液中测量型原子力显微镜的研究

　　引　言

　　AFM(Atomic Force Microscope,原子力显微镜)是一种通过检测出物质间非常微小的相互作用力从而获得物体表面形状的显微镜。这种微小的作用力(引力和斥力的合力)可以利用一个板簧状的微小弹性体探针检测出来[1]。这种探针的尖端部分还有一个曲率半径非常小的小探针。当探针接近被测物体表面时,在相互作用力的作用下探针发生弯曲。引力起作用时,探针向被测物体一侧弯曲;斥力起作用时,探针向远离被测物体一侧弯曲。从而通过检测出弯曲(位移)量的大小就可以检测出探针和被测物体间的作用力(以下简称测量力),继而可以在保持测量力一定的情况下、通过控制探针的移动得到被测物体的表面形状。

　　根据力的检出方法,AFM可以分成两类,一类是检测探针的位移、另一类是检测探针的角度变化[2]　[3]。前者X,Y,Z三维位移均需要由承载被测物体的实验台实现,而后者由于Z向位移是通过驱动探针来自动跟踪被测物体表面形状,因此被测物体的重量和形状大小比前者所受到的限制要小。角度检出型通常使用光杠杆或临界角角度传感器,光线沿Z轴射向探针,这样探针的Z向位移对传感器的检出量没有直接影响。

　　另一方面,空气中测量型AFM,由于被测物体表面和探针表面的吸着层表面张力的影响,测量时探针必须对物体施加比较强的测量力(约10-6～-8N),这样就很难保持探针和被测物体间的作用力的大小在所说的原子力量级。为了减小测量力,可以采用液体(水)中测量型AFM[4]。由于在液体中测量,液体对探针和被测物体的同等作用,表面张力的影响互相抵消,这样就可以在比较小的测量力(约10-9N)下进行测量。本研究就是利用探针驱动型AFM的优点,试作了采用临界角传感器、驱动被测物体进行移动扫描的液中测量型AFM,并对其基本性能进行了测试分析。

　　1　测量原理及装置

　　1.1　测量原理

　　图1是探针驱动的液中测量型AFM的原理图。角度检出型AFM的光学系统被固定在AFM的基座上。半导体激光器(LD)发出的激光经准直透镜后变成平行光,经一物镜汇聚后再经偏光棱镜被分成S偏光和P偏光。其中S偏光通过一个λ/4波长板后成为圆偏光,穿过为平抑液面的波动而设置的玻璃窗后,聚焦于液体中的探针的表面上。经反射后入射到由带有λ/4波长板分光棱镜和2个3次反射型临界角棱镜及2个光电二极管组成的临界角传感器[5],其中S偏光经λ/4波长板后成为P偏光。反射光的角度变化经临界角传感器检测,经A/D转换后角度变化信号被计算机采样并存储起来。为了保持测量过程中测量力(即探针的角度)的恒定,角度变化信号经放大后,驱动Z向PZT进行自动跟踪,X和Y方向的扫描由计算机控制X—Y微动平台完成。