Устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа

Изобретение относится к сканирующей туннельной спектроскопии и может быть использовано в зондовых микроскопах и приборах на их основе. Устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа, вход которого подключен к системе стабилизации высоты острия микроскопа, содержит последовательно соединенные дифференциатор, экстраполятор и формирователь модуля. Регулировка величины интервала экстраполяции осуществляется источником, подключенным к экстраполятору. Выход формирователя модуля соединен с дифференциальным усилителем, на второй вход которого поступает сигнал установки. Выход дифференциального усилителя подключен к цепи из последовательно соединенных ограничителя, интегратора и блока управления переводом строки, в которой выходы интегратора и блока управления переводом строки являются выходами строчной и кадровой развертки микроскопа соответственно. Технический результат: повышение точности управления скоростью сканирования. 2 ил.

 

Изобретение относится к сканирующей туннельной микроскопии и может быть использовано в зондовых микроскопах и приборах на их основе.

В сканирующей туннельной микроскопии наиболее распространены пилообразные сигналы развертки (сканирования) [А.С. №1453475, МПК Н 01 J 37/26. М.С.Хайкин. Сканирующий туннельный микроскоп], формируемые цифроаналоговым способом с помощью ЭВМ либо с помощью аналоговых генераторов. Недостатком пилообразных сигналов является то, что скорость сканирования поверхности при их использовании постоянна, а это ограничивает быстродействие микроскопа при исследовании плоских участков поверхности.

Так, например, известен туннельный микроскоп [Адамчук В.К., Ермаков А.В., Любинецкий И.В., Житомирский Г.А., Панич А.Е. Сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения // ПТЭ, - 1989. - №5. - С.182-184], в котором управление манипулятором острия в процессе сканирования осуществляется посредством двух генераторов линейной и кадровой развертки Г_Х, Г_Y. Недостатком микроскопа является то, что работа генераторов развертки не зависит от сканируемого рельефа. В результате пологие и крутые участки исследуемой поверхности сканируются с одинаковой скоростью, что снижает производительность микроскопа.

Наиболее близким по составу и сущности к заявляемому является устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа [А.С. 1704191, МПК Н 01 J 37/00. В.Н.Горелов, В.И.Тарабуркин. Способ управления скоростью сканирования туннельного микроскопа и устройство для его осуществления]. Устройство содержит последовательно соединенные дифференциатор, формирователь модуля сигнала, дифференциальный усилитель, ограничитель, интегратор и блок управления переводом строки. При этом один из входов дифференциального усилителя соединен с выходом формирователя модуля сигнала, а другой - с источником сигнала установки. Устройство позволяет регулировать скорость горизонтального сканирования поверхности в зависимости от ее рельефа. Недостатком устройства является то, что между моментом определения скорости изменения рельефа поверхности и моментом выдачи управляющего сигнала, зависящего от этой скорости, имеется некоторый интервал времени. Он обусловлен задержкой сигнала при распространении по цепи устройства, т.е. затратами времени на осуществление операций дифференцирования, взятия модуля, ограничения, интегрирования. В результате в момент выдачи управляющего сигнала, соответствующего рельефу в определенной точке поверхности, острие микроскопа будет находиться уже в другой точке поверхности, с другим рельефом. Это означает, что управляющий сигнал будет постоянно запаздывать, за счет чего снизится точность регулирования скорости.

Задачей изобретения является повышение точности регулирования скорости сканирования туннельного микроскопа.

Задача решается тем, что в известное устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа, содержащее дифференциатор, формирователь модуля сигнала, дифференциальный усилитель, первым и вторым входами подключенный соответственно к выходам формирователя модуля и источнику сигнала установки, а выходом подключенный к цепи из последовательно соединенных ограничителя, интегратора и блока управления переводом строки, в которой выходы интегратора и блока управления переводом строки являются выходами строчной и кадровой развертки микроскопа соответственно, введены экстраполятор и источник величины интервала экстраполяции, при этом выход дифференциатора соединен с первым входом экстралолятора, второй вход которого подключен к источнику величины интервала экстраполяции, а выход подключен к формирователю модуля сигнала.

Устройство осуществляет управление скоростью сканирования поверхности в туннельном микроскопе в зависимости от скорости изменения высоты рельефа поверхности (крутизны профиля). Повышение точности обеспечивается тем, что после установления текущей крутизны профиля поверхности посредством экстраполяции определяется ее значение через промежуток времени, необходимый для формирования выходного управляющего сигнала, причем величина управляющего сигнала устанавливается уже в соответствии с экстраполированным значением крутизны. За счет этого скорость сканирования будет более точно соответствовать рельефу исследуемой поверхности.

