趕快激光耦合掃描隧道顯微鏡的研制和功能化材料的研究.pdf

1、光耦合掃描隧道顯微鏡技術(shù)將掃描隧道顯微鏡（Scanning TunnelingMicroscope，STM）和光激發(fā)技術(shù)相結(jié)合，能夠在原子級(jí)的空間分辨下探測(cè)對(duì)光激發(fā)敏感的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這一新型表征技術(shù)有望能幫助研究人員在一些功能化材料如石墨烯中得到新的信息。經(jīng)過(guò)若干年的探索，該技術(shù)已取得較大的進(jìn)展，但仍然有一些急需突破的困難，同時(shí)應(yīng)用研究的開(kāi)展還比較少。抑制這一技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是激光輻照下的熱效應(yīng)。另外，STM系統(tǒng)的控制電路也需要進(jìn)

2、一步改進(jìn)，以便能更好地與光激發(fā)技術(shù)的相關(guān)電路配合操作。
　　本論文圍繞低溫超高真空超快激光耦合掃描隧道顯微鏡的研制與應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了STM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制的核心電路;研究了超快脈沖激光與掃描隧道顯微鏡耦合的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:超快脈沖激光誘導(dǎo)的STM針尖熱效應(yīng);初步探索了銅箔表面石墨烯的奇異物性，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度做了細(xì)致的表征。論文內(nèi)容包括如下三個(gè)部分:
　　1.超快激光耦合掃描隧道顯微鏡的設(shè)計(jì)與搭建。主要負(fù)責(zé)STM控制電

3、路中數(shù)字信號(hào)采集和控制系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制作，并測(cè)試了16位的模數(shù)(Analogto Digital，AD)和數(shù)模（Digital to Analog，DA）轉(zhuǎn)換電路。通過(guò)CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫了驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）對(duì)AD和DA的控制，并完成相關(guān)的測(cè)試。測(cè)試表明:AD和DA聯(lián)合系統(tǒng)的正常輸出誤差和噪聲均小于1mV。系統(tǒng)可以滿足高精度和低噪聲要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)?；谶@些核心

4、電路開(kāi)發(fā)的光耦合STM控制系統(tǒng)將有望顯著提高兼容性與可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)光激發(fā)系統(tǒng)的同步控制和高效耦合。
　　2.超快脈沖激光誘導(dǎo)的STM針尖熱效應(yīng)的研究。利用不同波段的(177nm～800nm)超短脈沖激光系統(tǒng)，我們深入研究了STM針尖在脈沖激光輻照下的熱膨脹動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)行理論模擬。研究表明:針尖熱膨脹的幅度與激光的功率成正比;響應(yīng)截止頻率下的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度和激光光斑的輻照位點(diǎn)線性相關(guān)。由于針尖樣品結(jié)的等離激元激發(fā)，可見(jiàn)光引起的針尖熱膨

5、脹顯著大于近紅外和深紫外激光。這一發(fā)現(xiàn)表明，使用不易激發(fā)等離子體的光源，如深紫外激光，會(huì)顯著減小熱效應(yīng)，為進(jìn)一步發(fā)展光耦合STM實(shí)驗(yàn)技術(shù)指明了方向。
　　3.銅表面石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的研究。我們利用低溫掃描隧道顯微鏡研究了銅箔表面石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度，觀察到了一種新的迷宮狀重構(gòu)圖樣。該圖樣由石墨烯的“three for six”三角晶格和銅襯底的正交格點(diǎn)組成，利用功能化的STM針尖可以分別對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)成像。通過(guò)掃描隧道譜技術(shù)(