制備掃描隧道顯微鏡針尖的電路設(shè)計(jì)

郭寶會(huì)

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

制備掃描隧道顯微鏡針尖的電路設(shè)計(jì)

郭寶會(huì)

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

為了獲得質(zhì)量較好，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的掃描隧道顯微鏡針尖，設(shè)計(jì)了利用電化學(xué)腐蝕法制備針尖的控制電路.該電路包括直流腐蝕控制電路和交流腐蝕控制電路，以及利用比較器實(shí)現(xiàn)直流控制電路向交流電路跳轉(zhuǎn)的控制電路.經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)表明隨著腐蝕進(jìn)行，預(yù)設(shè)實(shí)際電壓大于預(yù)設(shè)參考電壓時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)比較器反轉(zhuǎn)和交流腐蝕，達(dá)到預(yù)設(shè)的功能，說(shuō)明該控制電路可以制備理想的掃描隧道顯微鏡所用的鎢針尖.

針尖;電化學(xué)腐蝕法;直流腐蝕;交流腐蝕;掃描隧道顯微鏡

0 引言

掃描隧道顯微鏡在當(dāng)今科學(xué)研究中起著重要作用［1－2］.掃描隧道顯微鏡中起關(guān)鍵作用的為掃描隧道顯微鏡的針尖，它在很大程度上決定著掃描隧道顯微鏡的性能，因此，針尖制備是非常關(guān)鍵的工藝［3－5］.

常見的掃描隧道顯微鏡針尖材料有Pt-Ir合金和鎢絲，其中前者采用剪刀斜剪切的方法獲得針尖，雖然制備方法簡(jiǎn)單，但是所用材料的價(jià)格昂貴.而后者采用化學(xué)腐蝕鎢絲的方法制備所需針尖，制備方法雖然麻煩，但所用材料的價(jià)格相對(duì)便宜.化學(xué)腐蝕鎢絲的方法有直流電化學(xué)腐蝕法和交流電化學(xué)腐蝕法.直流腐蝕法的優(yōu)點(diǎn)是所獲得的針尖質(zhì)量較好，缺點(diǎn)是腐蝕速度慢;交流腐蝕的優(yōu)點(diǎn)是腐蝕速度快，缺點(diǎn)是制作出的針尖不理想，原因是電化學(xué)反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致了腐蝕過(guò)程的不穩(wěn)定［6－8］.

針對(duì)直、交流腐蝕的優(yōu)缺點(diǎn)，可以設(shè)想如果在電解開始階段用較大電流，以加快腐蝕速度，這時(shí)采用直流法;在最后階段減小電流，使殘端得到修飾，這時(shí)采用交流法.利用產(chǎn)生的氣泡對(duì)針尖上端的保護(hù)，加快下部殘端的腐蝕.就可以既保障針尖能達(dá)到理想?yún)?shù)，又節(jié)省時(shí)間.

基于以上設(shè)想，本文設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)腐蝕方法制作鎢針尖的直流和交流控制電路，并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真.對(duì)該控制電路有以下要求:(1)能在針尖形成的瞬間斷電;(2)能夠?qū)︶樇庑螤钸M(jìn)行不斷的修飾［9－10］.

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 腐蝕原理

電化學(xué)腐蝕方法制作鎢針尖腐蝕裝置如圖1所示.在電解池中裝入KOH溶液，電解池中央是制作針尖的鎢絲，它同時(shí)作為陽(yáng)極.陰極是圍繞鎢絲的不銹鋼圓環(huán)，陽(yáng)極和陰極通過(guò)引線串接在電流源的正負(fù)兩個(gè)輸出端之間.由于表面張力的作用，溶液沿鎢絲表面有一定程度的凸起.電化學(xué)反應(yīng)開始后，鎢被氧化成為離子，且向下擴(kuò)散，在一定程度上包裹住鎢絲的下半部分，使其與KOH溶液隔離，所以腐蝕基本限制在液面附近的鎢絲表面，如圖2所示.隨著腐蝕的進(jìn)行，針尖與溶液的接觸面積逐漸減小，引線間電阻變大.當(dāng)鎢絲被腐蝕斷開之前的瞬間，由于重力作用，鎢絲的下半段下落，同時(shí)由于形變，在尖端部分形成只有少量原子的針尖.此時(shí)，引線間電阻由幾百歐姆激增為幾十千歐，電路電壓隨之減小，為防止針尖被繼續(xù)腐蝕，控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電壓減小信號(hào)做出響應(yīng)，切斷腐蝕電源，啟動(dòng)脫離裝置，快速?gòu)娜芤褐刑崛♂樇?，?shí)現(xiàn)針尖與溶液的快速脫離［3］.

圖1 針尖的電化學(xué)腐蝕裝置

圖2 針尖的電化學(xué)腐蝕機(jī)理

1.2 控制電路的設(shè)計(jì)

基于實(shí)驗(yàn)原理的要求，控制電路所需實(shí)現(xiàn)的功能依次為:(1)進(jìn)行直流腐蝕;(2)進(jìn)行交流腐蝕;(3)針尖與溶液脫離完成腐蝕.設(shè)計(jì)出的電路圖如圖3所示.根據(jù)圖3，將針尖的實(shí)現(xiàn)過(guò)程描述如下:

(1)啟動(dòng):當(dāng)接通電路后，由C1和R2組成的啟動(dòng)電路起作用，輸入A2的電壓值在瞬時(shí)達(dá)到高電位，經(jīng)過(guò)A2、A3比例放大后，LM311的輸入端電位必定高于參考電壓，保證LM311低電位輸出，則電磁繼電器不起作用，并且場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電路進(jìn)入直流腐蝕狀態(tài).隨后C1和R2很快不起作用，若無(wú)此啟動(dòng)過(guò)程，則電路在開通之后，有可能LM311的輸入端電位低于參考電壓，使電磁繼電器起作用，直接跳過(guò)直流腐蝕階段，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不符.

