SSX型扫描隧道显微镜及材料表面粗糙度的检测

　　材料表面粗糙度对其机械性能有很大影响，因此对粗糙度的检钡提非常重要的。多年来人们一直努力发展粗糙度的检测技术，相继出现了干涉显微镜，接角兜式轮廓仪等仪器。这些仪器虽然能以较高的深度分辨率在常压下检测多种不同材料表面，但横向分辨率低。例如:接角曳式轮廓仪的最大横向分辨率只有100nm，即不能探测小于1OOnm的微观结构。扫描电镜虽然有较高的横向分辨率，但其深度分辨率较低，并且只能在真空环境中工作。八十年代初发展起来的扫描隧道显微镜(STM)开创了观测材料表面微观结构的新途径。这种仪器即使工作在大气环境中也能同时以很高的横向分辨率(最高~0.2nm)和深度分辨率(最高~0.01nm)给出金属、半导体等材料表面的三维图象。本文介绍了我们自己研制的STM并讨论了用STM检测材料表面粗糙度。

　　我室与化学研究所合作于一九八七年成功地研制出第一台SSX型扫描隧道显微镜，这台仪器在空气中给出了具有原子分辨率的高定向石墨(HOPG)表面象。此后我室又研制成第二台SSX—l理扣步尚遂道显微镜主体(2)，如图所示。针尖T和样品S之间距离的粗调螺杆Mc和精调螺杆Mf固定在机架F上;精调螺杆由步进电机驱动;固定在头部H上的陶瓷管P作为三维扫描控制器，仪器减震系统由橡胶相隔的几层钢板组成，应用这台仪器在空气中同样得到了具有原子分辨率的HOPG表面象。和第一台STM主体相比较，第二台具有以下特点:(1)能在空气中也能在液体中观测材料表面。(2)具有较强的抗音频干扰和地面震动的能力。(3)针尖和样品之间距离的精调用步进电机实现。

　　用以上仪器，我们观测了二级块规，丫射线反射镜等，获得了它们在不同范围内的表面形貌象。得到了一此比较有价值的结果。国外N.Garcia等人在这方面也做了一些工作“他们提出了颗粒粗糙度(gr-anular-roughness)和显微粗糙度(Microroughness)的新概念，对表面粗糙度的评定具有一定的意义。

　　应该指出:sTM是应用量子隧道效应原理得到材料表面的电子状态进而得到表面结构的，一般来说，sTM象和表面形貌象不是一一对应的。这影响了检测精度，然而这种影响并不大。

　　总之，粗糙度的检测是非常重要的。随着科学技术的发展对材料表面粗糙度的要求会日益提高，STM将成为一种粗糙度的标准检测仪器。

　　作者：姚骏恩 商广义 贺节 焦越坎 艺苑(中国科学院北京电子显微镜实验室北京)