扫描探针电子能谱仪控制系统的研制

扫描探针电子能谱技术是将扫描探针显微术( SPM) 与电子能谱测量技术相结合而发展起来的，其目的是在得到样品表面形貌的同时对固体表面丰富的能谱信息进行研究。它的最初思想来自于 Reihl 和 Gimzewski 的“场发射扫描俄歇谱仪”( FESAM)［1］，其后日本的 Tomitori组将 STM 与传统的静电型能量分析器相结合进行了俄歇电子谱测量［2 －5］，而 Miyatake 组用不同的 STM 针尖研究了针尖屏蔽对 SPEES 测量俄歇电子谱的影响［6 －7］。英国的 Palmer 组利用半球分析器( HSA) 测量样品表面受 STM针尖场发射电子激发的背散射电子，研究了样品表面的表面等离激元［8 －10］、带间跃迁［10］和局域二次电子能谱［11 －14］。然而在这些实验中所使用的能量分析器多为半球分析器，只能探测某一固定方向上很小立体角内的电子，收集效率太低，因而很难进行空间扫描的测量。只有 Palmer 组在 2004 年进行过空间分辨实验［15］，但是实验中所用能量分析器为减速栅，所得能谱质量很差。

我们实验室将一台环形电子能量分析器( TEEA)［16 －17］与扫描探针系统结合起来，建造了一台扫描探针电子能谱仪( SPEES)［18 －23］。由于 TEEA 能够同时进行角度和能量多道测量，大大提高了谱仪的探测效率，使得空间分辨研究成为可能［20］。本文报道了这台谱仪控制系统的研制，包括针尖扫描控制与能谱扫描控制，以及利用 LabVIEW( Laboratory Virtual In-strument Engineering Workbench) 语言开发的控制系统软件。

1 SPEES 及控制系统简介

SPEES 的结构示意图见文献［20 ］。总体来说，SPEES 由扫描探针系统和能量分析器两部分构成。其中，扫描探针系统的主体是由三片压电陶瓷步进滑片( MS5，OMICRON) 组装而成的三维扫描装置，扫描步长从 40 nm ～ 400nm 可调。能量分析器用的是 TEEA［16 －17］，其探测方位角范围为245°，在100 eV 通过能下线性能窗 6． 5 eV，能量分辨 0． 86 eV［21］。SPEES的供电及控制接线见图 1，其中虚线框出的部分为控制系统。MSCU 控制器( OMICRON) 是为 MS5 配套的供电及控制单元，通过 RS232 口与计算机连接，能够分别驱动 3 路 MS5 工作。针尖偏压由一台 － 1． 5 kV 电源提供( ES1．5N4，Matsusada) ; 样品电流被一台皮安电流表( 6485，Keithley) 读出，其数值可以通过 RS232口输入计算机。从 TEEA 的接线图中可以看到，I3 电极与 O1 电极是连在一起的，其电压 Vp由一台 250 V 电源( XT250，Xantrex) 浮置在一台 －100 V 扫描电源上提供。改变 Vp的大小可以改变进入 TEEA 球体电子的能量，因此扫描Vp能够实现能谱的扫描测量。扫描电源的输出电压由一个 0 V ～ 10 V 的信号控制，该信号可以从 SPEES 数据采集系统［19］所用的采集卡( NI6110，National Instruments) 中输出，信号大小受计算机控制。浮置电源的作用是增加 Vp的扫描范围，在 100 eV 的通过能下，通过改变浮置电源的大小及极性，可以用分段扫描的方法测量 －150 eV ～450 eV 范围的电子能谱( 实际有用的范围是 0 eV ～450 eV) 。