сканирующий туннельный микроскоп

Формула изобретения

Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий острие, точный пьезопривод острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, блок измерения туннельного тока, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации пульсаций напряжения, высоковольтные усилители напряжения по осям X, Y, Z, коммутатор и блок адаптивного управления, отличающийся тем, что введены цифроаналоговый преобразователь термокомпенсации, подключенный к седьмому выходу блока адаптивного управления, фильтр низких частот, подключенный к выходу цифроаналогового преобразователя термокомпенсации, сумматор, а также цифроаналоговый преобразователь точного управления туннельным промежутком, вход которого подсоединен к первому выходу блока адаптивного управления, второй и третий выходы которого через соответствующие второй и третий каналы коммутатора, два цифроаналоговых преобразователя и два высоковольтных усилителя подсоединены к X, Y-электродам внешней пьезотрубки съемного точного пьезопривода, состоящего из коаксиально расположенных и соединенных торцами внешней пьезотрубки для перемещения острия по осям X, Y и внутренней пьезотрубки для перемещения острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен через первый канал коммутатора с выходом цифроаналогового преобразователя точного управления туннельным промежутком, второй электрод минимальной протяженности соединен с выходом блока компенсации пульсаций напряжения через четвертый канал коммутатора, третий электрод максимальной протяженности соединен с входом блока компенсации пульсаций напряжения и выходом высоковольтного усилителя напряжения по оси Z, вход которого подключен к выходу сумматора, первый вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, а второй вход через пятый канал коммутатора - с четвертым выходом блока адаптивного управления, пятый выход которого соединен с Z-электродами шагового пьезопривода, а шестой - с первым входом блока измерения туннельного тока, первый выход которого подключен к образцу, второй вход - к острию, а второй выход - к первому входу блока адаптивного управления, второй вход которого соединен с шиной обмена данными блока регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, причем блок измерения туннельного тока содержит преобразователь ток-напряжение, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь и высоковольтный усилитель туннельного напряжения, выход которого является первым выходом блока измерения туннельного тока, а вход подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, вход которого является первым входом блока измерения туннельного тока, второй вход которого является входом преобразователя ток-напряжение, выход которого подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является вторым выходом блока измерения туннельного тока, а блок адаптивного управления содержит цифроаналоговый преобразователь, блок адаптивного сближения образца с острием и сигнальный процессор, первый, второй, третий, шестой и седьмой выходы которого являются соответственно первым, вторым, третьим, шестым и седьмым выходами блока адаптивного управления, четвертый выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к четвертому выходу сигнального процессора, пятый выход которого соединен с входом блока адаптивного сближения образца с острием, выход которого является пятым выходом блока адаптивного управления, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами сигнального процессора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также для изучения физико-технологических свойств твердых тел.

Известен сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения [Адамчук В.К., Ермаков А.В., Любинецкий И.В., Житомирский Г.А., Панич А.Е. Сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения. - Приборы и техника эксперимента, 1989, №5, С.182-184], содержащий блок обратной связи для стабилизации туннельного тока, генераторы разверток по осям X, Y и схему сближения образца и иглы.

Недостатком устройства являются его низкие функциональные возможности, быстродействие и точность, обусловленные отсутствием средств адаптации к условиям эксперимента, а также к поверхности исследуемых образцов.

Известен сканирующий туннельный микроскоп [А.с. 1531181, МКИ H 01 J 37/20. А.П.Володин, В.С.Эдельман. Сканирующий туннельный микроскоп], содержащий корпус, трубчатый пьезоэлемент, держатель измерительной иглы, держатель образца и систему управления. Недостатками устройства являются его низкие функциональные возможности, быстродействие и точность, обусловленные отсутствием средств адаптации к условиям эксперимента, а также к поверхности исследуемых образцов.

