STM控制系統

      STM 控制系統的功能框圖如圖 1 所示。STM控制系統通常包括數字部分和模擬部分，數字部分包括DAC 和ADC 功能，可以直接采用PC機擴展AD 和 DA 采集卡的方式。模擬部分通常實現為單獨的模塊，主要功能就是完成反饋控制。探針樣品偏置電壓的大小由操作者決定，通過PC機的DA 輸出來提供。隧道電流的設定值也是由操作者來設定，通過DA輸出給反饋控制系統。兩路DA 輸出（DAC-X 和DAC-Y）提供掃描器做光柵掃描的驅動信號。反饋控制系統包括隧道電流的前置放大器(位于STM掃描頭中)，差分放大器，低通濾波器，放大器A4和A5，壓電陶瓷驅動器。

圖 1 STM控制系統的功能框圖

    操作者首先選擇合適的工作參數（隧道電流值和偏置電壓），然后驅動馬達進行探針樣品的粗逼近。在這個階段沒有隧道電流，掃描器在z方向伸長到最大。當探針樣品接近到可以產生可測量的隧道電流時，反饋控制系統控制掃描器z方向收縮。當掃描器z方向的長度處于中間位置時馬達停止。STM開始掃描圖像時，DAC-X和DAC-Y輸出鋸齒波，通過高壓放大器A1和A2 驅動掃描器在XY平面做光柵掃描。掃描過程中反饋系統維持隧道電流恒定。掃描器Z方向的驅動電壓反映了樣品表面形貌的起伏變化，這個電壓被PC 采集記錄，用來形成STM掃描圖像。

    為了獲得局域功函數分布，信號發生器G產生一個正弦信號經過A5放大后給到掃描器z方向。利用鎖相放大器來獲得隧道電流的振幅，這個振幅被PC機記錄形成局域功函數的分布圖。

隧道電流I-V曲線測量的操作如下。首先利用電子開關K短時間斷開反饋控制系統，掃描器z方向的電壓由于電容C的作用仍然維持恒定，因此探針懸停在樣品表面恒定高度。利用DAC-U產生一個鋸齒波U(t)施加在隧道結上，同時記錄隧道電流前置放大器PU 的輸出電壓。完成I-V曲線測量后關閉電子開關K，反饋系統恢復工作。如果需要，重復進行多次IV曲線測量然后去平均。