制备扫描隧道显微镜针尖的电路设计

郭宝会

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

制备扫描隧道显微镜针尖的电路设计

郭宝会

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

为了获得质量较好，经济实惠的扫描隧道显微镜针尖，设计了利用电化学腐蚀法制备针尖的控制电路.该电路包括直流腐蚀控制电路和交流腐蚀控制电路，以及利用比较器实现直流控制电路向交流电路跳转的控制电路.经过计算机仿真实验表明随着腐蚀进行，预设实际电压大于预设参考电压时，可以实现比较器反转和交流腐蚀，达到预设的功能，说明该控制电路可以制备理想的扫描隧道显微镜所用的钨针尖.

针尖;电化学腐蚀法;直流腐蚀;交流腐蚀;扫描隧道显微镜

0 引言

扫描隧道显微镜在当今科学研究中起着重要作用［1－2］.扫描隧道显微镜中起关键作用的为扫描隧道显微镜的针尖，它在很大程度上决定着扫描隧道显微镜的性能，因此，针尖制备是非常关键的工艺［3－5］.

常见的扫描隧道显微镜针尖材料有Pt-Ir合金和钨丝，其中前者采用剪刀斜剪切的方法获得针尖，虽然制备方法简单，但是所用材料的价格昂贵.而后者采用化学腐蚀钨丝的方法制备所需针尖，制备方法虽然麻烦，但所用材料的价格相对便宜.化学腐蚀钨丝的方法有直流电化学腐蚀法和交流电化学腐蚀法.直流腐蚀法的优点是所获得的针尖质量较好，缺点是腐蚀速度慢;交流腐蚀的优点是腐蚀速度快，缺点是制作出的针尖不理想，原因是电化学反应剧烈，导致了腐蚀过程的不稳定［6－8］.

针对直、交流腐蚀的优缺点，可以设想如果在电解开始阶段用较大电流，以加快腐蚀速度，这时采用直流法;在最后阶段减小电流，使残端得到修饰，这时采用交流法.利用产生的气泡对针尖上端的保护，加快下部残端的腐蚀.就可以既保障针尖能达到理想参数，又节省时间.

基于以上设想，本文设计了一种电化学腐蚀方法制作钨针尖的直流和交流控制电路，并对其进行了计算机仿真.对该控制电路有以下要求:(1)能在针尖形成的瞬间断电;(2)能够对针尖形状进行不断的修饰［9－10］.

1 实验原理

1.1 腐蚀原理

电化学腐蚀方法制作钨针尖腐蚀装置如图1所示.在电解池中装入KOH溶液，电解池中央是制作针尖的钨丝，它同时作为阳极.阴极是围绕钨丝的不锈钢圆环，阳极和阴极通过引线串接在电流源的正负两个输出端之间.由于表面张力的作用，溶液沿钨丝表面有一定程度的凸起.电化学反应开始后，钨被氧化成为离子，且向下扩散，在一定程度上包裹住钨丝的下半部分，使其与KOH溶液隔离，所以腐蚀基本限制在液面附近的钨丝表面，如图2所示.随着腐蚀的进行，针尖与溶液的接触面积逐渐减小，引线间电阻变大.当钨丝被腐蚀断开之前的瞬间，由于重力作用，钨丝的下半段下落，同时由于形变，在尖端部分形成只有少量原子的针尖.此时，引线间电阻由几百欧姆激增为几十千欧，电路电压随之减小，为防止针尖被继续腐蚀，控制系统应对电压减小信号做出响应，切断腐蚀电源，启动脱离装置，快速从溶液中提取针尖，实现针尖与溶液的快速脱离［3］.

