扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进.doc

北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进371扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进The Improvement of Data Acquisition and Control System of Scanning Tunneling Microscope物理学院物理系 99 级 章一鸣 马雄峰摘要本文阐述了我们在实验室原有扫描隧道显微镜系统的基础上改进其数据采 集和控制系统的工作，主要的改进在电子学和程序控制两方面。我们采用最新 的 AD7202 板卡改进了数据采集和控制系统，并根据新的系统重写了 Windows2000 下的控制程序和图像处理程序，使系统从原有的 200×200 分辨率 扩展至现在的较大可变范围 （256×2562048×2048） 。我们应用新的扫描隧 道显微镜系统观察了高定向石墨表面，将新系统和旧系统进行比较，验证新系 统的可行性。关键词 扫描隧道显微镜，数模转换AbstractThis thesis concerns about our work on improving the data acquisition and control system of a Scanning Tunneling Microscope (STM) system on the basis of the original one. The development focuses mainly on the electronic system and the control program. We improved the data acquisition and control system with the AD7202 card, and according to the new system, we rewrite the control program and image processing program under Windows2000, extending the scanning resolution, from 200×200 to a larger variable range (256×2562048×2048). We use this new STM to observe the surface of HOPG, and compare the new system with the old one to verify the feasibility of the new system.Keywords北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进372Scanning Tunneling Microscope (STM), AD/DA北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进373一、扫描隧道显微镜简介 今年正值 IBM 苏黎世实验室的 G. Binnig 与 H. Rohrer 等人发明世界上第 一台扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，简称 STM) - 二13十周年。因为发明 STM 的卓越贡献，G. Binnig 与 H. Rohrer 和E. Ruska分享了 1986 年度的 Nobel 物理学奖，距今也已经 16 年了。STM 这一新型的表面分析技 术引起了越来越多的物理学、化学、生物学、材料科学、微电子科学等领域的 工作者的关注和兴趣，其理论、实验技术和应用研究也得到了迅速的发展。4STM 的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。STM 的核心部件是一个能在 样品表面进行扫描的金属探针（tip） ，探针固定在用压电陶瓷做成的三维坐标 架上。当针尖很靠近样品表面时，由于量子力学中的隧道效应，针尖和样品之 间会发生电子隧穿现象，当给针尖和样品之间加上一适当偏压 VT，则可探测到 隧道电流 JT。而这个隧道电流及其敏感的依赖于探针和样品之间的距离，从而 使得 STM 有很高的分辨本领，在面内（横向）的分辨率约为 0.1nm，在垂直的 方向上则要优于 0.01nm。