Labview的电化学STM控制系统

2.7.1 引言

2.7.2 控制系统硬件部分

2.7.3 控制系统软件部分

2.7.4 利用自制的STM系统获得的原子图像

第三章 固体表界面的分子自组装及调控的研究

3.1 引言

3.2 研究水分子在Cu(110)表面的吸附与分解

3.2.1 背景介绍

3.2.2 实验过程

3.2.3 结果分析

第四章 工作总结与展望

4.1 工作总结

4.2 工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目