专利名称:扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路，属于纳米加工技术领域：
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通常按材料可以把针尖分成两种钨(W)针和PtLr合金针。前者硬度高，耐磨损；但容易在表面产生氧化物(WO3)，所以在使用前需要通过退火或离子研磨来去掉氧化层，或者在制备后立即使用。后者化学性质稳定，易于加工，但同时也容易变形，其强度无法满足表面加工的要求。
制备STM针尖的方法一般有机械法和电化学法两种。机械法主要用于PtLr针尖的加工，具体地说就是用工具剪切PtLr丝，在断口处形成针尖。电化学法是指通过阳极氧化，在W丝或PtLr丝上产生尖端，包括直流法和交流法，其中直流法制成的针尖更尖锐，长度也更短，所以在使用时针尖的振动较小。通过电解反应使电解液中的W丝被腐蚀，从而在液面处逐渐形成W针尖。
为了制备出尽量理想的W针尖，要求在针尖形成的瞬间及时切断电流通路以停止腐蚀W丝过早无法形成针尖，太晚则容易把针尖腐蚀钝(扫描隧道显微术及其应用，白春礼编著，上海科学技术出版社，1992，PP73-76)，而现有技术中的控制电路复杂，所用的控制时间较长，制备效果不很理想。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案中，设计的扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路，将W针尖阳极腐蚀电路等效为一个可变电阻接入控制电路中，可变电阻的一端连接腐蚀电路的阳极钨丝，另一端连接腐蚀电路的阴极环形铜电极，控制电路采用高增益集成运算放大器构成电压比较器，控制NMOS晶体管的导通和截止，来控制腐蚀电路电流的通断。
作为阳极的W丝和作为阴极的环形铜电极置于带有NaOH溶液的培养皿中。在W针尖制备过程中，当W丝浸入NaOH溶液的部分尚未融断时，电流正常流过W丝，溶液和环形铜电极，导致阳极腐蚀反应。当W丝融断的一瞬间，断点处的电阻会突然变大，导致电压比较器的输入电压发生变化，进而控制NMOS晶体管工作，以切断电流通路，完成W针尖制备。
本实用新型结构简单，工作非常稳定，操作也很方便。采用高增益集成运算放大器构成电压比较器，控制NMOS晶体管的导通和截止，反应时间快，能在W丝融断后迅速切断电流通路，保证W针尖的曲率半径足够小。
及具体实施方式
为更好地理解本实用新型的技术方案，以下结合附图及具体实施例作进一步描述。
图1为本实用新型控制电路的结构原理图。
图2为本实用新型阳极腐蚀电路结构示意图。
如图1所示，本实用新型的控制电路主要包括两个电压比较器C1、C2，两个NMOS晶体管T1、T2和由腐蚀电路等效的可变电阻Rch。电压比较器C1的同相输入端连接电位器R1，电压比较器C2的反相输入端连接电压源V，电压比较器C1的反相输入端和电压比较器C2的同相输入端连接晶体管T2的源电极，电压比较器C1的输出连接晶体管T2的栅电极，并经电阻R3连接电源。电压比较器C2的输出连接晶体管T1的栅电极，并经电阻R2连接电源。晶体管T1的漏电极经电阻R4连接电源，晶体管T1的源电极和晶体管T2的漏电极连接等效电阻Rch的A端，等效电阻Rch的B端经电阻R5接地。
本实用新型采用+15V的单电源供电，晶体管T1和T2的产品型号均为IRFD120。电位器R1采用110kΩ，用于设定电压比较器C1的同相输入端(+)电平，电压源V用于设定比较器C2的反相输入端(-)电平，电阻R2、R3均取值10kΩ，分别为NMOS晶体管T1和T2的输入端提供直流偏置，电阻R4取值50Ω，R5取值100Ω，为W针尖直流制备装置的控制电路的输出级提供偏置。