5STM 的基本构造可分为以下几部分：机械装置（扫描探针，压电陶瓷构成 的三维扫描控制器，粗逼近马达和多级减震措施） ，电子学系统（信号的各级放 大和运算，反馈控制等） ，数模转换部分（计算机与电子学系统通信的桥梁）和 计算机（硬件接口和相应的控制软件） 。这里需要指出的是，一般的 STM 系统在 恒定电流模式下采集的电压只能反映针尖在 Z 向的位置，我们实验室的系统可 以有两种数据采集模式：直流模式和交流模式。其中直流模式下采集的电压反 映针尖在 Z 向的位置，交流模式下采集的电压反映针尖在 Z 向的位置变化，是 我们的 STM 系统所特有的，也是在我们实验室里最常用的。由于不同模式对我 们的工作有着不同的要求，下面简要介绍一下这两种模式的特点。 加在 Z 陶瓷上的电压来自 HVZ 的输出，经 过右面的网络： 可见，开关选在直流档，即在直流模式下， Z 陶瓷上的电压经过简单的分压，输出电压与 Z 陶瓷电压成正比。 在交流模式下，Z 陶瓷上的电压经过一阻 容构成的高通滤波器，输出电压反映了 Z 陶瓷 电压的变化。 交流模式的优点在于：所得到的数据不直 接反映 Z 陶瓷的电压（针尖的高度） ，而反映其变化（在功函数一定的情况下， 反映样品表面的起伏） ，从而避免了在直流模式下的 X,Y 电压的补偿调节，并且 去掉了无用且相对较大的直流信号，有利于提取有用信号。比如对于样品表面 台阶（几个原子高度）的研究，直流模式下是无能为力的，因为它只能得到一 边是白一边是黑的图像，而在交流模式下却能得到台阶处的原子分辨。 但是交流模式对系统提出了更高的要求，因为输出电压不仅是 HVZ 的函数， 还是时间的函数。网络的时间常数为 15ms，这就要求我们对每步之间的时间间 隔控制必须非常精确（t<<15ms） ，这样得到的数据才是有意义的。在后面会 说到，我们利用硬件支持的 Performance Counter 模拟了一个高精度定时器， 很好的解决了这个问题图一 采集模式选择网络HVZ北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进374二、扫描隧道显微镜系统的改进 （一）问题的提出和改进目标 实验室原有系统建立于 1993 年，受当时计算机性能、电子学技术等的限制， 只采用了 8 位的数模转换芯片（AD/DA converter） ，使横向、纵向分辨率只能 达到最高 256×256（事实上的分辨率只有 200×200） ，纵向分辨精度也只有 8 位，导致每幅 STM 图像信息量不够，未能充分发掘仪器的性能。导致此问题的 关键自然在于系统的数模转换系统，于是，我们着手改进仪器的数模转换系统。 我们希望用 12 位或 16 位的 AD/DA 芯片或转换卡来升级数模转换系统，使横 向分辨率至少达到 2000×2000，纵向精度达到 12 位，以便得到大范围和高清 晰度的扫描图像。此外，原有系统的 AD 芯片并无 AD 完成的判断，导致 Windows 下程序频繁切换或系统繁忙时可能出现一些白线，在此次升级过程中 也希望予以解决。（二）电子学系统的改进 实验室原有系统的逻辑框图如图二（仅 STM 部分，STS 部分与 STM 部分 对于本次改进而言除一些开关量之外是一样的，为简洁起见并未画出。但 STS 所用的开关量定义已经在后面的接口定义中给出） 。我们希望将图中的 ADZ，DA 和 8255 通信接口整合在一块带数字输入输出的 数模转换卡中。由此上面的框图可以看出，我们要选用的数模转换卡至少要符 合以下条件： 1. 三路或以上的 DA 通道（X，Y 方向的扫描控制和针尖样品偏压） ； 2. 三路或以上的 AD 通道（STM 像，STS 像和 STS 谱） ； 3. 数字输出 8 位或以上（dI/dV 开关，+Vb 开关，-Vb 开关，采样保持开关， 马达开关及 3 位马达控制） 4. 数字输入 3 位或以上（隧道电流检测，行同步，页同步）计算机系统电子学系统需改进部分扫描装置LVZHVZ反馈回路ADZ 8255接口计算机采样保持开关DAHVXHVY 偏压MT马达控制隧道电流检测图二 改进前 STM 系统逻辑功能图 6北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进375根据以上要求，我们对市场上的 AD/DA 卡进行了调查和筛选，最终决定使 用瑞博华公司的 AD7202 转换卡，该卡的主要功能如下：71. AD 输入：12 位，单端 32 通道（AD0AD31） ，双端 16 通道，转换速度 100K/s； 2. DA 输出：12 位，2 通道（DA0，DA1） ； 3. 数字输入：8 路（DI0DI7） ； 4. 