Известно устройство для исследования топографии проводящей поверхности [А.с. 1709429, Н 01 J 37/285 Д.Г.Соболев, А.Н.Косяков, С.А.Герасимов. Устройство для исследования топографии проводящей поверхности], содержащее пьезоэлектрическую треногу с управляющими электродными системами для привода острия по осям X, Y, Z, а также блоки измерения туннельного тока, управления туннельным промежутком, регистрации топографии, усилитель напряжения, коммутатор и блок компенсации. Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия электрод имеет максимальную протяженность и обеспечивает режим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности обеспечивают режим точного регулирования с компенсацией паразитных перемещений острия, вызванных пульсацией и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя по оси Z. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации.

Недостатками устройства являются его низкие быстродействие и высокая чувствительность к внешним вибрациям, определяемые использованием в качестве пьезодвигателя острия - пьезотреноги, имеющей низкие собственные резонансные частоты. Кроме того, низкие функциональные возможности, быстродействие и точность обуславливаются отсутствием средств адаптации к условиям эксперимента, а также сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов.

Известен сканирующий туннельный микроскоп [Патент РФ №2218629, МКИ H 01 J 37/285. А.М.Липанов, Е.Ю.Шелковников, П.В.Гуляев и др. Сканирующий туннельный микроскоп (прототип)], содержащий острие, точный крестообразного сечения пьезопривод острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блок управления туннельным промежутком, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации, коммутатор, высоковольтный усилитель напряжения по оси Z, блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа и блок адаптивного управления пьезоприводами. Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия электрод имеет максимальную протяженность и обеспечивает режим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности электрод обеспечивают режим точного регулирования с компенсацией паразитных перемещений острия, вызванных пульсацией и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя по оси Z. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации. Блок адаптивного управления пьезодвигателями в процессе сканирования острием поверхности образца варьирует интервал пространственной дискретизации х в зависимости от рельефа поверхности образца, увеличивая скорость сканирования на ровных участках поверхности и уменьшая - на неровных.

К недостаткам устройства можно отнести следующее. Использованный в качестве пьезодвигателя острия пьезоэлемент с крестообразным сечением подвержен температурным дрейфам по оси Z, величина которых может превысить диапазон перемещений, обеспечиваемый электродом точной регулировки по оси Z. Пьезоэлемент крестообразного сечения также имеет (по сравнению с пьезотрубкой) низкую прочность узкого конца для крепления держателя измерительного острия и недостаточную осевую симметрию конструкции. Кроме того, устройство в целом имеет ограниченные функциональные возможности, которые обуславливаются отсутствием средств мониторинга качества зондирующего острия, а также аналоговым принципом построения контура цепи автоматического регулирования, затрудняющим адаптацию устройства к выполняемым экспериментам.

Задача изобретения состоит в создании цифрового сканирующего туннельного микроскопа, который обеспечивает расширение функциональных возможностей, повышение производительности и надежности измерений при увеличении точности устройства.

Задача решается тем, что в сканирующем туннельном микроскопе, содержащем острие, точный пьезопривод острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, блок измерения туннельного тока, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации пульсаций напряжения, высоковольтные усилители напряжения по осям X, Y, Z, коммутатор и блок адаптивного управления, введены цифроаналоговый преобразователь термокомпенсации, подключенный к седьмому выходу блока адаптивного управления, фильтр низких частот, подключенный к выходу цифроаналогового преобразователя термокомпенсации, сумматор, а также цифроаналоговый преобразователь точного управления туннельным промежутком, вход которого подсоединен к первому выходу блока адаптивного управления, второй и третий выходы которого через соответствующие второй и третий каналы коммутатора, два цифроаналоговых преобразователя и два высоковольтных усилителя подсоединены к Х, Y-электродам внешней пьезотрубки съемного точного пьезопривода, состоящего из коаксиально расположенных и соединенных торцами внешней пьезотрубки для перемещения острия по осям X, Y и внутренней пьезотрубки для перемещения острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен через первый канал коммутатора с выходом цифроаналогового преобразователя точного управления туннельным промежутком, второй электрод минимальной протяженности соединен с выходом блока компенсации пульсаций напряжения через четвертый канал коммутатора, третий электрод максимальной протяженности соединен с входом блока компенсации пульсаций напряжения и выходом высоковольтного усилителя напряжения по оси Z, вход которого подключен к выходу сумматора, первый вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, а второй вход - через пятый канал коммутатора с четвертым выходом блока адаптивного управления, пятый выход которого соединен с Z-электродами шагового пьезопривода, а шестой - с первым входом блока измерения туннельного тока, первый выход которого подключен к образцу, второй вход - к острию, а второй выход - к первому входу блока адаптивного управления, второй вход которого соединен с шиной обмена данными блока регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем.

