卧式原子力显微镜的研制

　　1　引　言

　　20世纪90年代以来,纳米科技得到飞速发展,各发达国家都把纳米科技放到十分重要的位置,认为它将掀起下一次科技与产业革命的浪潮。纳米科技发展的一个重要基础,是以扫描隧道显微镜(STM)[1]与原子力显微镜(AFM)[2]为代表的扫描探针显微术。对于非导体样品的纳米检测而言,又以AFM的应用更为广泛。目前,国际上AFM仪器的性能已日臻完善,而我国则在AFM仪器及其关键部件方面基本依赖进口。由于进口仪器价格昂贵,操作要求严格,客观上限制了它的推广应用,从而也在某种程度上制约了我国纳米科技的发展与普及。此外,即便是进口的AFM仪器,也仍然对样品具有某种选择性,即对部分样品可以有效成像,而对许多样品的成像质量较差。为此迫切需要将AFM国产化,并尽可能提高仪器的性能/价格比。近年来,我们在STM和AFM的研制及应用方面做了大量工作[3,4],特别是在卧式AFM的研究中形成了自身的特色,仪器的性能/价格比具有明显的优势,已在国内科研院所的物理学、化学、材料学、微电子学、微型机械和光学等领域广泛应用。

　　2　卧式AFM的研制

　　2.1　AFM的原理

　　AFM采用对微弱力极敏感的“V”字形微悬臂和针尖作为微探针(图1)。当针尖充分逼近样品时,两者间即产生原子力,其中纵向力Fn将推动微悬臂偏转,其大小与针尖——样品间距成一定的对应关系,即与样品表面的起伏具有对应关系。采用光点偏转法可将微悬臂的偏转量放大。一束激光投射到微悬臂的顶端后被反射,反射光束被位置敏感元件(PSD)接收,PSD光敏面上光斑的偏转位移量,比微悬臂的偏转量放大了数千倍,即起到一种光杠杆的作用。放大后的偏转量可直接由PSD精确测定。样品扫描时,作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化,检测PSD输出光电流的大小,即可推知微悬臂偏转量的大小,最终获得样品表面的微观形貌。

　　在图1中,微探针的重力方向与纵向力Fn方向一致,而通过计算可知,探针的自重与原子力的大小可比拟。因此当探针与样品之间作快速扫描时,重力的存在势必影响微悬臂的偏转灵敏度和偏转量的大小,从而造成扫描图像的失真。这一图像失真现象已被许多AFM的使用者所共知。为消除这一影响,我们将AFM改进为卧式结构,以使重力方向与用于成像的纵向力方向相互垂直,最终提高AFM的灵敏度和分辨力。

　　2.2　卧式AFM的反馈控制电路系统

　　在AFM工作过程中,需要使针尖与样品之间保持一定的间距,既不能太近而折断探针,也不能太远而脱离原子力状态。间距的精确控制由反馈电路实现。图2所示是卧式AFM的反馈控制系统框图,包括前置放大器、滤波器、比较差分放大器、积分器、高压放大器等。当针尖与样品间距过小,即PSD信号过强而大于参考电压Vref时,高压放大器的输出电压使反馈压电陶瓷收缩;反之,则使压电陶瓷伸长,据此自动将间距控制在适当水平。整个反馈电路简洁高效,避免了繁复的操作过程,并且大大减少了噪声环节。根据理论计算与实验调试,我们选定最佳的反馈控制参数,如积分常数、反馈增益、参考电压、低压与高压放大比等,提高了反馈控制系统的灵敏度和控制精度,由此使AFM的性能得到进一步优化。样品相对于针尖的横向扫描,由XY扫描器实现。扫描器的控制电压由计算机产生,通过两路D/A接口输出。另有两路A/D接口,用于采集PSD的光电流信号,以及反馈压电陶瓷的电压信号,即样品表面的Z向高度信号,最终获得样品的三维图像。