基于DSP技术的数字式SNOM_STM控制系统的研发和应用

中国科学技术大学硕士学位论文基于DSP技术的数字式SNOM/STM控制系统的研发和应用姓名：邬晓华申请学位级别：硕士专业：精密仪器与机械指导教师：黄文浩;王克逸19990601基于ＤＳＰ技术的数字式ＳＮＯＭ／ＳＴＭ控制系统的研发和应用摘要／ＳＰＭ仪器家族ｌ＝要包括ＳＴＭ（扫描隧道显微镜），ＳＮＯＭ（扫描近场光学显微镜）和ＡＦＭ（原子力显微镜）。

传统的ＳＰＭ仪器的电子反馈系统均为模拟式的。

７本文介绍了一种与上海原子核研究所合作开发的基于ＤＳＰ技术的全数字化ＳＰＭ仪器。

对它的基本原理，仪器结构，和电子系统作ｒ详细描述。

与模拟式的ＳＰＭ仪器相比，全数字化的ＳＰＭ仪器在仪器易维护性，操作的自动化程度，特殊的反馈控制功能的实现，配置灵活性以及开放性等方面有着明显的优势。

针对这套仪器，我们自行开发了一套控制系统软件，它的基本功能包括ＳＰＭ探针的进给和扫描控制，图、、象数据采集，图象实时显示和存储以及正弦波发生器等。

、，、１由于ＳＰＭ仪器的实时性要求很高，并目．ＤＳＰ插卡上的内存地址是事先固定的。

因此必须采用中断技术来实现高速数据采集，此外还必须解决物理内存访问的问题。

本论文成功的解决了ｗｉｎｄｏｗｓ９８平台下的内存物理地址直接读写，Ｉ／Ｏ口读写和中断服务程序编写的难题。

同时运用多线程技术实现了扫描参数的实时改变和扫描图象的实利显示。

ＰＳＴＭ是近场光学显微镜的一种，我们还利用它观察到了倏逝波的驻。

，波条纹和它的偏振效应ｊ本文给出了我们所测到的图象，并且建立了一｝个物理模型来解释这种现象，讨论了它的产生机制，分析了驻波的光强分布，得出了一些有意义的结论。

我们的实验表明，实验结果与理沦计算吻合的很好。

关键ｉ，司ＤＳＰ，扫描隧道显微镜，拗别够乳琵场光学显微镜，Ｗｉｎｄｏｗｓ、ＡｂｓｔｒａｃｔＳＰＭｆａｍｉｌｙｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓＳＴＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ），ＳＮＯＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＮｅａｒ—ＦｉｅｌｄＯｐｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）ａｎｄＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）ｅｔｃ．ＴｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｆｅｅｄｂａｃｋｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＳＰＭｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｒｅａｌｌａｎａｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｄｉｇｉｔａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｉｔｉｓｂａｓｅｄ—ｏｎＤＳＰｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｊｏｉｎｔｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＳＰＭｌａｂａｎｄＳｈａｎｇｈａｉＡｔｏｍｉｃＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｗｅｄｅｓｃｒｉｂｅｉｔｓｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ、ⅣｉｔｈａｎａｌｏｇｙＳＰＭｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌＳＰＭｈａｓｏｂｖｉｏｕｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｅａｓｙ－ｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｎｎｅｓｓ．Ｗｅｄｅｖｅｌｏｐａｓｅｔｏｆｓｙｓｔｅｍ—ｃｏｎｔｒｏｌｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｔｈｅｄｉｇｉｔａｌＳＰＭｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ＩｔｓｂａｓｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅａｐｐｒｏａｃｈｏｆＳＰＭｔｉｐ，ｓｃａｎｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｍａｇｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｉｍａｇｅｒｅａｌ—ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙａｎｄｓａｖｉｎｇａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｏｆｓｉｎｅｗａｖｅｅｔｃ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｒｅａｌ—ｔｉｍｅｈｉ吐ｒｅｑｕｅｓｔｏｆＳＰＭｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｆｉｘｅｄｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｍｏｒｙａｄｄｒｅｓｓｏｆＤＳＰ，ｗｅｍｕｓｔｌｌｓｅｉｎｔｅｒｒｕｐｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．ＭｏｒｅｏｖｅｒｗｅａｌｓｏｎｅｅｄｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｍｏｒｙｄｉｒｅｃｔａｃｃｅｓｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆＩ／０ｐｏｒｔｒｅａｄａｎｄｗｒｉｔｅａｎｄｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓｅｒｖｉｃｅｐｒｏｇｒａｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｅａｌｓｏａｄｏｐｔｍｕｌｔｉ・－ｔｈｒｅａｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔＯａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｒｅａｌ—・ｔｉｍｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅａｌ—ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｐｉｃｔｕｒｅｓ．ＰＳＴＭｉｓａｋｉｎｄｏｆＮｅａｒ－ＦｉｅｌｄＯｐｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．ＷｅｄｅｔｅｃｔｅｄｔｈｅａｎｄＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｅｖａｒｌｅｓｃｅｎｔｂｙｕｓｉｎｇＰＳＴＭ．Ｉｎｓｔａｎｄｉｎｇ—ｗａｖｅｓｔｒｉｐｅｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｓｈｏｗｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｓｗｈｉｃｈｗｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄｂｕｉｌｄａｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｏｅｘｐｌａｉｎｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ｔｈｅｎｗｅｎｏｔｏｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｉｔｓｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｗａｖｅ．ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｂｕｔａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＦｉｎａｌｌｙｗｅｏｂｔａｉｎｓｏｍｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，Ｏｕｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃｏｍｐｕｔｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｃｏｎｓｉｓｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｙｗｅｌｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＳＰ，ＳＴＭ，ＳＮＯＭ，Ｗｉｎｄｏｗｓ中国科技大学顾士论文第一章绪论§１－１扫描探针显微镜的发展史人的眼睛不能直接观察到比０．Ｏｌｍｍ更小的物体或物质的结构细节，借助于光学显微镜，人们可以看到象细菌，细胞那样小的物体。