Блок измерения туннельного тока содержит преобразователь ток-напряжение, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь и высоковольтный усилитель туннельного напряжения, выход которого является первым выходом блока измерения туннельного тока, а вход подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, вход которого является первым входом блока измерения туннельного тока, второй вход которого является входом преобразователя ток-напряжение, выход которого подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является вторым выходом блока измерения туннельного тока.

Блок адаптивного управления содержит цифроаналоговый преобразователь, блок адаптивного сближения образца с острием и сигнальный процессор, первый, второй, третий, шестой и седьмой выходы которого являются соответственно первым, вторым, третьим, шестым и седьмым выходами блока адаптивного управления, четвертый выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к четвертому выходу сигнального процессора, пятый выход которого соединен с входом блока адаптивного сближения образца с острием, выход которого является пятым выходом блока адаптивного управления, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом сигнального процессора.

На чертеже изображена структурная схема сканирующего туннельного микроскопа.

Сканирующий туннельный микроскоп содержит съемный точный пьезопривод 1 для перемещения измерительного острия 2 по осям X, Y, Z относительно поверхности образца 3, шаговый пьезопривод 4 сближения образца с острием, блок 5 измерения туннельного тока, блок 6 регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации 7 пульсаций напряжения, коммутатор 8, высоковольтный усилитель 9 напряжения по оси Z, блок 10 адаптивного управления, второй и третий выходы которого через соответствующие второй и третий каналы коммутатора 8, два цифроаналоговых преобразователя 11, 12 и два высоковольтных усилителя 13, 14 подсоединены к X, Y электродам внешней пьезотрубки съемного точного пьезопривода 1, который состоит из коаксиально расположенных и соединенных торцами внешней пьезотрубки для привода острия 2 по осям X, Y и внутренней пьезотрубки для привода острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов 15, 16, 17, из них расположенный ближе к острию электрод 15 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 18 точного управления туннельным промежутком через первый канал коммутатора 8, электрод 16 минимальной протяженности соединен с выходом блока 7 компенсации пульсаций напряжения через четвертый канал коммутатора, электрод 17 максимальной протяженности соединен с входом блока 7 компенсации пульсаций напряжения и выходом высоковольтного усилителя 9 напряжения по оси Z. Вход усилителя 9 подключен к выходу сумматора 19, первый вход которого через фильтр низких частот 21 и цифроаналоговый преобразователь 20 термокомпенсации соединен с седьмым выходом блока адаптивного управления 10, а второй - через пятый канал коммутатора с четвертым выходом блока 10. Пятый выход блока 10 соединен с Z-электродами шагового пьезопривода 4, а шестой - с первым входом блока 5 измерения туннельного тока, первый выход которого подключен к первому электроду (образцу 3) туннельного промежутка, второй игольчатый электрод 2 которого соединен со вторым входом блока 5 измерения туннельного тока, второй выход которого подключен к первому входу блока 10 адаптивного управления, второй вход которого соединен с шиной обмена данными блока 6 регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем.

Блок 5 измерения туннельного тока включает преобразователь 22 ток-напряжение, аналого-цифровой преобразователь 23, цифроаналоговый преобразователь 24 и высоковольтный усилитель 25 туннельного напряжения, выход которого является первым выходом блока 5 измерения туннельного тока, а вход подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 24, вход которого является первым входом блока 5 измерения туннельного тока, второй вход которого является входом преобразователя 22 ток-напряжение, выход которого подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя 23, выход которого является вторым выходом блока 5 измерения туннельного тока.