(2)直流腐蝕:隨著直流腐蝕進(jìn)行，鎢絲逐漸變細(xì)，電阻增大導(dǎo)致電路電流減小，LM311的輸入端電位也逐漸減小，當(dāng)輸入電位減小到低于參考電壓時(shí)，LM311改為高電位輸出，則電磁繼電器起作用，斷開直流腐蝕同時(shí)啟動(dòng)交流腐蝕電路進(jìn)入交流腐蝕狀態(tài).

(3)交流腐蝕:隨著交流腐蝕進(jìn)行，鎢絲繼續(xù)變細(xì)，逐漸達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理想針尖的形狀，當(dāng)LM311的輸入端電壓值小于參考電壓時(shí)，LM311低電位輸出，經(jīng)A5穩(wěn)定信號(hào)，使電磁繼電器起作用，斷開了交流接觸器的開關(guān)，交流接觸器由于斷電而釋放，則燒杯做自由落體運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電路的迅速斷電和針尖與溶液的迅速脫離，至此，針尖腐蝕過(guò)程結(jié)束.

圖3 利用電化學(xué)腐蝕法制作針尖的控制電路

2 仿真實(shí)驗(yàn)

衡量控制電路優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)是能在針尖形成的瞬間斷電，圖4為仿真實(shí)驗(yàn)所使用的直流腐蝕與交流腐蝕結(jié)束、針尖脫離溶液的電路圖.由仿真軟件經(jīng)過(guò)示波器測(cè)試，并由仿真電路實(shí)驗(yàn)測(cè)得直流腐蝕電路中的參考電壓為0.8V，比較理想.所以在進(jìn)行實(shí)際電路測(cè)量時(shí)，將直流腐蝕電路中LM311的參考電壓輸入端調(diào)為0.8V，經(jīng)實(shí)際電路檢驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)比較器反轉(zhuǎn)，即當(dāng)電路電壓為0.8V時(shí)切斷直流腐蝕，開始交流腐蝕，交流腐蝕不通過(guò)穩(wěn)壓電路，直接接交流電源，腐蝕速度快，所以，比較器的參考電壓設(shè)置就非常重要.

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)圖

另外，腐蝕電壓、電流、電解液的濃度都對(duì)針尖的曲率半徑、縱橫比和幾何形狀有影響，而且不同的電路參數(shù)對(duì)參考電壓的設(shè)置也有影響，所以，比較適宜的電路參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)就顯得非常重要，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)直流電流一般控制在50mA左右，電壓在50V以下，電解液選用1—5mol/L的KOH溶液，腐蝕過(guò)程中針尖與液面接觸處最易腐蝕變細(xì)，到達(dá)一定程度后，在液面下面殘端的重力作用下，發(fā)生斷裂，形成最后的針尖.這種斷裂面往往參差不齊，比較粗糙，有亞針尖的存在，為盡力避免這種現(xiàn)象，鎢絲插入溶液的部分不宜過(guò)長(zhǎng)，以1—3mm為宜.

為了在實(shí)驗(yàn)中將腐蝕電壓、電流控制在理想范圍，我們將限流電阻R13、R13'設(shè)置為高功率電阻，以防止燒毀.設(shè)置電阻R5、R5'至合適的數(shù)值，以調(diào)節(jié)腐蝕電壓.這樣就能控制電壓電流值到理想范圍.

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的制備掃描隧道顯微鏡針尖的控制電路，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到直流腐蝕到交流腐蝕的轉(zhuǎn)化，且交流腐蝕電路可以實(shí)現(xiàn)快速切斷.

［1］白春禮.掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.

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［7］傅惠南，王宏霞，王曉紅，等.SPM探針制造技術(shù)的研究和發(fā)展［J］.電子顯微學(xué)報(bào)，2005，24(6):622－628.

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［10］牛建龍，吳雪，李楓，等.SPM 鎢針尖的制備［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，31(4):1－3.

Electronic Circuit Design of Fabricating Tip in the Scanning Tunueling Microscope

GUO Bao-hui
(School of Physics and Electronic Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714000，China)

In order to get the good quality and economical tip of scanning tunueling microscope，an electronic circuit design of fabricating tip with the electrochemistry corrosion is investigated.These electric circuits conclude the direct current electronic circuit，alternating current electronic circuit and the electric circuits which skip from the direct current to alternating current by the comparator.The emulator experiments show that the comparator is inverted when the voltage is higher than preinstall voltage and the alternating current corrosion is realized.The circuit meets the targets and the need expected.

tip;the electrochemistry corrosion;direct current corrosion;alternating current corrosion;scanning tunueling microscope

TM741

A

1009—5128(2012)06—0029—04

2012—03—19

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(08JK282);渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目(12YKZ054)

郭寶會(huì)(1978—)，男，陜西寶雞人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院講師，西北工業(yè)大學(xué)在讀博士.研究方向:近代物理實(shí)驗(yàn).

【責(zé)任編輯 牛懷崗】