AFM/STM系统中微悬臂的设计和研制

　　扫描隧道显微镜(STM)[1]是一种具有原子分辨率的表面观测显微分析仪器,它的物理基础是量子力学的隧道效应。由于隧道效应是由针尖和样品间的势垒引起的,所以扫描隧道显微镜只能观察导电样品,这就限制了它的应用范围。

　　为了研究非导电样品和导电样品,人们研制出了原子力显微镜(AFM)[2]等具有原子量级分辨率的其它表面观测显微分析仪器[3]。原子力显微镜是利用针尖和样品表面原子间的相互作用力进行工作的。在原子力显微镜中,样品表面形貌的变化表现为微悬臂的弯曲变形,通过不同的方法检测这种变形,再用反馈环路的反馈控制作用,保持力的恒定,就可得到样品表面的信息。对于微悬臂原子量级的位移变化,人们通常采用光学方法(激光)进行检测。但是采用这种方法在工作上就不能与扫描隧道显微镜兼容。我们研制了一个AFM/STM系统,它利用隧道电流检测微悬臂的位移,既可用作AFM,又可作为STM。本文先简述了这种系统,然后介绍了其中微悬臂的设计和研制。

　　1　AFM/STM系统简述

　　AFM和STM之所以不兼容,在于两个样品表面形貌信号的表现形式不同:STM的样品表面形貌信号是以隧道电流表征的,而AFM的样品表面形貌信号是以微悬臂的弯曲变形表征的。为了利用隧道电流检测微悬臂的位移,我们在微悬臂的下面加了一个压电陶瓷管和隧道针尖。隧道针尖固定于压电陶瓷管上,用来与微悬臂之间建立隧道电流;压电陶瓷管则用来调节隧道间距,维持隧道电流恒定。微悬臂和原子力针尖用导体材料通过特殊工艺一次制作,其一端作为固定端,另一端在制作微悬臂的同时制成原子力针尖。以这种微悬臂位移-电流转换装置为基础,研制了一种AFM/STM系统,其原理图见本刊1998年No.6。这个系统有两个反馈环,AFM环维持作用力的恒定,STM环维持隧道电流的恒定。

　　当系统作为AFM使用时,状态开关处于AFM位置。开始时,辅采样/保持放大器处于采样状态,STM环路接通,利用辅爬行器使隧道针尖接近微悬臂,再通过STM环路的反馈控制,两者之间建立起隧道电流。然后再利用主爬行器使样品接近原子力针尖,一旦样品接触原子力针尖,则微悬臂产生弯曲,引起隧道电流变化。利用这种接触时产生的电流变化去控制主爬行器停止接近,使系统处于等待扫描状态。扫描开始时,先使辅采样保持/放大器处于保持状态,STM环路断开,主采样/保持放大器处于采样状态,AFM环路接通,进行力的设定。力的设定是利用加法器改变前级输出电压,经主高压放大后由三维压电陶瓷管的主Z臂调整样品和原子力针尖的作用力,最终引起隧道电流的变化进行的。所以,设定力的大小通常以力设定电流表征。力设定后样品扫描开始,随着样品表面形貌的起伏,微悬臂的端部产生Z向位移,引起隧道电流变化,通过辅前置放大、后级放大及主高压放大器,最后反馈给三维扫描管的主Z臂,维持力的恒定。在AFM环路中,其反馈信号的变化就反映了样品表面的信息,通过检测反馈信号的变化就得到了样品表面的AFM像。