Блок 10 адаптивного управления включает цифроаналоговый преобразователь 26, блок 27 адаптивного сближения образца 3 с острием 2 и сигнальный процессор 28, первый, третий, шестой и седьмой выходы которого являются соответственно первым, третьим, шестым и седьмым выходами блока 10 адаптивного управления, четвертый выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя 26, вход которого подключен к четвертому выходу сигнального процессора 28, пятый выход которого соединен с входом блока 27 адаптивного сближения образца 3 с острием 2, выход которого является пятым выходом блока 10 адаптивного управления, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом сигнального процессора 28. Коммутатор 8 представляет собой многоканальный электронный коммутатор, управляемый вычислителем блока 6 регистрации топографии исследуемой поверхности и реализующий работу сканирующего туннельного микроскопа в трех режимах: грубого и точного цифрового регулирования, а также заострения острия 2.

Сигнальный процессор 28, цифроаналоговые преобразователи 11, 12, 18, 26, 24, 20, аналого-цифровой преобразователь 23 располагаются вблизи туннельного промежутка, что обеспечивает повышенное значение отношения сигнал/шум за счет применения для передачи и обработки цифровой (а не аналоговой, как в прототипе) измерительной информации.

Сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом. Для сближения образца 3 с острием 2 до возникновения туннельного тока используется шаговый пьезопривод 4. После сближения острия 2 и образца 3 и установления заданного туннельного тока сканирующий туннельный микроскоп может работать в трех режимах. В первом режиме основной контур автоматического регулирования (цифровой отрицательной обратной связи) образуют образец 3, туннельный промежуток, острие 2, блок 5 измерения туннельного тока, сигнальный процессор 28 и цифроаналоговый преобразователь 26 блока 10 адаптивного управления, сумматор 19, высоковольтный усилитель 9 напряжения по оси Z и электрод 17 точного пьезопривода 1. При работе с цифровой отрицательной обратной связью напряжение с выхода преобразователя 22 ток-напряжение (пропорциональное величине туннельного тока) поступает через аналого-цифровой преобразователь 23 в сигнальный процессор 28, где происходит его сравнение с заданным уровнем стабилизации, и с учетом предшествующих отсчетов аналого-цифрового преобразователя 23 изменяется напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя 26, задающее напряжение на электроде 17 пьезопреобразователя 1. Задание весовых множителей позволяет легко модифицировать тип моделируемого программой сигнального процессора 28 закона управления и подбирать оптимальную передаточную функцию цифровой отрицательной обратной связи [Евдокимов А.А., Евдокимов М.В., Евтихиев Н.Н., Платонов Н.С, Сарычев В.Н. Цифровая обратная связь в сканирующем туннельном микроскопе. - Электронная промышленность, 1991, №3. - С.52-53]. Данный режим позволяет "осматривать" большие площади со значительными перепадами высот рельефа исследуемой поверхности образца 3, но при этом разрешение координаты Z составляет несколько нанометров. Этот режим предназначен для начального исследования поверхности. Получив начальное топографическое изображение поверхности, можно выбрать нужный для исследования ее участок и перейти на второй режим точного регулирования. В этом режиме работают два электрода 15 и 17, причем управляющее напряжение на электроде 17 изменяет положение острия 2, если управляющее напряжение, подаваемое на электрод 15, выходит за заданные пределы точного регулирования, которые оцениваются вычислителем 6 с выхода сигнального процессора 28. Контур цифрового точного автоматического регулирования образуют образец 3, туннельный промежуток, острие 2, блок 5 измерения туннельного тока, сигнальный процессор 28, цифроаналоговый преобразователь 18 точного управления туннельным промежутком, электрод 15 точного пьезопривода 1. Использование блока 7 компенсации пульсаций напряжения и второго электрода 16 на пьезоэлементе координаты Z компенсирует перемещения острия 2, вызванные пульсациями и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя 9 по оси Z, подаваемого на электрод 17, под действием нестабильности источников питания и внешних возмущающих воздействий.

