基于SPM的纳米计量中若干重要问题

　　1引言

　　扫描探针显微镜(SPM)由于具有纳米甚至原子量级的分辨率，20多年来已引起各个领域科学家们的广泛兴趣。在精密工程领域，它作为一种极具前途的纳米计量工具，已在许多国家受到了广泛的重视，如美国NIS工德国PTB和英国NPL等都相继开展了基于SPM的纳米计量技术研究。但作为纳米级的计量分析仪器，不仅要有高分辨率，更要有纳米级甚至更高的精度。因此需要计量工作者对SPM在纳米计量应用的各个方面有比较全面和深入的了解。本文在SPM图像重建、漂移的在线补偿、纳米定位和三维表面粗糙度测量等方面进行了讨论。

　　2 SPM图像重建

　　扫描探针显微镜获得的扫描图像是样品和探针共同作用的结果，它只是实际样品三维形貌的近似描述。测量条件如扫描隧道显微镜(STM)中所加偏压的方向和所用材料性质，原子力显微镜(AFM)中探针的形状和尺寸，扫描近场光学显微镜(SNOM)中的入射光方向等均对扫描图像有很大的影响。从纳米计量的角度来说，必须进行探针与样品的解褐即对扫描图像进行重建处理。这里以AFM为例加以简要说明，探针、图像及样品的关系如图1所示。

　　从图1中可知，一般可将图像分为A、B、C三个区域，以I、S和Sr分别表示扫描图像、实际样品和重建样品的集合，则在区域A中卜S二Sr，扫描的图像等于样品的真实形貌，而区域B中I色s:色s，表面不可重建，在区域c中，I色(S一sr)，重建后能真实再现样品的实际形貌。

　　现有的样品重建算法主要有Legendre变换法[1]、包络重建法「2]和数学形态学法〔3]。图2是应用数学形态学法对图像重建的结果，从图中我们可以清楚地看出测试图像(b)重建后的表面(c)更加接近样品的真实形貌(a)。将这一方法应用于纳米颗粒粒径的测量。图3为用针尖曲率半径为15纳米的AFM测量分散在云母基底上A1203纳米颗粒图像，计算所得平均粒径为37.Inm，图3为考虑到针尖效应的重建图像，重建后的平均粒径为34.Inm，这一尺寸与X线衍射仪(XRD)测量得到平均粒径34.onm接近。

　　3sPM漂移的在线补偿

　　我们利用计量光栅原理和SPM技术，将两块高定向裂解石墨(HoPG)的原子图像以一定的转角重合时，便会形成六边形的二维莫尔条纹，如图3给出的复合扫描透射显微镜图形所示。由于莫尔条纹对位移有放大作用，我们可以获得亚纳米级的精度。原子光栅在纳米计量中的应用之一是温漂的实时补偿。为提高SPM时间稳定性，我们提出了基于图像相关法和原子光栅莫尔条纹法可实时地补偿SPM漂移阎。这两种方法不仅可以实时、定量的分析漂移的大小，还可确定漂移的方向，从而通过反馈控制可进行漂移补偿。就测量精度来说，莫尔条纹法高于图像相关法，但在测量非周期样品时，应用图像相关法更为方便。图4为实验原理示意图，由实时扫描图像处理求得的漂移量经过反馈环节进行补偿，可以有效地减小SPM仪器的漂移约1个数量级，提高其时间稳定性网。