專利名稱:掃描隧道顯微鏡用鎢針尖直流制備控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種掃描隧道顯微鏡用鎢針尖直流制備控制電路，屬于納米加工技術(shù)領(lǐng)域：
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通常按材料可以把針尖分成兩種鎢(W)針和PtLr合金針。前者硬度高，耐磨損；但容易在表面產(chǎn)生氧化物(WO3)，所以在使用前需要通過(guò)退火或離子研磨來(lái)去掉氧化層，或者在制備后立即使用。后者化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于加工，但同時(shí)也容易變形，其強(qiáng)度無(wú)法滿足表面加工的要求。
制備STM針尖的方法一般有機(jī)械法和電化學(xué)法兩種。機(jī)械法主要用于PtLr針尖的加工，具體地說(shuō)就是用工具剪切PtLr絲，在斷口處形成針尖。電化學(xué)法是指通過(guò)陽(yáng)極氧化，在W絲或PtLr絲上產(chǎn)生尖端，包括直流法和交流法，其中直流法制成的針尖更尖銳，長(zhǎng)度也更短，所以在使用時(shí)針尖的振動(dòng)較小。通過(guò)電解反應(yīng)使電解液中的W絲被腐蝕，從而在液面處逐漸形成W針尖。
為了制備出盡量理想的W針尖，要求在針尖形成的瞬間及時(shí)切斷電流通路以停止腐蝕W絲過(guò)早無(wú)法形成針尖，太晚則容易把針尖腐蝕鈍(掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用，白春禮編著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992，PP73-76)，而現(xiàn)有技術(shù)中的控制電路復(fù)雜，所用的控制時(shí)間較長(zhǎng)，制備效果不很理想。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案中，設(shè)計(jì)的掃描隧道顯微鏡用鎢針尖直流制備控制電路，將W針尖陽(yáng)極腐蝕電路等效為一個(gè)可變電阻接入控制電路中，可變電阻的一端連接腐蝕電路的陽(yáng)極鎢絲，另一端連接腐蝕電路的陰極環(huán)形銅電極，控制電路采用高增益集成運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓比較器，控制NMOS晶體管的導(dǎo)通和截止，來(lái)控制腐蝕電路電流的通斷。
作為陽(yáng)極的W絲和作為陰極的環(huán)形銅電極置于帶有NaOH溶液的培養(yǎng)皿中。在W針尖制備過(guò)程中，當(dāng)W絲浸入NaOH溶液的部分尚未融斷時(shí)，電流正常流過(guò)W絲，溶液和環(huán)形銅電極，導(dǎo)致陽(yáng)極腐蝕反應(yīng)。當(dāng)W絲融斷的一瞬間，斷點(diǎn)處的電阻會(huì)突然變大，導(dǎo)致電壓比較器的輸入電壓發(fā)生變化，進(jìn)而控制NMOS晶體管工作，以切斷電流通路，完成W針尖制備。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作非常穩(wěn)定，操作也很方便。采用高增益集成運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓比較器，控制NMOS晶體管的導(dǎo)通和截止，反應(yīng)時(shí)間快，能在W絲融斷后迅速切斷電流通路，保證W針尖的曲率半徑足夠小。



及具體實(shí)施方式
為更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例作進(jìn)一步描述。
圖1為本實(shí)用新型控制電路的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為本實(shí)用新型陽(yáng)極腐蝕電路結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，本實(shí)用新型的控制電路主要包括兩個(gè)電壓比較器C1、C2，兩個(gè)NMOS晶體管T1、T2和由腐蝕電路等效的可變電阻Rch。電壓比較器C1的同相輸入端連接電位器R1，電壓比較器C2的反相輸入端連接電壓源V，電壓比較器C1的反相輸入端和電壓比較器C2的同相輸入端連接晶體管T2的源電極，電壓比較器C1的輸出連接晶體管T2的柵電極，并經(jīng)電阻R3連接電源。電壓比較器C2的輸出連接晶體管T1的柵電極，并經(jīng)電阻R2連接電源。晶體管T1的漏電極經(jīng)電阻R4連接電源，晶體管T1的源電極和晶體管T2的漏電極連接等效電阻Rch的A端，等效電阻Rch的B端經(jīng)電阻R5接地。
本實(shí)用新型采用+15V的單電源供電，晶體管T1和T2的產(chǎn)品型號(hào)均為IRFD120。電位器R1采用110kΩ，用于設(shè)定電壓比較器C1的同相輸入端(+)電平，電壓源V用于設(shè)定比較器C2的反相輸入端(-)電平，電阻R2、R3均取值10kΩ，分別為NMOS晶體管T1和T2的輸入端提供直流偏置，電阻R4取值50Ω，R5取值100Ω，為W針尖直流制備裝置的控制電路的輸出級(jí)提供偏置。