При работе в первых двух режимах имеется возможность компенсировать температурные дрейфы микроскопа. Компенсация термодрейфа в плоскости X, Y образца обеспечивается осесимметричной конструкцией точного и шагового пьезоприводов. Основу конструкции съемного точного пьезопривода 1 по осям X, Y, Z составляют две коаксиально расположенные и соединенные торцами пьезокерамические трубки. Внешняя пьезотрубка предназначена для перемещений острия 2 по осям X, Y и выполняет роль грубого компенсатора термодеформаций внутренней трубки, стабилизируя положения острия 2 по оси Z. Для грубой термокомпенсации положения образца 3 по оси Z (и температурной стабилизации туннельного зазора) величина термодрейфа пьезотрубки шагового пьезопривода 4 компенсируется тем, что остальные части конструкции пьезопривода 4 (цилиндрический полый держатель образца 3, цанговые направляющие) выполнены из материала (например, титана), обладающего приблизительно таким же, как и пьезотрубка, коэффициентом температурного расширения. Роль точного компенсатора термодрейфа острия по оси Z выполняет дополнительная цепь регулирования туннельного промежутка [Войтенко С.М., Кунеев В.В., Сапожников И.Д., Голубок А.О. Сканирующий зондовый микроскоп с активной компенсацией Z дрейфа // Зондовая микроскопия - 98. - Материалы Всероссийского совещания: Н.Новгород, ИФМ РАН, С.192-195]. Она образована сигнальным процессором 28, цифроаналоговым преобразователем термокомпенсации 20, фильтром низких частот 21, сумматором 19 и усилителем 9. Для компенсации термодрейфов по оси Z сигнальный процессор "детектирует" присущие им низкочастотные (менее 1 Гц) изменения туннельного зазора и вычисляет поправочную величину, которая поступает на вход цифроаналогового преобразователя 20, а далее на фильтр низких частот 21 и сумматор 19. В сумматоре поправочная величина складывается с основным управляющим сигналом и через усилитель 9 поступает на электрод 17. Компенсация температурных дрейфов позволяет повысить точность получаемой информации, а также облегчить режим работы контура отрицательной обратной связи точного электрода Z, который не может отработать дрейфы значительной величины. Для отключения режима термокомпенсации сигнал на выходе 7 блока адаптивного управления принудительно устанавливается в нулевой уровень.

Для сокращения времени получения изображения поверхности образца 3 и повышения производительности туннельного микроскопа в данном устройстве (как в прототипе) использована нелинейная адаптивная развертка с прогнозированием Z-координаты в точке измерений. С этой целью блок 10 адаптивного управления в процессе сканирования острием 2 поверхности образца 3 варьирует интервал пространственной дискретизации х в зависимости от рельефа поверхности образца 3, увеличивая скорость сканирования на ровных участках поверхности и уменьшая - на неровных. Информация о рельефе поверхности поступает в сигнальный процессор 28, который (используя столбцы растра проскандированной части СТМ-изображения) в начале каждой строки строит прогнозный полином, который экстраполирует на несканированные точки растра. Согласно данным прогноза сигнальный процессор 28 устанавливает текущий интервал строчной дискретизации, который может изменяться в пределах от своего минимального значения (равного Х-шагу обычного линейного СТМ-растра) до максимального (равного длине строки). Для этого в прогнозной последовательности точек строки выделяются квазилинейные участки, для которых интервал дискретизации х устанавливается согласно соотношению х=A/(4Z'_x) (где - нормировочный коэффициент; Z'_x - первая производная на участке профилограммы). При X-перемещении острия 2 от начальной измерительной точки интервала дискретизации к последней цифроаналоговый преобразователь 11 по оси Х и высоковольтный усилитель 13 формируют не обычное равномерное (линейное) наращивание управляющего напряжения, а скачкообразное. В последней точке интервала дискретизации производится измерение ее Z-координаты. Вместо пропущенных при адаптивном сканировании точек строки обычного линейного СТМ-растра используются точки прогнозного полинома. Если измеренная Z-координата в конце интервала дискретизации отличается от прогнозной на величину, большую допустимой ошибки, то производится пересканирование строки с использованием обычной линейной развертки.

