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將掃描隧道顯微鏡（Scanning TunnelingMicroscope，STM）和光激發(fā)技術相結合，能夠在原子級的空間分辨下探測對光激發(fā)敏感的動力學過程。這一新型表征技術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)過若干年的探索，該技術已取得較大的進展，但仍然有一些急需突破的困難，同時應用研究的開展還比較少。抑制這一技術發(fā)展的關鍵因素之一是激光輻照下的熱效應。另外，STM系統(tǒng)的控制電路也需要進

2、一步改進，以便能更好地與光激發(fā)技術的相關電路配合操作。
　　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用，開發(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關鍵技術問題:超快脈沖激光誘導的STM針尖熱效應;初步探索了銅箔表面石墨烯的奇異物性，對其微觀結構和電子態(tài)密度做了細致的表征。論文內容包括如下三個部分:
　　1.超快激光耦合掃描隧道顯微鏡的設計與搭建。主要負責STM控制電

3、路中數(shù)字信號采集和控制系統(tǒng)的研發(fā)、設計、制作，并測試了16位的模數(shù)(Analogto Digital，AD)和數(shù)模（Digital to Analog，DA）轉換電路。通過CCS開發(fā)環(huán)境編寫了驅動程序，實現(xiàn)數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）對AD和DA的控制，并完成相關的測試。測試表明: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，達到了設計指標?；谶@些核心

4、電路開發(fā)的光耦合STM控制系統(tǒng)將有望顯著提高兼容性與可擴展性，實現(xiàn)光激發(fā)系統(tǒng)的同步控制和高效耦合。
　　2.超快脈沖激光誘導的STM針尖熱效應的研究。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態(tài)響應，并進行理論模擬。研究表明:針尖熱膨脹的幅度與激光的功率成正比;響應截止頻率下的熱擴散長度和激光光斑的輻照位點線性相關。由于針尖樣品結的等離激元激發(fā)，可見光引起的針尖熱膨

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，會顯著減小熱效應，為進一步發(fā)展光耦合STM實驗技術指明了方向。
　　3.銅表面石墨烯微觀結構的研究。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構和電子態(tài)密度，觀察到了一種新的迷宮狀重構圖樣。該圖樣由石墨烯的“three for six”三角晶格和銅襯底的正交格點組成，利用功能化的STM針尖可以分別對這兩種結構成像。通過掃描隧道譜技術(