但是由于光波的衍刳效应，使得传统光学显微镜的分辨极限分辨率是ｏ．２ｕｍ。

为了观察更微小的物体，必须利用波长更短的波作为光源。

根据德布罗意微观粒子波粒二象性的理论，物理学家利用电子在电磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，发明了电子透镜，在此基础上于１９３３年研制成功了第一台电子显微镜（ＥＭ）。

由于在电场中高速运动的电子具有远小于可见光的波长，因而肌具有远高于传统光学显微镜的分辨率。

此后的几十年中，又有许多用于表面结构分析的科学仪器先后问世，如透射电子显微镜（Ｉ＇ＥＭ）、扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、场电子显微镜（ＦＥＭ）、场离子显微镜（ＦＩＭ）、低能电子衍射（ＬＥＥＤ）、俄歇谱仪（ＡＥＳ）、光电子能谱（ＥＳＣＡ）、电子探针等。

这些技术在各自领域的研究中起着重要的作用。

但任何一种技术在应用中都会存在这样或那样的局限性，例如ＬＥＥＤ及ｘ利线等衍射方法要求样品具备周期性结构，传统光学显微镜和ＳＥＭ的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨ＴＥＭ主要用于薄层样品的体相和界面研究，ＦＥＭ和ＦＩＭ只能探测在半径小于ｌＯＯｎｍ的针尖上原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂，可用来做为样品的研究对象十分有限；还有些表而分析技术，如ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）、紫外光电子能谱（ＵＰＳ）和能量损失潜（ＥＬＳ）等只能提供空间平均的电子结构信息；有的技术只能获得问接结果，还需要用理论模型来拟合。

此外，上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求，例如真空条件等。

【１】ｉ９８２年，国际商用机器公司的ｇｅｒｄＢｉｎｉｎｇ博士和ＨｅｉｎｒｉｃｈＲｏｈｒｅｒ博士及其同事们共同研制成功了一种新型的表面分析仪器～扫描隧道显微镜（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，简称ＳＴＭ）心１。

ＳＴＭ的基本原理是基于量子理论的隧道效应，其基本机制是在计算机的控制下，探针在样品表面极近的距离（ｎｍ级）处扫描，在此过程中，计算机完成对样品局域特性一表现为隧道电流的采集。

它的出现，使人类第一次能够实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中自‘着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界卜大科技成就之一。

为了表彰ＳＴＭ的发明者对科学研究的杰出贡献，１９８６年ＧｅｒｄＢｉｎｉｎｇ和ＨｅｉｎｒｉｃｈＲｏｈｒｅｒ被授予诺贝尔物理奖。

与其它表面分析技术相比，ＳＴＭ所具有的独特优点可归纳为以下五点：１：具有原子级的高分辨率，ｓＴＭ在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达到０．１ｎｍ和０．Ｏ］ｎｍ，即可以分辨出单个原子。

２：可实时地获得在实空间中表面的三维图象，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。

这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

３：可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。

因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。

４：可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水或其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。

这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。

５：配合扫描隧道谱（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，简称ＳＴＳ）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

尽管ｓＴＭ有着ＥＭ、ＦＩＭ等仪器所不能比拟的诸多优点，但由仪器本身的工作方式造成的局限性也是显而易见的。

这主要表现在以下二个方面：１：在ｓＴＭ的恒流工作、模式下，有利它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。

在恒高模式下，从原理上这种局限性会有所改善。

但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离时，才能避免这种缺陷。

２：ｓＴＭ所观察的样品必须有一定的导电性，对于半导体，观察的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法观察。

对于非导体，只有表面镀上导电层后才能观察到它的形貌。

由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制图象对真实表面的分辨率。

在ＳＴＭ出现以后，又陆续发展了一系列的新型的扫描探针显微镜，例如：原子力显微镜（ＡＦＭ）、近场光学显微镜（ＳＮ０Ｍ）、激光力显微镜（ＬＦＭ）、磁力显微镜（ＭＥＭ）、弹道电子发射显微镜（ＢＥＥＭ）、扫描离子电导显微镜（ＳＩＣＭ）、扫描热显微镜和扫描隧道电位仪（ＳＴＰ）等等。