自从扫描隧道显微镜(STM)发明以来,人类便能够在实空间观测单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子态行为有关的物理和化学性质,超高的分辨率使STM在表面科学、生命科学、材料科学以及微电子技术等诸多领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景。但是,STM的应用范围也受到一定的限制,例如在强磁场、超低温、超真空等极端环境中工作时,仍需要做出深入的研究。本文主要致力于实现常温大气下的超快速扫描隧道显微镜,在这个不断突破扫描频率极限过程中,我们遇到了前放带宽较低、音叉扫描器振幅不够、采集卡采样率不足等问题,要实现超高速扫描隧道显微镜就必须将这些问题全部克服。因此,我们对仪器的多个部分都做出了一些创新和升级。最终在不断地尝试和实验验证中,自制出了一套超快速扫描隧道显微镜,实现了50 kHz的超高扫描频率,远超过目前的世界纪录。我们做出的主要改变有:(1)超快速扫描隧道显微镜需要更高的前置放大器带宽,通常提高集成电路带宽的方法主要有降低反馈电容或消除寄生电容的影响、降低反馈电阻等等。我们首先通过将杆式电路升级为板式电路以消除电路寄生电容;随后,在能够明确测试出石墨原子分辨率图像的情况下,不断降低反馈电阻增加前放带宽。当反馈电阻降低至1 MΩ时,前放电路发生了自激振荡,此时,电路不能进行粗逼近,更无法扫描成像。通过不断的尝试,最终我们首次通过在隧道结上并联定值电阻的方法消除了自激振荡,使前放电路可以正常进行粗逼近并测试图像,前置放大器带宽提升至550 kHz,为实现超高速STM提供了更大可能。(2)根据采样定理,采样率要高于所信号最高频率的2倍及以上,对于超高速扫描隧道显微镜来说,现有的采集卡仅有1 MS/s的采样率显然是远远不够的。因此,我们提出了使用示波器采集法替代传统的采集卡采集图像信息,前者采样率可达1 GS/s远高于后者,并且使用方便,价格也低于后者数十倍。(3)目前使用的共振频率为32.768 kHz的音叉扫描器,在更高频率处的振动幅度远低于共振峰附近的振幅,而在音叉扫描器上粘接过铂铱合金探针后,其共振峰又会进一步的降低。为实现更高频速度的扫描,我们选用了共振频率更高的100 kHz的音叉扫描器,并且在探针制备时,将探针的长度控制在1.5 mm左右以减轻音叉的负载,尽量最大程度的提高音叉在高频率处的振动幅度。(4)为了增加测试的稳定性,获得更高的图像的分辨率,我们使用双频驱动压电马达的方式代替传统的单一频率法,双频驱动压电马达能够在保证较大驱动力的情况下较大幅度的降低启动电压,不仅降低了能耗,更降低了因高压产生的电磁干扰对图像的影响,进一步拓宽了STM的使用范围。