数字输出：8 路（DO0DO7） ； 该卡的 AD/DA 都可以选择电压范围 010V 或-5+5 伏。并且该卡带有 AD 完成查询标志，这对于我们解决原先的扫描白线问题是至关重要的。在我们开 发期间需要 2 块 AD7202 才能实现 3 通道 DA，完成后该公司将会为我们定制带 4 通道 DA 的卡，只需一块就能实现全部功能。 经我们改进后的系统逻辑框图如图二，AD7202 卡完全代替了原先的ADZ，DA 和 8255 通信接口，并且精度更高，功能更为强大。改进后，电子学系统都通过 AD7202 卡进行控制，由于数模转换已在计算机 内完成，因此计算机与电子学系统的连接只有少数几根开关信号和模拟信号线， 简化了各系统间的联接。各接口的定义如下： 1 号卡： AD0：STM 像输入； AD1：STS 谱输入； AD2：STS 像输入； DA0：X 轴电压； DA1：Y 轴电压；2 号卡： DA0：针尖样品偏压；计算机系统电子学系统扫描装置LVZHVZ反馈回路 AD 7202转换卡计算机采样保持开关 HVXHVY 偏压MT马达控制隧道电流检测图三 改进后的 STM 系统逻辑功能图北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进376DO（数字输出）： 76543210 +Vb 开关-Vb 开关dI/dV 开关采样 保持马达 开关MT2MT1MT0DI（数字输入）： 76543210 /隧道电流检测页同步行同步 其中，各开关量 0 表示开，1 表示关；对采样保持，0 表示保持（hold） ， 1 表示采样（sample） ；对隧道电流检测，1 表示有隧道电流，0 表示无隧道电 流。（三）控制程序的设计 控制程序总体来说可分为以下几个模块： 1. 文件读写； 2. 粗逼近； 3. 扫描控制； 4. 数据采集； 5. 界面显示； 6. 参数设置和保存； 程序采用 Visual C+ 6.0 实现，下面分各模块介绍实现的方法。1. 文件读写 采用 MFC 的序列化方法（Serialize） ，在文件中依次保存了 STM 文件 的识别标志，时间，日期，扫描样品，衬底，简要描述，STM 工作模式， 扫描时间，X、Y 向的最大坐标，隧道电流，X、Y、Z 向最大电压， X、Y、Z 向压电系数，X、Y、Z 向范围，偏压以及扫描数据。虽然用了序 列化的方法导致与原 DOS 程序文件格式不相容，但这样的方法更为直观方 便。由于图像分辨率和每个点的精度不同，原来的图像处理程序肯定不能 再用，为此我们已经编写了新的图像处理程序，文件格式的不相容不会造 成任何问题。北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进3772. 粗逼近如图四，对话框左边有四个按钮，分别是自动进针，自动退针，单步 进针，单步退针。左下显示针尖位置和进度条。右边可以设置马达速度和 步长（步长一般是确定的，不用更改） 。 本系统的马达采用数字控制。依前接口定义可知，向 1 号卡的 DO 依次 循环发送 0x35，0x34，0x36，0x32，0x33，0x31 就可实现马达进针。将 此序列反向循环发送就可使马达后退。由于是数字控制，马达的运动是不 连续的，每一步大约 37.5nm，由此可知道当前针尖的物理位置（可相差一 个常数） 。 在进针过程中，必须随时判断是否进入隧道状态，在自动进针状态， 若进入隧道状态应立即停止。判断方法就是读取 1 号卡的 DI，看其第 1 位 是否为 1。3. 扫描控制 主要是控制针尖样品偏压和移动针尖至指定位置，它们分别是通过 3 个 DA 通道输出相应的电压值来控制的。针尖样品偏压由 2 号卡 DA0 通道 控制。我们将电压范围设为-5+5 伏，这样可以省去原先为实现负偏压引 入的一些偏置电路。X，Y 向电压由 1 号卡 DA0 和 DA1 通道控制，电压范围 设为 0+10 伏。但为了与原来的系统兼容只能用 0+5 伏，因此最大分 辨率为 2048×2048。 在扫描过程中，扫每行的时间最低可至 200ms，而每行点数最大为 2048，这样每步的最小时间间隔至少为 0.1ms 量级，而且交流模式的引入 对时间的控制提出了更高的要求。一般常用的消息定时器和多媒体定时器 都是以 ms 为单位的，而且精度很差，不能满足要求。为了解决这个问题， 我们利用了一个硬件支持的高精度计数器（Performance Counter） ，频率 在兆赫兹量级，并且单开一个线程来模拟一个定时器，每隔一定时间间隔 调用特定的函数。图四 粗逼近对话框北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进3784. 