当W针的阳极腐蚀电路等效电阻发生变化时，两个电压比较器C1和C2的输入相应发生变化，分别控制两个NMOS晶体管T1和T2导通和截止。从控制电路C，D点处引出的比较器输出电压还可以用来控制发光二极管LED，以指示装置的工作状态。
控制电路中的等效可变电阻Rch为W针的阳极腐蚀电路，阻值一般为几百欧姆，具体的示意结构见图2。
如图2所示，阳极腐蚀电路等效为一个可变电阻Rch，W丝1作为阳极，经电流表接至图1控制电路中等效电阻Rch的A端，直径为5cm左右的环形铜电极2作为阴极，接至图1控制电路中即等效电阻Rch的B端，W丝1和环形铜电极2置于带有NaOH溶液3的培养皿中，W丝浸入溶液的深度为1mm左右，培养皿的高度为1.5cm左右，直径为10cm左右。
在W针尖制备过程中，当W丝浸入NaOH溶液的部分尚未融断时，电流正常流过W丝，溶液和环形铜电极，导致阳极腐蚀反应。当W丝融断的一瞬间，断点处的电阻会突然变大，导致电压比较器C1的反相输入电压和电压比较器C2的同相输入电压发生变化。比较器的输出电压控制NMOS晶体管T2导通和T1截止，以切断AB间的电流通路，完成W针尖制备。
由于溶液浓度的因素，实际上每次制备W针时，W丝融断时的B点的电压不一定都相等，这就需要调整电位器R1来调整比较器的另一个输入电压，使其等于W丝融断时的B点电压。为了使W针尖的形状对称，本实用新型采用了环形的铜电极作为阴极。
本实用新型采用的LM311电压比较器的反应时间约为200ns，IRFD120的开关时间约为70ns，所以能在W丝融断后300ns内切断电流通路，远低于现有技术中需要500ns才能切断的更复杂的装置，从而保证了W针尖的曲率半径足够小，针尖的直径在5nm至12nm之间。此外，通过调节电位器R1适当降低比较器的比较电压，还能使针尖的表面更为光滑。
权利要求
1.一种扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路，其特征在于主要包括两个电压比较器(C1、C2)，两个晶体管(T1、T2)和由钨针尖阳极腐蚀电路等效的可变电阻(Rch)，电压比较器(C1)的同相输入端连接电位器(R1)，电压比较器(C2)的反相输入端连接电压源(V)，电压比较器(C1)的反相输入端和电压比较器(C2)的同相输入端连接晶体管(T2)的源电极，电压比较器(C1)的输出连接晶体管(T2)的栅电极，并经电阻(R3)连接电源，电压比较器(C2)的输出连接晶体管(T1)的栅电极，并经电阻(R2)连接电源，晶体管(T1)的漏电极经电阻(R4)连接电源，晶体管(T1)的源电极和晶体管(T2)的漏电极连接等效电阻(Rch)的A端，等效电阻(Rch)的B端经电阻(R5)接地。
2.如权利要求
1所说的扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路，其特征在于等效可变电阻(Rch)的A端连接阳极腐蚀电路中作为阳极的钨丝(1)，等效可变电阻(Rch)的B端连接作为阴极的环形铜电极(2)。
专利摘要
一种扫描隧道显微镜用钨针尖直流制备控制电路，将钨针尖阳极腐蚀电路等效为一个可变电阻，等效可变电阻的一端连接阳极腐蚀电路中作为阳极的钨丝，另一端连接作为阴极的环形铜电极，钨丝和环形铜电极置于带有NaOH溶液的培养皿中，控制电路采用高增益集成运算放大器构成电压比较器。在W针尖制备过程中，当钨丝融断的瞬间，断点处的电阻变化导致电压比较器的输入电压发生变化，进而控制NMOS晶体管工作，以切断电流通路，完成W针尖制备。本实用新型结构简单，工作稳定，操作方便，能在钨丝融断后迅速切断电流通路，保证W针尖的曲率半径足够小。
文档编号G01Q60/16GKCN2545598SQ02218157
公开日2003年4月16日 申请日期2002年6月13日
发明者蒋建飞, 蔡琪玉, 沈波, 黄萍 申请人:上海交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan