双成像单元原子力显微镜及其在大范围纳米计量中的应用

　　1　引　　言

　　扫描隧道显微镜(STM)[1]和原子力显微镜(AFM)[2]作为表面观察和测量工具,已经在纳米技术领域得到了广泛应用。用于长度测量的STM和AFM本身需要采用标准样品对其进行校正和标定。但是从纳米计量的角度而言,采用不同方法设计制造并采用不同标准样品标定的STM或AFM,其测量精度及一致性也是不同的。即便同一台经过校正的STM或AFM,随着外界条件的变化和时间推移,其测量精度也会发生改变,因此无法实现严格意义上的纳米计量。

　　为了解决这个问题,近年来发展了多种形式的双隧道单元STM[3～5]和双元STM-AFM[6]系统。这些系统采用高定向热解石墨(HOPG)或周期性光栅作为参考标尺,其中的两个探头共用一个扫描器。因此得到的两幅图像的横向尺寸完全一致。被测样品的表面结构或长度可通过计数标准样品中的原子晶格个数或光栅条数而精确测定。尽管这些系统在原理上可实现米计量,但是在实际应用中无法同时实现具有纳米精度的大范围扫描。比如采用HOPG原子晶格作为标样时,如果要实现10μm×10μm范围的纳米计量,参考图像中的原子晶格数目将达到40000×40000左右,因此图像容量将会爆炸性增大,而且在这样一幅图像中也已经无法分辨出原子晶格结构,因此实际上不可能实现。

　　为实现大范围)如100μm～1mm量级)、纳米精度(如1～10nm量级)的纳米计量,研制了一种新型双成像单元原子力显微镜(dual imaging unit AFM, DIU-AFM)系统。这里讨论了DIU-AFM的原理和系统结构,采用具有亚微米尺度光栅周期的标准光栅作为参考样品,对被测样品进行了大扫描范围的纳米计量实验,得到了理想的结果。

　　2　原理及方法

　　图1所示为可实现大范围扫描和纳米计量的DIU-AFM探头原理图。该探头由两个AFM成像单元、一个XY扫描器和一个XY微动平台等部分组成。两个AFM成像单元,即参考单元和被测单元,在XY扫描器的同一侧相互平行放置。它们的探针处在相同的高度,以避免引入Z向的阿贝误差。由于参考样品和被测样品安装在同一个XY扫描器上,当它们被同时扫描成像时,所得的图像具有相同的横向尺度。因此,被测样品图像的尺度就可以通过计算参考样品图像中相应部分的尺度而精确测定。如图1(a)所示,参考样品为周期性光栅,待测样品图像中线段AB的长度L1,可以通过计数光栅的周期数而测定。

　　为了在DIU-AFM的基础上实现更大范围的扫描和计量,将整个XY扫描器置于XY微动平台之上。步进电机可驱动XY微动平台连同扫描器在X方向平移,移动的最小步长为1μm。当DIU-AFM扫描获得一对参考图像和被测图像后,将XY微动台移动一定距离,再扫描获得第二对图像,如图1(b)所示。以此类推,通过交替移动微动台,可扫描获得一系列参考图像和被测图像对,构成一组一一对应的图像序列。同样,每一对图像的横向尺度相同,被测图像的尺度(如L2)可基于对应的参考图像而测定。另一方面,这些序列图像可首尾拼接组成两幅大范围且具有纳米量级精度的参考图像和被测图像,采用相同的方法,即可测定被测图像中任意两点间的尺度以及图像的总体长度。