数据采集 在我们模拟的线程定时器控制之下，每隔一定的时间间隔读取 1 号卡 的 AD 通道，即可获得所需的信号。我们所用的 AD7202 卡带有 32 个 AD 通 道，现在我们定义 0 通道为 STM 像信号，1 通道为 STS 谱信号，2 通道为 STS 像信号，能在不同条件下实现不同的功能。使用 STM 功能时，依采集 模式不同，该信号可以反映针尖的位置或针尖位置的变化。 我们用的 AD 卡是 12 位的，因此所得到的 Z 电压精度是 12 位的。而一 般电脑的显示屏只能显示 8 位即 256 级灰度，因此实际精度远大于我们在 屏幕上用灰度表示的精度。但这样的高精度是有很大的实际意义的，因为 在研究样品的 IV 或 dIdV 关系时（STS 功能） ，仅仅 256 级的电压精度 是完全不能满足要求的。 上面提到过我们这次改进系统的一个目的是解决程序切换过程中出现 的扫描白线问题。问题的根源在于原先用的 AD 芯片不带 AD 完成的查询标 志，因此可能出现未完成 AD 就读取数据的情况，未完成时就读取得到的 数据是没有意义的 0 值，原来的程序是将得到的值被 255 减，就成了表示 白色的 RGB(255,255,255)。 现在数据采集的流程如下： 这样的方法保证了读取数据时端口数据反映的是当前的电压值，而不 会是无意义的 0 值，也就解决了扫描白线的问题。5. 界面显示启动 ADAD 是否完成否是读取端口数据图五 AD 查询方式流程图北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进379如图六，在程序的工作区，左上有时间，日期，样品，衬底，描述等 关于此次扫描的基本信息；工作区的左边是当前扫描的图像，由于工作区 面积有限，无论分辨率为多少，只能显示 256×256 的缩略图。完整的图 像只能保存后用“STMPic”程序打开后观察；工作区的右边是扫描近几行 的信息，类似示波器方式显示。6. 参数设置和保存 和每幅图相关的参数如上所说是保存在文件中的，但是一些公共参数， 如粗逼近的针尖位置，步长，马达速度，扫描速度等，为了程序关闭再打 开后仍可以记住，需要将这些参数保存在注册表中。为此，我们在注册表 中建立了 PKUSTM 项目，并将参数都存在这个项目之下。图六 控制程序界面示意图北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进380参数设置可在三个地方进行。如图三，在粗逼近对话框的右边设置区， 可进行关于粗逼近参数的设置；扫描开始之前的开始扫描对话框，可进行关于本次扫描的参数设置；如图七，在参数设置对话框，可进行对扫描结 果没有影响的参数设置，如分辨率，扫描时间，偏压等对扫描结果有影响 的参数不能在此更改，以确保结果的客观性。 （四）图像处理程序的设计 由于文件格式的不同，以及图像分辨率，每个点的分辨精度不同，图 像处理程序必须重新设计。到目前为止，图像的显示，亮度、对比度调节 等基本功能已经完成，其余的如去斜，平滑，透视等其他功能将在近期内 逐步实现。三、新系统的可行性检验 作为可行性检验，我们采用了大家熟 知的高定向石墨（HOPG）来进行检验。 下面的图八是我们用旧系统得到的一 张石墨原子分辨图 （200×200） ，图九是 我们用新系统得到的一张石墨原子分辨图 （512×512） ，系统的最大分辨率可以达 到 2048×2048，由于纸张面积问题仅使 用了 512×512。可以看出，系统的设计 是成功的，较好的达到了我们预先的目标。将在新系统下得到的 HOPG 图和旧系 统下的进行比较，可以看出较高的分辨率图七 参数设置对话框图八 用旧系统得到的 HOPG 原子分辨图 (200×200)北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进381带来了显而易见的好处。比如我们能在更大的范围内得到原子分辨或其他一些 细节；原来需要多次逼近才能获得我们感兴趣区域的图像，现在可以大大减少 这一步骤；可以经过多次的裁减，处理而仍有足够的清晰度等等。四、小结 我们这次对 STM 系统数据采集和控制部分的改进工作总体而言是相当成功 的。我们用 AD7202 转换卡升级替换了原来的 AD/DA 和 8255 数字输入输出接口， 提高分辨率最高至 2048×2048，电压采集精度提高至 12 位；利用 AD 查询方式 解决了扫描白线问题；利用高精度计数器解决了时间间隔的精确控制问题；编 写了 Windows2000 下的扫描控制程序和图像处理程序；并且对新系统的可行性 进行了验证。 由于这套系统刚刚建立，还未经过时间的检验，在今后的使用过程中可能 出现各种问题，需要及时加以解决和完善。新系统带来的好处和各种应用，还 需要我们去逐步发掘。图九 用新系统得到的 HOPG 原子分辨图 (512×512)北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进382致致 谢谢首先要感谢李政道先生，秦惠女士和“政基金”委员会对我们的资助，使 我们能较早的进入实验室从事一定的科研工作。 本论文是在杨威生教授的悉心指导和帮助下完成的。杨教授严谨的治学态 度、一丝不苟的作风和丰富的想象力以及他对物理概念的清晰把握给我们留下 了深刻的印象。他使我们看到了作为一个科学工作者应具有的素养。 衷心感谢赵汝光教授的指导和帮助。记得在我们最初进实验室，是她带我 们做针尖的。在以后的日子里，她对于我们的工作和生活方面给了很多的关心。衷心感谢方胜高级工程师的指导，特别是在实验技术方面，从最小的零件 焊接到整个 STM 系统的把握，都给了我们莫大的帮助。在整个改进过程中，他 付出了很多的心血。没有他，我们的工作很难顺利完成。 特别感谢葛四平、徐耿钊师兄，在向他们讨教的过程中，他们给予了耐心 的帮助，使我们能够较快的掌握 STM 原理和实验技巧。我们从他们身上学到了 如何勤奋的工作。 感谢李文杰、姜金龙等师兄给予的帮助。特别是李文杰师兄给予的在程序 方面支持，他是我们实验室第一个编写 WINDOWS 下 STM 程序的人，对我们的工 作给予了无私的帮助。 感谢瑞博华公司对我们的技术支持，在刚开始使用 AD 卡的一段时间里，他 们耐心回答了我们在使用方面的许多问题。参考文献参考文献G. Binnig, H. Roher, Ch. Gerber, E. Weibel, Appl. Phys. 1Lett.40, 178 (1981). G. Binnig, H. Roher, Ch. Gerber, and E. Weibel, Phys. Rev. 2Lett.49, 57 (1982). G. Binnig, H. Roher, Surf. Sci. 126, 236 (1983).3白春礼，序言,扫描隧道显微术及其应用，上海科学技术出版社 (1992).4白春礼，P11,扫描隧道显微术及其应用，上海科学技术出版社 (1992).5扫描隧道显微镜系统原理图， 人工微结构和介观物理国家重点实验室 6北京大学物理系AD7202 数据采集卡说明书， 瑞博华公司7作者简介： 章一鸣： 1980 年 10 月出生于浙江省杭州市，高中时获得物理竞赛全国二等奖， 浙江省英才奖，并于 1999 年保送北京大学物理系。大学期间曾连续四年获得奔 驰奖学金。 马雄峰：男，1981 年 10 月 14 日出生于浙江东阳。现为北京大学物理学院 99 级本科生。大学期间曾获校“三好学生”荣誉称号和“五四”奖学金。北京大学政学者论文集（2002 年） 扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进383感悟与寄语： 在实验室的这一年多时间里，我们学到了很多在课本上学不到的东西。首 先我们学会了合作，我们常常为很多细节上的东西辩论很久，从辩论中我们对 很多原先比较模糊的问题有了更深刻的了解，更重要的是我们学会了如何交流， 在交流中学到了一些很实际的经验和技巧。 在解决问题的过程中，我们了解到科学客观性的真正含义，培养了努力钻 研的精神。因为你所面对的世界是客观的，又是未知的，只有以客观严谨的态 度积极思考和研究，才能真正了解世界，进而改造世界。 一年多的时间对于科学研究这一艰难漫长的过程，也许仅仅是一个最初的起点， 但我们已经在这段时间中培养了一些科学工作者必需的素质，并做出了一些小 小的成绩。相信“政基金”活动是我们在科研道路上的一个良好开始，我们必 将沿着这条道路继续前进和奋斗。指导教师简介：杨威生，1959 年毕业于北京大学物理系，1984 年起任北京大学 物理系教授和博士导师。曾任美国纽约州立大学石溪分校、法国马赛大学、德 国都依斯堡大学、日本东北大学访问教授。目前兼任国际学术刊物 Probe Microscopy 编委。至 2000 年 2 月已在重要学术刊物上发表论文 110 余篇 (其 中 2/3 发表在国外，31 篇在 Phys. Rev. B) ，被他人的论文引用 620 次（其 中 64 次被综述引用） 。曾获 1996 年教委科技进步一等奖、1997 年胡刚复物理 奖、1998 年教委科技进步二等奖等奖项。 目前主持基金委九五重点项目“扫描探针技术在若干前沿领域中的应用” ， 实验室配备有具有不同性能的超高真空 STM-SEM-LEED-AES 等大型设备四套。