一种高精度多功能双用原子力显微镜技术及应用

　　1　引　　言

　　扫描隧道显微镜(STM)只能直接观察导体和半导体的表面结构[1-4]。而利用测量原子间微弱排斥力的原子力显微镜(AFM)不受此约束,它对绝缘体和导体都能测量,且具有原子级分辨力图像[4]。一般的AFM常用一些特定方法来测量一个微悬臂的起伏情况,如STM法、电容法、激光法等[4]。笔者自主成功研制了工作于大气状态的STM[[5-7],获得重庆市科技进步一等奖。在此基础上采用灵敏度高、结构简单的STM法,研制出集AFM与STM为一体的的原子力显微镜,其中STM可以单独使用。该AFM采用独特镜体设计和新型微悬臂,以及四维纳米级数控数显工作平台,并且采用了具有10 nm精度的绝对坐标检测系统和双压电陶瓷共同测量的方法,从而提高了系统的灵活性,扩大了测量与加工范围。机械扫描和加工的最大扫描范围可达25 mm×25 mm。下面介绍该AFM设计方案及在纳米检测中的应用。

　　2　原　　理

　　该AFM原理如图1所示。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一微小的针尖,针尖与样品表面轻轻接触,由于泡利不相容原理,达到一定距离时,针尖原子与样品表面原子的电子云发生重叠,原子间产生了排斥力,探针通过原子间排斥力感知样品表面起伏。采用恒流工作方式的STM探针测量微悬臂的起伏,从而可以获得样品表面形貌的信息。

　　3　系统设计

　　该AFM样机由镜体、数据采集系统、步进及扫描驱动系统和计算机工作站组成,电路框图如图2所示[8]。

　　3.1镜体设计

　　镜体是AFM工作的执行部分,镜体完成进车、停车、退车以及扫描等功能。目前市场上的AFM镜体一般只有4个自由度,3个自由度由压电陶瓷提供,另一个自由度用于驱动样品台。为了提高精度,扩大测量与加工范围,我们在工作平台上设置了13个自由度。其中,下扫描自由度为3 + 3,上扫描自由度为3 +1,3 + 3由压电陶瓷驱动,3 + 1由三相感应步进电机驱动,三相感应步进电机驱动部分为数控、数显, 1个三相感应步进电机用于上扫描,3个三相感应步进电机用于下扫描。

　　该AFM镜体电路框图如图2中的虚线框内所示,镜体机械构成如图3所示,主要由压电陶瓷、步进机、微悬臂、变速系统和样品台组成[8-11]。(该镜体专利号: ZL02221502.6)

　　3.1.1　压电陶瓷及其扫描驱动机理

　　压电陶瓷是实现扫描的核心器件,为保证实现大范围(2 000 nm×2 000 nm)线性扫描,根据所需的扫描范围选取压电参数,精选优异压电参数的压电陶瓷,保证在满量程内线性扫描。该机定位驱动控制过程如下:由一个外径为Ф6 mm、长15 mm、厚1mm的PZT构成的上压电陶瓷(1),用来检测钨丝做成的微悬臂(2)的上下起伏幅度,压电陶瓷在该机作为STM用时可以作三维的运动和检测,最小扫描范围为4 nm×4 nm;但在作为AFM用时中只让其作Z向运动和检测。由一个外径为Ф14 mm、长25 mm、厚1 mm的PZT构成的下压电陶瓷(5),用来驱动试件平台(4)作X和Y向运动和检测,从而让样品(3)作二维运动。最小扫描范围为10 nm×10 nm。用步进机带动调速装置使滑轨上的平台(8)产生大范围X向运动,以检测样品上的不同区域,移动时每步可以达到10 nm的精度;用步进机带动调速装置使滑轨上的平台(7)产生大范围Y向运动,以检测样品上的不同区域,移动时的精度: 50 nm/每步。3根调节螺杆(9)、(10)、(11)可用来手动调节平整度和使上压电陶瓷接近微悬臂,其中(9)也通过步进机驱动以大于或等于每步10 nm的速度使上压电陶瓷进入隧道状态。