На фиг.1 представлена схема устройства, а на фиг.2 - схема экстраполятора.

Устройство содержит дифференциатор 1, вход которого соединен с системой стабилизации высоты острия туннельного микроскопа, а выход с первым входом экстраполятора 2. На второй вход экстраполятора 2 поступает сигнал с источника 3 величины интервала экстраполяции. Выход экстраполятора 2 соединен с формирователем 4 модуля сигнала, выход которого поступает на первый вход дифференциального усилителя 5. Второй вход элемента 5 соединен с источником сигнала установки 6, а выход с входом ограничителя 7. Выход ограничителя 7 соединен с интегратором 8, выходной сигнал подается на привод острия и блок 9 управления переводом строки.

Устройство работает следующим образом. Сигнал Z(t) с системы стабилизации туннельного зазора, соответствующий высоте рельефа поверхности, поступает на вход дифференциатора 1. Продифференцированный сигнал поступает на вход экстраполятора 2, в котором посредством экстраполяции осуществляется коррекция величины , с учетом динамики ее изменения за промежуток времени Δτ. Величина Δτ определяется интервалом времени, необходимым устройству для определения скорости сканирования, соответствующей входному сигналу Z(t). Возможное устройство блока 2 (для простейшего случая экстраполяции) представлено на фиг.2. Входной сигнал экстраполятора одновременно подается на дифференцирующее устройство 10 и элемент задержки 11. Сигнал с выхода блока 10 поступает на первый вход умножителя 12, второй вход которого соединен с источником 3 величины Δτ интервала экстраполяции. В результате на выходе блока 12 будет присутствовать сигнал, равный . Время вычисления τ_в этого сигнала и постоянная времени элемента задержки 11 равны, поэтому на вход сумматора 13 одновременно поступают сигналы и . В результате на выходе сумматора 13 имеет место сигнал вида , что соответствует экстраполированному значению скорости изменения высоты рельефа поверхности, через промежуток времени Δτ. Если интервал Δτ не слишком велик, то величина Z₁(t) с достаточной достоверностью соответствует реальной крутизне профиля. Далее величина Z₁(t) поступает на формирователь модуля сигнала 4, выходной сигнал которого сравнивается дифференциальным усилителем 5 с сигналом установки источника 6. Выходной сигнал с усилителя 5 (при единичном коэффициенте усиления) поступает на ограничитель 7, который (аналогично ограничителю прототипа [3]) осуществляет преобразование следующего типа:

где - крутизна профиля строки; - быстродействие привода острия микроскопа при перемещении в вертикальном направлении Z; - быстродействие привода острия микроскопа при перемещении в плоскости сканирования XY. Скорость сканирования на выходе блока 7 ограничена либо величиной , либо величиной, соответствующей максимальной скорости движения острия в вертикальном направлении. В результате на пологом участке поверхности скорость сканирования будет максимальна, а на крутом участке она будет находиться на уровне, достаточном для максимально быстрого вертикального перемещения острия в соответствии со сканируемым рельефом.

Сигнал с выхода ограничителя 7, соответствующий скорости сканирования, поступает на интегратор 8. Выходной сигнал x(t) с интегратора 8 управляет приводом сканирования по оси Х и блоком управления переводом строки 9, который управляет перемещением острия вдоль оси Y.

Таким образом, использование в устройстве экстраполятора позволяет определять величину изменения крутизны профиля поверхности за промежуток времени, необходимый для вычисления управляющего воздействия, устанавливать это управляющее воздействие с учетом изменений крутизны профиля и повысить за счет этого точность управления скоростью сканирования.

Устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа, содержащее дифференциатор, формирователь модуля сигнала, дифференциальный усилитель, первым и вторым входами подсоединенный соответственно к выходам формирователя модуля и источнику сигнала установки, а выходом подключенный к цепи из последовательно соединенных ограничителя, интегратора и блока управления переводом строки, в которой выходы интегратора и блока управления переводом строки являются выходами строчной и кадровой развертки микроскопа соответственно, отличающееся тем, что в него введены экстраполятор и источник величины интервала экстраполяции, при этом выход дифференциатора соединен с первым входом экстраполятора, второй вход которого подключен к источнику величины интервала экстраполяции, а выход подсоединен к формирователю модуля сигнала.