【摘 要】
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在物质表界面科学研究领域,针尖增强拉曼光谱技术（TERS）由于能够同时提供纳米尺度空间分辨率和单分子检测灵敏度而得到日益关注。TERS系统是通过扫描探针显微镜（SPM）与拉曼光谱仪联用而成,而作为SPM重要分支的扫描隧道显微镜（STM）在TERS研究过程发挥了重要作用。目前,许多研究机构将拉曼光谱仪器和商品化STM直接简单联用搭建TERS,但是由于STM结构封闭,使得组合而成的TERS仪器开放性不
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在物质表界面科学研究领域,针尖增强拉曼光谱技术（TERS）由于能够同时提供纳米尺度空间分辨率和单分子检测灵敏度而得到日益关注。TERS系统是通过扫描探针显微镜（SPM）与拉曼光谱仪联用而成,而作为SPM重要分支的扫描隧道显微镜（STM）在TERS研究过程发挥了重要作用。目前,许多研究机构将拉曼光谱仪器和商品化STM直接简单联用搭建TERS,但是由于STM结构封闭,使得组合而成的TERS仪器开放性不足,难以适应多变的实验场景,所以本文针对小型一体化TERS仪器需求,研制一套体积小、开放式的STM系统,以改善STM在TERS系统中的耦合度和适用性问题。本文研制了一套完整的STM,包括设计机械结构、控制电路以及控制程序。在机械结构上,设计以步进电机为驱动的步进机构实现快速自动进针;采用压电陶瓷作为位移驱动器,电容传感器为位移传感器设计三维纳米定位平台,可以搭载样品完成高精度扫描运动;设计针尖扫描头用于安装针尖和对安置在其内部的电路进行保护与屏蔽。控制电路采用模块化设计,采用ARM和FPGA双核架构搭建控制核心电路,ARM主要进行上位机通信和数据处理,FPGA实现对外围电路的控制。控制程序设计上,在ARM上搭建操作系统以提高系统运行效率,设计数字PID控制算法进行闭环控制提高定位稳定性,以Verilog HDL语言对FPGA进行硬件描述,编写出FMC通信、A/D转换、D/A转换以及步进电机的工作时序。通过测试,本文设计的STM系统的扫描范围达到2μm*2.2 μm*2.9 μm,定位精度优于5nm,电流检测分辨率优于50pA,最后通过形貌测量实验证明本文设计的STM系统达到了预期的使用要求。
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