一种新颖的点衍射干涉轻敲模式原子力显微镜

　　1　引　言

　　轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间,它由Zhong等人首先提出[2]。在该模式下,微探针在其谐振频率附近以几十纳米的振幅振动(通常大于20nm),针尖在振动时周期性的与样品接触。由于针尖同样品接触,故分辨力通常几乎和接触模式一样好。它相对传统的接触模式不但有着较小的横向接触力、剪切力,而且避免了针尖粘附到样品上,对样品的损伤较小;相比非接触模式,轻敲模式又有着更高的分辨力和较大的线性工作范围,因此轻敲模式已经成为AFM(Atomic Force Microscope)的主要工作模式[3]。

　　在轻敲模式中,检测微探针振幅变化并根据理论模型进行数值计算,即可获取样品表面信息。以往的AFM往往采用光杠杆法及各种光干涉探针来检测微探针振幅变化。光杠杆法结构简单,调整方便,因受微探针与样品间纵向力和切向力共同作用,虽有很高的纵横向分辨力,但测量精度较低。而光干涉探针由于对纵向力灵敏,因此有较高的测量精度[4],此法为了将外界干扰降至最低,往往采用对光学元件质量要求较高,系统较为复杂的共路或准共路干涉的设计,如利用Nomarski原理制成的干涉光探针[5]和双焦共路干涉光探针[6]等。

　　实验室近年来研制并逐步完善了一种新颖的轻敲模式原子力显微镜,它基于点衍射原理,将硅微探针作为反射型点衍射板,形成完全共路的干涉系统,由于采用自主设计的宽频带锁相环检测电路,因而具有极强的抗干扰能力且结构简单紧凑。该系统稳定可靠,测量精度较高,目前在对软性材料的测试实验中也获得了很好的结果。

　　2　微探针的点衍射干涉现象及其应用

　　2.1　微探针上点衍射干涉现象的产生

　　如图1所示,垂直入射的平行激光束通过显微物镜会聚在微悬臂表面,形成覆盖了空心针尖的直径为几微米的弥散斑[见图1(b)]。由于微悬臂上表面镀有Au/Cr反射层,会聚光束的一部分被微悬臂表面直接后向反射原路返回;另一部分光在微悬臂的“V”形空心针尖边缘处被后向衍射,后向衍射波与反射波均来自微悬臂表面,因而形成共路干涉。适当调焦及平移微悬臂,使“V”形针尖位于弥散斑的一级亮纹附近,可获得最佳条纹对比度。由此可见,与传统的透射型点衍射板[7]相比,由于微悬臂的“V”形空心三角形结构构成天然的反射型点衍射板,在光路中它起共路干涉分束器的作用,故光路结构得以简化。

　　2.2　微探针变位引起的位相差变化及其应用

　　从图1(a)中不难看出,微悬臂表面的反射点S1和衍射点S2实际上是干涉系统的两个出瞳,观察屏B即为出窗,P是观察屏B上的任意点。干涉场(观察屏B)上干涉条纹的光强为: