扫描探针声显微镜原理及其应用

　　声学显微镜的概念早在20世纪30年代就由前苏联学者Sokolov首先提出,但直到1973年,在美国Stanford大学的Quate教授领导下,才研制成第一台扫描声显微镜(scanning acoustic microscope, SAM)[1]。其基本工作原理是:利用超声波照射样品,通过换能器收集反射、透射或散射信号,从而获得材料的各种特性,如内部缺陷或损伤,包括气孔、杂质、分层、裂纹等。然而,由于衍射效应,传统的探测方法分辨率不高。根据超声波的波长,一般声学方法的分辨率在毫米量级左右[2],无法实现在更精细尺度上对样品性质的显微观察分析。

　　扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)是采用尖锐的探针在样品表面扫描,利用探针与样品间的各种相互作用,探测样品表面物理或化学性质的一种显微镜。利用SPM可以在纳米尺度上获得样品的表面特征,但无法探测样品表面以下的内部结构信息和弹性特性。如果将声学检测技术与SPM结合,构成扫描探针声显微镜(scanning probeacoustic microscope, SPAM),就可对样品表面及内部结构进行纳米量级的显微分析,从而在保证高分辨率的条件下,检测导电或非导电材料表面、亚表面和内部不同深度的各类微小缺陷,分析样品的弹性、电特性等,可广泛应用于研究集成电路微结构、材料微结构、生物细胞结构、不透明材料内部和生物医学中的活体检测等。

　　SPAM是在SPM的基础上发展起来的,迄今为止,得到成功应用的SPAM主要有扫描隧道声显微镜(scanning tunneling acoustic microscope, STAM)和原子力声显微镜(atomic force acoustic microscope,AFAM)。近年来美国波特兰国立大学的La Rosa、Cui和Li等人正在研究基于近场光学显微镜的剪切力声显微镜(Shear-force ultrasonic microscope),预计可用于滑动摩擦学、流体学等方面的研究,但目前这类声显微镜的研究尚处于探索阶段,还没有得到实际的扫描图像[3,4]。

　　1　扫描隧道声显微镜(STAM)

　　扫描隧道声显微镜是在扫描隧道显微镜(scanning tunnelingmicroscope, STM)基础上发展起来的。它的结构原理如图1所示:利用扫描隧道显微镜的针尖与被测样品间的相互作用,使样品表面产生形变;这种形变以声波形式穿透样品后,由粘贴在样品背面的压电传感器接收;通过采集声波信号的幅度、相位等信息,可以获得样品表面形貌及弹性特性等。STAM在保持STM高分辨率的基础上,还可以用于非导电材料的研究,拓展了STM的应用领域[5,6]。

　　针对不同的样品,扫描隧道声显微镜可以采用两种工作模式,即针尖激励模式(T-STAM)和扫描器激励模式(S-STAM)。

　　对于导电样品,除了可以采用扫描器激励模式外,还可以采用针尖激励模式,此时STM工作在常规模式。首先让探针接近样品到某一位置,然后在针尖和样品之间加一正弦调制信号;此时由于针尖和样品之间静电力的作用,引起样品表面发生变形,产生超声信号透过样品,被压电传感器接收。在这种模式下,利用隧道电流作为反馈信号输入到伺服电路,而不是静电力,因为由静电力得到的分辨率较低[5]。伺服电路根据输入的反馈信号(隧道电