當(dāng)W針的陽(yáng)極腐蝕電路等效電阻發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)電壓比較器C1和C2的輸入相應(yīng)發(fā)生變化，分別控制兩個(gè)NMOS晶體管T1和T2導(dǎo)通和截止。從控制電路C，D點(diǎn)處引出的比較器輸出電壓還可以用來(lái)控制發(fā)光二極管LED，以指示裝置的工作狀態(tài)。
控制電路中的等效可變電阻Rch為W針的陽(yáng)極腐蝕電路，阻值一般為幾百歐姆，具體的示意結(jié)構(gòu)見圖2。
如圖2所示，陽(yáng)極腐蝕電路等效為一個(gè)可變電阻Rch，W絲1作為陽(yáng)極，經(jīng)電流表接至圖1控制電路中等效電阻Rch的A端，直徑為5cm左右的環(huán)形銅電極2作為陰極，接至圖1控制電路中即等效電阻Rch的B端，W絲1和環(huán)形銅電極2置于帶有NaOH溶液3的培養(yǎng)皿中，W絲浸入溶液的深度為1mm左右，培養(yǎng)皿的高度為1.5cm左右，直徑為10cm左右。
在W針尖制備過(guò)程中，當(dāng)W絲浸入NaOH溶液的部分尚未融斷時(shí)，電流正常流過(guò)W絲，溶液和環(huán)形銅電極，導(dǎo)致陽(yáng)極腐蝕反應(yīng)。當(dāng)W絲融斷的一瞬間，斷點(diǎn)處的電阻會(huì)突然變大，導(dǎo)致電壓比較器C1的反相輸入電壓和電壓比較器C2的同相輸入電壓發(fā)生變化。比較器的輸出電壓控制NMOS晶體管T2導(dǎo)通和T1截止，以切斷AB間的電流通路，完成W針尖制備。
由于溶液濃度的因素，實(shí)際上每次制備W針時(shí)，W絲融斷時(shí)的B點(diǎn)的電壓不一定都相等，這就需要調(diào)整電位器R1來(lái)調(diào)整比較器的另一個(gè)輸入電壓，使其等于W絲融斷時(shí)的B點(diǎn)電壓。為了使W針尖的形狀對(duì)稱，本實(shí)用新型采用了環(huán)形的銅電極作為陰極。
本實(shí)用新型采用的LM311電壓比較器的反應(yīng)時(shí)間約為200ns，IRFD120的開關(guān)時(shí)間約為70ns，所以能在W絲融斷后300ns內(nèi)切斷電流通路，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)中需要500ns才能切斷的更復(fù)雜的裝置，從而保證了W針尖的曲率半徑足夠小，針尖的直徑在5nm至12nm之間。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R1適當(dāng)降低比較器的比較電壓，還能使針尖的表面更為光滑。
權(quán)利要求
1.一種掃描隧道顯微鏡用鎢針尖直流制備控制電路，其特征在于主要包括兩個(gè)電壓比較器(C1、C2)，兩個(gè)晶體管(T1、T2)和由鎢針尖陽(yáng)極腐蝕電路等效的可變電阻(Rch)，電壓比較器(C1)的同相輸入端連接電位器(R1)，電壓比較器(C2)的反相輸入端連接電壓源(V)，電壓比較器(C1)的反相輸入端和電壓比較器(C2)的同相輸入端連接晶體管(T2)的源電極，電壓比較器(C1)的輸出連接晶體管(T2)的柵電極，并經(jīng)電阻(R3)連接電源，電壓比較器(C2)的輸出連接晶體管(T1)的柵電極，并經(jīng)電阻(R2)連接電源，晶體管(T1)的漏電極經(jīng)電阻(R4)連接電源，晶體管(T1)的源電極和晶體管(T2)的漏電極連接等效電阻(Rch)的A端，等效電阻(Rch)的B端經(jīng)電阻(R5)接地。
2.如權(quán)利要求
1所說(shuō)的掃描隧道顯微鏡用鎢針尖直流制備控制電路，其特征在于等效可變電阻(Rch)的A端連接陽(yáng)極腐蝕電路中作為陽(yáng)極的鎢絲(1)，等效可變電阻(Rch)的B端連接作為陰極的環(huán)形銅電極(2)。
專利摘要
一種掃描隧道顯微鏡用鎢針尖直流制備控制電路，將鎢針尖陽(yáng)極腐蝕電路等效為一個(gè)可變電阻，等效可變電阻的一端連接陽(yáng)極腐蝕電路中作為陽(yáng)極的鎢絲，另一端連接作為陰極的環(huán)形銅電極，鎢絲和環(huán)形銅電極置于帶有NaOH溶液的培養(yǎng)皿中，控制電路采用高增益集成運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓比較器。在W針尖制備過(guò)程中，當(dāng)鎢絲融斷的瞬間，斷點(diǎn)處的電阻變化導(dǎo)致電壓比較器的輸入電壓發(fā)生變化，進(jìn)而控制NMOS晶體管工作，以切斷電流通路，完成W針尖制備。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，操作方便，能在鎢絲融斷后迅速切斷電流通路，保證W針尖的曲率半徑足夠小。
文檔編號(hào)G01Q60/16GKCN2545598SQ02218157
公開日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2002年6月13日
發(fā)明者蔣建飛, 蔡琪玉, 沈波, 黃萍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan