用于扫描隧道显微镜的低噪声前置电流放大器

作     者：唐海涛 米壮 王文宇 唐向前 叶霞 单欣岩 陆兴华 Tang Hai-Tao;Mi Zhuang;Wang Wen-Yu;Tang Xiang-Qian;Ye Xia;Shan Xin-Yan;Lu Xing-Hua

作者机构：中国科学院物理研究所应用物理中心北京10019 中国科学院大学物理学院北京100190 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2024年第73卷第13期

页      面：20-27页

核心收录：

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:11727902,21961142021) 北京市自然科学基金(批准号:4181003)资助的课题 

主　　题：扫描隧道显微镜 前置电流放大器 散粒噪声 

摘      要：前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜系统的前置电流放大器.该放大器最灵敏档位(1 GΩ)的噪声低至4 fA/(Hz)1/2,带宽为2.3 kHz,具有10 MΩ,100 MΩ和1 GΩ三个测量量程并且可以通过控制信号实现自动切换,测量范围覆盖pA—μA量级的隧穿电流.利用该前置电流放大器展示了扫描隧道显微镜系统的主要功能,包括表面形貌表征、扫描隧道谱测量以及原子搬运,并探索了隧穿电流中散粒噪声的测量.通过散粒噪声随隧穿电流的变化关系,得到隧穿结中散粒噪声的法诺因子约等于1,验证了简单金属隧穿结中电子隧穿满足泊松过程,为表面电子关联体系的高精度表征提供了基础.