使用微晶振的扫描近场声显微镜研究

　　1　前　言

　　扫描隧道显微镜(STM)的发明,使研究人员能够实时地观察单原子在物体表面的排列状态和微纳米表面的物理、化学性质,与传统的表面形貌检测方法相比,STM具有分辨率高,结构简单,三维成像能力强等优点,但STM也存在一些缺陷,如它只能直接观察导体和半导体的表面结构,对于非导电材料,必须在其表面覆盖一层导电膜才可以进行测量,而导电膜的存在则覆盖了表面的结构细节。即使对于导电样品STM观察到的也只是对应于表面费米能级处的态密度,当表面存在非单一电子态时,STM得到的则是表面形貌和表面电子性质的综合结果,而并非真实的表面形貌。原子力显微镜(AFM)的问世解决了上述问题,原子力显微镜使用一个粘附针尖的微悬臂来扫描测量材料表面形貌,克服了扫描隧道显微镜对于绝缘材料不能直接测量的困难。随后几年磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、摩擦力显微镜(FFM)等扫描探针分析仪器先后被研制出来,上述显微镜虽各有特点,但其基本原理都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面在纳米尺度表现出的物理性质和化学性质[1,2], 从而获得材料表面的高分辨率图像,不过它们都需要一个从国外进口的经过精细加工的微悬臂和复杂的激光干涉仪等微位移检测部件,成本高,结构复杂。

　　针对上述不足,笔者采用谐振频率为1MHz的未封装伸长型晶振作为微力传感器来取代传统的微位移和复杂的微位移检测装置,构成扫描近场声显微镜(SNAM),其具有传感器取材方便和直接感知微力、系统结构简单、分辨率高、有较高的性能价格比等优点。

　　2　SNAM用于微观形貌检测的机理

　　把一个未封装的谐振频率为1MHz的伸长型微小晶振固定在扫描器(压电陶瓷管)底端, 用晶振为探针,其杆长为2.75 mm,横截面为85μm×85μm,将其倾斜45°以使晶振杆的一个角(其曲率半径不到1μm)接近样品表面,随着间距的减小,晶振的振动特性如幅值、相位和频率都会发生变化。通过一个反馈回路控制晶振在扫描时振动特性的恒定来保持晶振恒间距地跟踪样品表面形貌,测量反馈电压从而获得样品表面的信息。由于电路简单,在实验中选取振动幅值作为采样电压信号。

　　当谐振频率为1 MHz的晶振振动时,晶振与表面之间的小体积气体被周期性地压入和挤出,对晶振产生流体阻力[1]。当晶振前端与样品表面之间的间距小于200μm且大于50 nm时,原子间的相互作用力如范德华力、表面张力、摩擦力等非常小,可以忽略,这时候主要是由于间隙中气体的流体阻力改变晶振的振动特性。

　　下面从晶振的机械振动来分析晶振和样品表面间距离d与晶振振动特性(幅值、相位、频率)的关系。