双成象单元扫描隧道显微镜与原子尺纳米计量技术

　　1　引　言

　　激光波长与计量光栅等可作为微米和亚微米尺度的计量标准,这些尺度标准已被全世界公认与共用。但在纳米科技领域,目前还没有制定通用的尺度标准及计量体系。随着扫描隧道显微镜(STM)[1]和原子力显微镜(AFM)[2]等仪器的问世,已经可以用纳米和原子尺度观察研究物质的超微观结构。但由于受扫描器压电陶瓷的迟滞和非线性及环境条件等因素的影响,用不同仪器检测同一样品,以及用同一仪器在不同环境条件下检测同一样品,结果可能千差万别,因此无法实现严格的纳米计量。为校正扫描误差,可采用高定向热解石墨(HOPG)的原子晶格对STM仪器作横向和纵向标定。不过,采用这些方法标定的仪器仍然存在不少缺点。一方面,随着时间和环境条件的变化,校正好的仪器的性能仍会发生改变;同时,被测校品一经固定,仪器就只能对其表面某一点进行扫描,而不能任意选择扫描区域;此外,扫描器上只能放置尺度与重量很小的样品,因而不能对较重或较大的样品作实际检测。在实用化的纳米计量技术中,这些问题必须加以解决。为此,我们研制了双元扫描隧道显微镜,可同时对参考样品的原子晶格和被测样品扫描成象。计数原子晶格的数目,即可精确测定被测样品图像的尺度,以原子尺方式实现严格的纳米计量。

　　2　原理与方法

　　图1是双元STM系统及原子尺纳米计量的原理图。由上下同轴设置的两个STM单元分别作为参考单元和被测单元,它们共用同一XY扫描器,同时对HOPG参考样品与被测样品扫描,获得两幅横向尺度相同的图像。已知HOPG的原子晶格常数即相邻晶格间的距离为0.25nm,因此计数参考图像中的原子晶格数目,即可精确测定被测样品图像的尺度,也就是说,原子晶格等同于具有亚纳米精度的原子尺。另一方面,被测样品置于可移动的开放式样品台上,可以任意选择其表面区域进行扫描,因此适用于较大与较重的被测样品的大范围扫描检测。这样,双元STM首次实现了严格意义上的纳米计量,为纳米计量的实用化提供了方法与技术基础。

　　双元STM由两个互相独立的反馈电路实现探针与样品间距的控制,以保持稳定的隧道电流状态[3,4]。每一反馈电路提供两种工作模式:恒隧道电流模式和恒探针高度模式。由计算机产生的扫描信号,通过D/A转换接口输出,再经低压与高压放大后控制XY扫描器的扫描运动。扫描时计算机通过A/D接口读取两路隧道电路(或反馈电压)信号,即可同时获得参考样品与被测样品的表面三维形貌图像。

　　3　实验结果

　　为确定双元STM的分辨力、扫描范围及验证原子尺纳米计量的可行性,进行了大量的实验测试。实验中两个STM单元的主要扫描参数相同:参考电流1.0nA,样品偏压+50mA,恒探针高度扫描模式,所有图像均在大气及室温条件下扫描获得。由对HOPG的原子晶格和2000l/mm(周期500nm)的计量光栅的扫描结果可知,双元STM的图像分辨力可达0.1nm以上,最大扫描范围不小于2200nm×2200nm。