扫描近场声显微镜用于光盘表面薄膜结构的研究

　　超声检测技术在材料特性分析中有着广泛的应用。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,就可以获得材料的各种特性,如内部的微结构和缺陷等。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[1],因此无法实现在更精细尺度上对样品性质的显微观察分析。

　　原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是一种常用的显微观察分析装置,可对样品进行纳米尺度上的观察分析。但这种显微镜一般只能观察样品的表面形貌,而对表面以下的结构却难以分析[2]。将超声检测技术与原子力显微技术结合,构成的扫描近场声显微镜( scanning near-filed acousticmicroscope,SNAM)可以实现对样品表面以下的结构进行纳米量级的显微分析,可广泛应用于各种材料的微观特性测量,内部微结构和缺陷检测分析等领域[3,4],具有很高的应用价值。

　　1　扫描近场声显微镜

　　扫描近场声显微镜是在原子力显微镜基础上发展起来的,一种典型方法是在原子力显微镜的扫描器和样品之间放置压电换能器作为超声信号的发生源(图1a)。超声信号穿透样品后,被处于样品上方的AFM探针微悬臂接收。用锁相放大器检测四象限光电探测器接收到的微悬梁振动信号,然后将这个信号接入计算机采集系统进行扫描成像,就可得到SNAM图像[4~6]。为保证超声信号在样品和换能器之间传输时衰减尽可能小,在两者之间加入耦合剂。另一种方法则与此相反,利用AFM探针的微悬臂作为超声波信号发生器或探测器(图1b)。当探针作为信号发生源时,通过给探针施加激励信号,使探针以一定频率敲击样品,在样品表面微小区域产生超声波,该超声信号透过样品后,由压电换能器接收成像[7]。这种装置在有些文献中也被称为原子力声显微镜(atomic force acoustic microscope,AFAM),但考虑到在该装置中超声信号的激励和接收均在近场区域,同时采用点激励或点接收方式,因此本文将其称为扫描近场声显微镜(SNAM)。

　　由上述工作原理可知,基于AFM的扫描近场声显微镜根据信号收发方式不同有两大类,其中采用针尖敲击方式的SNAM由于在测量过程中需要产生一定强度的超声信号,对样品表面有一定损伤,一般只能观察表面硬度较高的样品;同时受微悬臂共振频率和强度的限制,其产生的超声信号带宽较窄,强度也较弱,而且针尖磨损程度也较大。而采用换能器激励方式的SNAM,可以较方便地采用宽带换能器,产生高强度的激励信号;同时,微悬臂探针可以采用接触、非接触或轻敲等多种方式检测超声信号透过样品后引起的信息变化,对针尖和样品的损伤较小,适合观察生物细胞等柔软样品[8,9]。因此本研究构建的SNAM采用换能器激励、微悬臂探针接收的方式,其基本结构如图1a所示。