Во избежание потери работоспособности острия 2 во время его возможных касаний поверхности образца 3 перед началом Х-перемещений острия 2 сигнальный процессор 28 через цифроаналоговый преобразователь 26, пятый канал коммутатора 8, сумматор 19 и высоковольтный усилитель 9 по оси Z отводит острие 2 на безопасное прогнозное расстояние, равное сумме туннельного зазора и (умноженного на коэффициент запаса) прогнозного максимального значения Z-координаты этого участка профилограммы поверхности.

С целью повышения точности измерений Z-координаты использован (как в прототипе) компенсационный метод с применением прогнозного значения Z-координаты в точке измерений и с программной реализацией метода на основе сигнального процессора 28.

В третьем режиме работы микроскопа осуществляется процесс заострения измерительной иглы, при этом проверка качества острия иглы может реализоваться двумя способами. В первом способе [Сканирующий зондовый микроскоп. Руководство пользователя P47-SPM-MDT. - ИФП, NT-MDTCo, Зеленоград, 1997. - С.57-60] эта проверка осуществляется по контролю спада туннельного тока. Если спад тока в два раза происходит при увеличении Z туннельного промежутка от 0 до 3Å, игла считается очень хорошей; при Z<10Å игла еще позволяет получить атомное разрешение; при Z>20Å иглу следует заменить.

Во втором предложенном способе для контроля остроты иглы и ее возможного затупления измеряются две пары значений тока через туннельный зазор. Первая пара - перед экспериментом для заведомо острой (новой) иглы, вторая пара - во время или после эксперимента. Оператор задает значение калибрующей величины туннельного зазора (установкой ). При этом на выходе блока 5 измерения туннельного тока регистрируется пропорциональное току через туннельный зазор значение .

Далее программно размыкается контур цифровой отрицательной обратной связи с сохранением величины туннельного зазора (путем подачи с выхода цифроаналогового преобразователя 26 его сохраненного (и соответствующего калибрующему туннельному зазору) напряжения на вход высоковольтного усилителя 9 по оси Z), а на острие 2 с первого выхода блока 5 измерения туннельного тока подается переменное (калибрующее) напряжение (например, синусоидальное). Через суммарную емкость туннельного зазора иглодержатель с острием 2 - держатель образца с образцом 3 протекает переменный ток, величина которого обратно пропорциональна расстоянию между обкладками конденсатора, образованного иглодержателем с острием 2 и держателем образца с образцом 3 (и, соответственно, величине туннельного зазора). На выходе преобразователя ток-напряжение 22 измеряется пропорциональное току через туннельный зазор амплитудное значение .Вторая пара значений и измеряется после эксперимента следующим образом. Сначала устанавливается прежняя калибрующая величина туннельного зазора. Для этого изменением величины зазора добиваются равенства (при этом емкость туннельного зазора используется для создания емкостного метода измерения малых перемещений), а затем измеряют

Известно, что по своей природе ток через туннельный зазор при достаточно малых значениях этого зазора (˜5-10Å) и достаточно малых значениях приложенного к зазору туннельного напряжения (˜0,01-1В) является туннельным, а при достаточно больших значениях этого зазора (˜30-100Å) и достаточно больших значениях туннельного напряжения (˜10-30В) становится из туннельного автоэмиссионным (или, другими словами, током полевой эмиссии) [Янг Р.Д., Уорд Дж., Скайер Ф. Прибор для исследования микротопографии поверхности // ПНИ, 1972. - №7 - С.36-49].