图1 针尖的电化学腐蚀装置

图2 针尖的电化学腐蚀机理

1.2 控制电路的设计

基于实验原理的要求，控制电路所需实现的功能依次为:(1)进行直流腐蚀;(2)进行交流腐蚀;(3)针尖与溶液脱离完成腐蚀.设计出的电路图如图3所示.根据图3，将针尖的实现过程描述如下:

(1)启动:当接通电路后，由C1和R2组成的启动电路起作用，输入A2的电压值在瞬时达到高电位，经过A2、A3比例放大后，LM311的输入端电位必定高于参考电压，保证LM311低电位输出，则电磁继电器不起作用，并且场效应管导通，电路进入直流腐蚀状态.随后C1和R2很快不起作用，若无此启动过程，则电路在开通之后，有可能LM311的输入端电位低于参考电压，使电磁继电器起作用，直接跳过直流腐蚀阶段，与实验设计不符.

(2)直流腐蚀:随着直流腐蚀进行，钨丝逐渐变细，电阻增大导致电路电流减小，LM311的输入端电位也逐渐减小，当输入电位减小到低于参考电压时，LM311改为高电位输出，则电磁继电器起作用，断开直流腐蚀同时启动交流腐蚀电路进入交流腐蚀状态.

(3)交流腐蚀:随着交流腐蚀进行，钨丝继续变细，逐渐达到实验设计的理想针尖的形状，当LM311的输入端电压值小于参考电压时，LM311低电位输出，经A5稳定信号，使电磁继电器起作用，断开了交流接触器的开关，交流接触器由于断电而释放，则烧杯做自由落体运动，实现了电路的迅速断电和针尖与溶液的迅速脱离，至此，针尖腐蚀过程结束.

图3 利用电化学腐蚀法制作针尖的控制电路

2 仿真实验

衡量控制电路优劣的重要标准是能在针尖形成的瞬间断电，图4为仿真实验所使用的直流腐蚀与交流腐蚀结束、针尖脱离溶液的电路图.由仿真软件经过示波器测试，并由仿真电路实验测得直流腐蚀电路中的参考电压为0.8V，比较理想.所以在进行实际电路测量时，将直流腐蚀电路中LM311的参考电压输入端调为0.8V，经实际电路检验可以实现比较器反转，即当电路电压为0.8V时切断直流腐蚀，开始交流腐蚀，交流腐蚀不通过稳压电路，直接接交流电源，腐蚀速度快，所以，比较器的参考电压设置就非常重要.

图4 仿真实验图

另外，腐蚀电压、电流、电解液的浓度都对针尖的曲率半径、纵横比和几何形状有影响，而且不同的电路参数对参考电压的设置也有影响，所以，比较适宜的电路参数对实验来说就显得非常重要，在实验中发现直流电流一般控制在50mA左右，电压在50V以下，电解液选用1—5mol/L的KOH溶液，腐蚀过程中针尖与液面接触处最易腐蚀变细，到达一定程度后，在液面下面残端的重力作用下，发生断裂，形成最后的针尖.这种断裂面往往参差不齐，比较粗糙，有亚针尖的存在，为尽力避免这种现象，钨丝插入溶液的部分不宜过长，以1—3mm为宜.

为了在实验中将腐蚀电压、电流控制在理想范围，我们将限流电阻R13、R13'设置为高功率电阻，以防止烧毁.设置电阻R5、R5'至合适的数值，以调节腐蚀电压.这样就能控制电压电流值到理想范围.

3 结语

本文设计的制备扫描隧道显微镜针尖的控制电路，经过仿真实验能够达到直流腐蚀到交流腐蚀的转化，且交流腐蚀电路可以实现快速切断.

［1］白春礼.扫描隧道显微术及其应用［M］.上海:上海科学技术出版社，1992.

［2］周世勋.量子力学教程［M］.北京:高等教育出版社，1979.

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［7］傅惠南，王宏霞，王晓红，等.SPM探针制造技术的研究和发展［J］.电子显微学报，2005，24(6):622－628.

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［10］牛建龙，吴雪，李枫，等.SPM 钨针尖的制备［J］.物理实验，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

陕西省教育厅科研计划项目(08JK282);渭南师范学院科研计划项目(12YKZ054)

郭宝会(1978—)，男，陕西宝鸡人，渭南师范学院物理与电气工程学院讲师，西北工业大学在读博士.研究方向:近代物理实验.

【责任编辑 牛怀岗】