扫描探针显微镜在粗糙度、纳米尺寸、表面形貌观测方面的应用

　　1　引　言

　　机械零件、光学元件、晶体、光盘、磁盘、薄膜、芯片等制品的粗糙度(光洁度),表面上微小结构的尺寸和表面形貌与相关产品的性能和寿命有密切的关系。例如,机械零件的尺寸和粗糙度对机械设备的装配、密封、耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀均有很大的影响。随着科技的发展和工艺要求的提高这些参数的重要性就更加显现出来。通常用于检测粗糙度、微小尺寸、表面形貌的仪器有表面轮廓仪、干涉显微镜、扫描电子显微镜等[1]。在上述三个方面的检测中,这些仪器各有各的特点,但轮廓仪仅能给出被测区域的轮廓,而不能给出被测表面的形貌;干涉显微镜的纵向分辨率较高,但它的横向分辨率却仅能达到微米级[2],扫描电子显微镜能通过成像观测表面的形貌和结构,但却不能同时精确测定微小结构在纵向的尺寸。此外,它的电子束还会使某些对电子束敏感的样品产生辐射损伤。因此上述几种仪器在上述三方面的检测中仍有不少的限制。近十几年发展起来的扫描探针显微镜(SPM)由于在X,Y,Z三个方向上具有纳米级的分辨率,并能弥补上述几种仪器的不足,而受到人们越来越广泛的关注。为使更多的人了解SPM在观测纳米级粗糙度、微小尺寸、表面形貌方面的情况,使SPM这种新技术得到更加广泛的应用,本文根据我们现有的资料对国内外在这方面的应用情况和存在的问题作一介绍。

　　2　SPM的原理、检测模式、特点及检测方法

　　在扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling MicroscopeSTM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope AFM)基础上发展起来的SPM是扫描离子电导显微镜(SCIM)、扫描隧道电位仪(STP)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、化学力显微镜(CFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)等一大类以探头相对于样品扫描(移动)而形成图象为特征的显微镜(族)的总称,是20世纪80年代以来迅速发展起来的纳米科技特别是纳米测量学、纳米表征与测量方法中最重要最基本的手段。在这个显微镜家族中,STM和AFM是应用范围最广最具有代表性的两个重要成员。这两种仪器的工作原理是①以尺寸为原子级的非常细的探针和被测样品表面作为工作的主要元件;②用灵敏度可达0.5nm/v的压电陶瓷在X和Y两个方向上完成探针与样品之间的相对运动(扫描),用探针在Z方向的升降来模拟样品表面的起伏;③用探针与样品间的相互作用所产生的物理量的数值随样品表面起伏的变化来调制显示器的灰度。具体来说,STM是利用在导电的探针和样品之间发生的隧道效应所产生的与样品表面起伏所对应的隧道电流来调制图象显示器的灰度,而AFM则是利用在不导电的探针和样品之间存在的与样品表面起伏所对应的原子力来调制显示器的灰度,达到观察表面形貌的目的。根据有关文献报道,STM的工作模式有: