分类： 工程与技术科学 >> 物理学相关工程与技术 分类： 工程与技术科学 >> 仪器仪表技术 分类： 电子与通信技术 >> 电子技术 分类： 物理学 >> 交叉学科物理及相关领域的科学与技术 提交时间： 2024-04-16
摘要： 本文提出了一种用于低温扫描隧道显微镜(CryoSTM)的跨阻放大器(TIA)设计方案。在CryoSTM中带有尖端样品成分的TIA称为CryoSTM-TIA。该CryoSTM-TIA的跨阻增益在1Gohm，而其带宽大于300kHz。所提出的CryoSTM-TIA的独特特点是其前置放大器由单个低温高电子迁移率晶体管(HEMT)制成，因此在100kHz时仪器等效输入噪声电流功率谱密度低于4(fA)2/Hz。此外，应用“偏置冷却法”可用于原位控制HEMT掺杂区冻结DX-中心的密度，改变其结构以降低器件噪声。利用该仪器，可以进行高能量分辨率的快速扫描隧道光谱测量。并且，它能够测量各种量子系统在原子尺度上的扫描隧道散粒噪声谱(STSNS)，即使散粒噪声非常低。它为通过测量STSNS来研究新的量子态提供了一个强大的工具，例如检测拓扑量子系统中马约拉纳束缚态的存在。
分类： 电子与通信技术 >> 电子技术 分类： 工程与技术科学 >> 物理学相关工程与技术 分类： 物理学 >> 交叉学科物理及相关领域的科学与技术 分类： 工程与技术科学 >> 仪器仪表技术 提交时间： 2023-05-01
摘要： In this work, a design of large-bandwidth high-gain low-noise transimpedance amplifier (TIA) for scanning tunneling microscope (STM) is proposed. The simulations show that the proposed TIA has the bandwidth higher than 200 kHz, two orders of magnitude higher than those of conventional commercial TIAs for STM. At low frequencies, the noises of the proposed TIA are almost the same as the conventional commercial ones with the same transimpedance gain. At high frequencies, its calculated input equivalent noise voltage power spectral density (PSD) is 40 (nV)2/Hz and its input equivalent noise current PSD is 3.2 (fA)2/Hz at 10 kHz. The corresponding values are 23 (nV)2/Hz and 88 (fA)2/Hz at 100 kHz. The STM with the proposed TIA can meet the needs of fast high-quality STM imaging measurements and fast high-energy-resolution scanning tunneling spectra measurements for the low-conducting materials, such as complex organic systems and wide bandgap semiconductors.
分类： 工程与技术科学 >> 物理学相关工程与技术 分类： 工程与技术科学 >> 仪器仪表技术 分类： 电子与通信技术 >> 电子技术 分类： 物理学 >> 交叉学科物理及相关领域的科学与技术 提交时间： 2023-05-01
摘要： An ultra-low-noise large-bandwidth transimpedance amplifier (TIA) for cryogenic scanning tunneling microscope (CryoSTM) is proposed. The TIA connected with the tip-sample component in CryoSTM is called as CryoSTM-TIA. Its transimpedance gain is as high as 1 G, and its bandwidth is over 300 kHz, but its equivalent input noise current power spectral density is less than 4 (fA)2/Hz at 100 kHz. The low inherent noise for the CryoSTM-TIA is due to its special design: (1) its pre-amplifier is made of a pair of low-noise cryogenic high electron mobility transistors (HEMTs); (2) the noise generated by one HEMT is eliminated by a large capacitor; (3) the capacitance of the cable connected the gate of the other HEMT to the tip is minimized; (4) thermal noise sources, such as the feedback resistor, are placed in the cryogenic zone. The dc output voltage drift of the CryoSTM-TIA is very low, as 5 V/C. The apparatus can be used for measuring the scanning tunneling differential conductance spectra, especially the scanning tunneling shot noise spectra (STSNS) of quantum systems, even if the shot noise is very low. It provides a universal tool to study various novel quantum states by measuring STSNS, such as detecting the Majorana bound states.
