基于AFM的纳米刻划系统

　　自从原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)发明以来，作为一种高精度的形貌检测工具，广泛地应用到生物、物理、化学和机械等领域.同时随着AFM 技术的发展，通过AFM 探针与表面的相互机械作用，人们发现可以在微纳米尺度上去除材料，如 Mate 等[1-2]在 1987年首次采用AFM获得了钨针尖和石墨表面、云母表面间的原子级摩擦力.因此，AFM 也广泛地应用在纳米摩擦磨损领域，显示出其非凡的能力[3-6].然而，目前的商业 AFM 要获得微悬臂的扭转信号，需要使探针处于垂直于微悬臂长轴的往返扫描状态;而在单向单次的刻划测试中(由AFM 的 scratch 软件实现)只能够施加垂直载荷而不能够同时获得表征摩擦力信号的扭转信号.因此采用 AFM 微探针进行刻划测试时，只能进行不同载荷下的材料去除形貌的研究，如黄立业、鲍海飞和陈曦等[7-9]采用 AFM 研究了各种膜的纳米刻划特性，从膜的形态角度分析了膜的破坏机理.此外，AFM 的scratch 软件本身在单次刻划时只能进行恒定载荷的刻划，而为了研究膜等相关材料的摩擦特性，在单次刻划时，往往需要施加一个可变的垂直载荷(随刻划长度增加而增大), 这可以提供膜破损时的临界载荷或直接得出样品的摩擦系数等信息.商业 AFM 不具备此功能，为了实现这种功能，钱林茂等[10]在自行研制的系统上增加了这种功能，测量了二氧化硅和OTE SAM/SiO2表面摩擦特性.Sundararajan[11]也采用自行对扫描陶管编程的方法实现了这种功能，研究了单晶硅等材料的临界载荷等相关问题.然而依靠扫描陶管来实现刻划的方法有一个缺点，即受其非线性影响，其刻划长度不能太长，尤其是在刻划阵列的测试中，其刻划范围受到限制.

　　为了解决 AFM 在纳米摩擦领域研究中出现的上述问题，笔者建立了一套系统. 该系统由外加单片机实现控制信号的输入和输出，外加精密工作台实现刻划运动，由 AFM 本身的光杠杆系统实现逼近及扭转信号的提供.新的纳米刻划系统可以实现刻划过程中悬臂扭转信号的采集、刻划过程中变载荷的施加及较大范围内刻划等原有 AFM 系统不具备的功能.

　　1 系统组成

　　笔者设计的基于 AFM 的纳米刻划系统如图 1 所示，包括 AFM 光杠杆系统、微动工作台系统(德国PI 公司)和自行开发的单片机控制系统 3 部分.其中光杠杆系统提供微悬臂扭转信号并实现探针逼近表面等功能;微动工作台实现纳米刻划运动;而单片机则实现高速模拟量信号的输入/输出.

　　AFM 纳米刻划系统首先依靠逼近系统使探针以一定的载荷接触表面.刻划过程中产生的水平摩擦力使悬臂产生扭转，导致反射到 PSD 上的激光点产生水平位置的移动，该移动量表示扭转量的大小.通过 signal access module(SAM)模块中的 AuxA 信号口，可以将这个信号由单片机采集回来，实现实时显示.其中 AFM 的 SAM 模块是一个提供 AFM 系统输入输出信号的信号接口，是厂家为了使用者控制AFM 系统而提供的，共有 20 多种信号接口，这为本系统实现提供了必要的保证.