Также известно [Nagaoka К. et al. Field Emission Spectroscopy From Field-Enhanced Diffuson-Growth Nano-Tips // Applied Surface. Science. - 2001. - V.182. - P.12-19], что величина тока полевой эмиссии для острой иглы значительно (˜ на 1-3 порядка) выше, чем для тупой иглы (при одинаковом туннельном зазоре). Поэтому при проверке остроты иглы ток полевой эмиссии через калибрующий туннельный зазор в случае затупления острия 2 станет значительно меньше. Следовательно, и значение станет значительно меньше значения , что будет являться признаком затупления острия 2.

После обнаружения затупления иглы ( ) осуществляется операция очистки и заострения острия иглы следующим образом. Программно осуществляется отключение контура цифровой отрицательной обратной связи (с сохранением величины туннельного зазора) и начинается процесс полевой диффузии (на игле формируется потенциал, отрицательный относительно образца). В процессе диффузии происходит эмиссия электронов с кончика зондирующего острия 2 и при достижении напряженности поля порядка ˜1В/Å на конце острия формируется атомарно-острый микровыступ [Nagaoka К. et al. Field Emission Spectroscopy From Field-Enhanced Diffuson-Growth Nano-Tips // Applied Surface. Science. - 2001. - V.182. - P.12-19]. Однако, поскольку поверхность иглы воздушного СТМ не является очищенной от примесей, то микровыступ (сформированный полевой диффузией) оказывается состоящим из адсорбированных атомов примесей. Затем начинается процесс удаления этого "грязного" микровыступа методом полевого испарения (на игле формируется потенциал, положительный, относительно образца), при котором значение напряженности поля меньше, чем необходимо для удаления атомов основного материала острия (˜3 В/Å) (но достаточного для удаления атомов примесей). Далее начинается процесс заострения "рабочего" микровыступа (с которого происходит туннелирование электронов при работе микроскопа) с помощью удаления атомов материала острия полевым испарением при создании поля напряженностью ˜6В/Å. Процесс заострения контролируется программой сигнального процессора 28, которая сравнивает значения и . При достижении равенства (а, следовательно, и необходимого радиуса кривизны микроострия) сигнальный процессор 28 формирует сигнал окончания процесса заострения.

Следует отметить, что в прототипе использовался контур аналоговой отрицательной обратной связи, при этом блок управления туннельным промежутком (его функции в предложенном устройстве выполняют сигнальный процессор 28, цифроаналоговый преобразователь 26 грубого управления туннельным промежутком, цифроаналоговый преобразователь 18 точного управления туннельным промежутком) содержал логарифмический усилитель для линеаризации выходного напряжения, пропорционального величине туннельного тока, схему сравнения в виде линейного усилителя с дифференциальным входом и корректирующие цепи для обеспечения стабилизации туннельного тока. Применение цифровой отрицательной обратной связи в предложенном устройстве позволяет программным путем изменять его параметры и характеристики, эффективнее выполнять функции управления, контроля, цифровой обработки, реализовать новые специализированные возможности. Таким образом реализуются возможности многоцелевого сканирующего туннельного микроскопа, существенно уменьшаются объем и роль аналоговой части микроскопа за счет реализации части ее функций в виде алгоритмов в программе для сигнального процессора 28.

Предложенный сканирующий туннельный микроскоп обладает более широкими функциональными возможностями, более высокой производительностью, малым временем получения СТМ-изображений (обусловленными быстрым сканированием, адаптированным к рельефу исследуемой поверхности), повышенной надежностью работы (обеспечиваемой заменой точного пьезопривода крестообразного сечения на пьезотрубку), повышенной точностью измерений (определяемой введением операции обнаружения затупления иглы с ее последующим заострением), а также повышенным значением отношения сигнал/шум (за счет применения для передачи и обработки цифровой, а не аналоговой, как в прототипе, измерительной информации), что обеспечивается расположением сигнального процессора 28, цифроаналоговых преобразователей 11, 12, 18, 24, 26 и аналого-цифрового преобразователя 23 вблизи туннельного промежутка.