分类： 工程与技术科学 >> 物理学相关工程与技术 分类： 工程与技术科学 >> 仪器仪表技术 分类： 电子与通信技术 >> 电子技术 分类： 物理学 >> 交叉学科物理及相关领域的科学与技术 提交时间： 2022-12-29
摘要： 提出了一种用于低温扫描隧道显微镜(CryoSTM)的低噪声高增益大带宽跨阻放大器(TIA)。在CryoSTM中与尖端样品组件连接的TIA称为CryoSTM-TIA。CryoSTM-TIA的跨阻增益为10Gohm，带宽超过100kHz，在100kHz时等效输入噪声电流功率谱密度小于4(fA)2/Hz。CryoSTM-TIA的低固有噪声是由于其特殊的设计: (1)其前置放大器(Pre-Amp)由低噪声低温高电子迁移率晶体管制成; (2)前置放大器采用卡片式配置，避免米勒效应，降低输入电容CA; (3)将前置放大器输入端连接到尖端的电缆的电容，即CI最小化; (4)热噪声源，如反馈电阻，放置在低温区。由于在反馈回路中应用了频率补偿，减小了CA，减小了CI，实现了高增益和大带宽。该仪器可用于低电导率材料扫描隧道光谱的快速高能量分辨率测量，特别是用于测量其扫描隧道发射噪声谱。
分类： 工程与技术科学 >> 物理学相关工程与技术 分类： 工程与技术科学 >> 仪器仪表技术 分类： 电子与通信技术 >> 电子技术 分类： 物理学 >> 交叉学科物理及相关领域的科学与技术 提交时间： 2022-12-29
摘要： 散粒噪声是一个研究量子体系的强有力的手段。本文提出一种用于低温扫描隧道显微镜 (CryoSTM)的跨阻放大器(TIA)，可满足散粒噪声测量的需要。在该TIA中，前置放大器(Pre-Amp)由超低噪声低功率低温高电子迁移率晶体管(HEMTs)构成。以1Gohm的高跨阻增益，所设计的TIA的带宽超过300 kHz。在CryoSTM中，这个TIA连同针尖-样品组件和输入信号被称为CryoSTM-TIA。它的带宽仍然超过300kHz，并且它的等效输入噪声电流功率谱密度在100 kHz小于30 (fA)2/Hz。该CryoSTM-TIA能够用于测量扫描隧道电流谱和扫描隧道微分电导谱。本文又特别阐述了如何用该CryoSTM-TIA测量量子体系的扫描隧道噪声电流功率谱和散粒噪声谱。这就使得用低温CryoSTM-TIA通过测量散粒噪声来研究各种量子体系中的新奇量子现象成为可能，例如在局域尺度中的Andreev反射、在单分子磁体中的Kondo效应，等等。特别是把它用于研究与实现拓扑量子计算有关的Majorana零能模的存在性。
分类： 工程与技术科学 >> 物理学相关工程与技术 提交时间： 2022-03-17
摘要： 近年，火箭发动机的非接触式测量研究受到各国的关注，但是主要关注点为火箭发动机的羽流温度场或振动力学研究，并未用于测量火箭发动机的排气速度。传统排气速度测量方法设备复杂，且长期没有其他方法作为参照。因此本文提出了一种利用羽流图像中扩张角测量结果，估算火箭发动机海平面排气速度的方法，该方法结合一维可压缩绝热流模型、大气背景下的普朗特-迈耶函数和布伦特算法。本文利用该方法得到羽流扩张角-海平面排气速度关系，并将其与传统方法测量结果进行对比，验证该方法的精度。估算结果显示海平面排气速度和羽流扩张角呈线性关系，与传统方法之间的相对误差小于2%，因此，结果说明该估算方法具有较高精确度。近年，火箭发动机的非接触式测量研究受到各国的关注，但是主要关注点为火箭发动机的羽流温度场或振动力学研究，并未用于测量火箭发动机的排气速度。传统排气速度测量方法设备复杂，且长期没有其他方法作为参照。因此本文提出了一种利用羽流图像中扩张角测量结果，估算火箭发动机海平面排气速度的方法，该方法结合一维可压缩绝热流模型、大气背景下的普朗特-迈耶函数和布伦特算法。本文利用该方法得到羽流扩张角-海平面排气速度关系，并将其与传统方法测量结果进行对比，验证该方法的精度。估算结果显示海平面排气速度和羽流扩张角呈线性关系，与传统方法之间的相对误差小于2%，因此，结果说明该估算方法具有较高精确度。
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