一种高精度原子力显微镜的设计及应用

　　0　概述

　　原子力显微镜(AFM)是继扫描隧道显微镜(STM)之后迅速发展起来的一种原子级分辨率扫描显微镜。目前,国内外市场上的AFM达到的分辨率一般为1~100nm。由于STM只能对　　导体和半导体进行测量[1~3],不受此约束的基于测量原子间微弱排斥力的AFM就显得功能强大很多。AFM一般是用一些特定的方法来测量一个微悬臂的起伏状况,如STM法、电容法、激光法等[4]。重庆大学研制的AFM采用STM法[5]检测。目前市场上的AFM镜体一般只有4个自由度,3个自由度由压电陶瓷提供,另一个自由度用于驱动样品台。为了提高精度,扩大测量与加工范围,我们在工作平台上设置了13个自由度。其中,下扫描自由度为3+3,上扫描自由度为3+1,3+3由压电陶瓷驱动,3+1由三相感应步进电机驱动,三相感应步进电机驱动部分为数控、数显,1个三相感应步进电机用于上扫描,3个三相感应步进电机用于下扫描。我们还采用了具有10nm精度的绝对坐标检测系统和双压电陶瓷共同测量的方法。本机集AFM与STM为一体,其中的STM可以单独使用。该机有很好的检测效果,其最高检测精度为横向0·1nm,纵向0.01nm,最大扫描范围为25mm×25mm。

　　1　原理

　　AFM的工作原理见图1,将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一探针通过原子间排斥力感知样品表面起伏,然后通过STM探针测量微悬臂的起伏,这样就能获得样品表面的原子形貌

　　2　AFM的镜体设计

　　AFM的镜体主要由压电陶瓷、步进电机、微悬臂、变速系统和样品台组成。压电陶瓷和微悬臂是实现扫描的核心器件,精选压电参数的压电陶瓷是保证实现大范围(2000nm×2000nm)线性扫描的关键,而力弹性常数低、力学共振频率高的微悬臂的制作也是直接决定能否感知样品表面原形貌的必要因素。

　　AFM的镜体与数据采集系统和计算机工作站的逻辑关系见图2。AFM镜体总体机械设计见图3。

　　如图3所示,上压电陶瓷1用来检测微悬臂2的上下起伏幅度,压电陶瓷本来可以进行三维的运动和检测,但在此机中只让其作Z向运动和检测;下压电陶瓷5用来驱动载样平台4做X和Y　　向运动和检测,从而让样品3做二维运动;用步进电机带动调速装置使滑块6产生又一个Z向运动,以大于或等于10nm/步的速度使平台上下升降从而进入或退出测量状态,也可通过手动螺旋　　调节仪12使载物平台向上或向下运动从而接近或远离微悬臂;用步进电机带动调速装置使滑轨上的平台8产生大范围X向运动,以检测样品上的不同区域,移动时每步可以达到10nm的精度;　　用步进电机带动调速装置使滑轨上的平台7产生大范围Y向运动,以检测样品上的不同区域,移动时每步的精度为50nm;3根调节螺杆9、10、11可用来手动调节水平度和使上压电陶瓷接近微悬臂,其中调节螺杆9也通过步进电机驱动以大于或等于10nm/步的速度使上压电陶瓷进入隧道状态。