纳米级针尖制备控制系统设计

　　这篇论文主要介绍的是纳米级针尖制备控制系统设计的内容，本文作者就是通过对纳米级针尖制备的相关内容做出详细的阐述与介绍，特推荐这篇优秀的文章供相关人士参考。

　　关键词：扫描隧道显微镜;纳米级针尖;高压电源;测控系统

　　扫描隧道显微镜(STM)测量的是针尖附近的样品电子态分布[1]，针尖越锐利，成像的分辨率越高，因此为了提高STM的分辨率，选用针尖曲率半径更小的探针十分重要，超尖锐的针尖制备成为重要研究目标。制备STM探针的传统方法包括机械剪针法、电化学刻蚀、电子或离子束轰击等方法，但这几种方法均存在一定的不足，无法制备特定曲率半径的针尖。为制备纳米级针尖，我们制备原理是在电化学刻蚀的基础上，进一步利用场致刻蚀技术[2-3]，达到进一步减小针尖尺寸的目的。本文主要介绍场致刻蚀控制系统的设计与实现。

　　1系统工作原理

　　纳米针尖制备是在电化学刻蚀的基础上做场致刻蚀，将原子从针尖剥离，达到将针尖进一步做小的目的，同时，利用场离子显微镜对针尖尖端进行同步成像，该成像能够达到原子级别，因此，可以实现针尖的纳米级制备。场致刻蚀和场离子显微镜包括有多个高压电源，真空系统、荧光屏等。其制备系统如图1所示，左右两侧机柜为电控柜，中间部分为制备及测试腔体、真空系统和气路系统等，蓝白设备为制冷机，其上部为进样杆。为实现对该场发射和场离子显微镜的控制以及采集荧光屏图像，需要对高压电源、真空计、荧光屏等进行采集和控制。控制箱，控制卡，摄像头，电流表，真空计等。该测控系统框图如图2所示，利用NI7841R作为主控板对5路高压电源进行控制。为保证安全性，控制与采集的信号通过一个电控箱做信号隔离。采集两路摄像头信号，分别对场致刻蚀和场离子显微镜进行图像采集。利用一个万用表采集荧光屏电流。通过串口进行采集电流和真空腔体内的真空度。

　　2测控系统实现

　　测控软件基于LabVIEW进行开发，其界面如图3所示，对场致刻蚀和场离子显微镜分别进行控制，左上为高压控制区，左中为电流显示区，右侧为摄像头显示区及相关控制按钮。程序主要包括多路摄像头控制、多串口采集及NI板块控制等，尤其是摄像头数据量比较大，需要显示、存储、视频录制等操作，较为占用资源，为保证程序响应速度及其他扩展功能需求，采用了事件结构、队列式有限状态机、生产者消费者结构进行程序设计，其结构框图如图4所示。主要包括有UI循环、控制消息循环、数据采集循环、摄像头控制循环等，各循环之间通过队列、消息等进行数据的交换和传递。界面控制主要通过事件循环来完成，以实现用户界面操作的快速响应，如图5所示，共有41个事件处理分支，主要包括按钮控制、数值更新、定时处理等，如多个高压电源的控制、启动场致刻蚀、启动场离子显微镜成像、录制视频、记录数据等。事件处理循环一般情况下只做简单的操作，如产生一个消息，消息通过队列传递给消息循环，如图6所示。为保证个别紧急消息得到第一时间处理，可将紧急消息放入队列头部以获取优先处理。消息循环经过分析，拆分动作，再发送相应消息或者控制指令给不同的设备。该循环为一个有限队列状态机，事件循环或者其他循环的消息通过队列发送至本循环，通过先入先出(FIFO)的方式，对消息进行处理。图像处理是本程序一个较为复杂的环节，有多个摄像头，且需要有截图、录制、白平衡调节、亮度调节、屏显功能等，采用NIVision相关组件对摄像头进行控制，如图7所示。在实际使用中，针在完成场致刻蚀之后，进行场离子显微镜成像如图8所示，为单个原子在荧光屏上成像。

　　3结论

　　本文在场粒子显微镜平台上，开发了整套的控制系统，包括搭建了硬件系统和开发了相应的软件，能够稳定、可控地制备纳米级针尖，并拍摄电子发射荧光图像。纳米级针尖的成功制备，将可应用于STM领域，提高成像分辨率。

　　作者：胡贤斌 单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所

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