新型大扫描范围原子力显微镜的研究

　　引 言

　　纳米技术是二十世纪九十年代出现的一门新兴技术。它在 0.1 至 100 纳米的尺度研究利用原子和分子现象及其结构信息，由此推动科技的发展和社会的进步。扫描探针显微镜(STM)，包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等，是纳米技术领域的重要研究工具。它们可以在真空、大气和液体环境下工作，在纳米量级对各种材料或样品的结构信息和物理性质进行检测，也可用于原子操纵和纳米加工，因而在物理学，化学，生物学，医学，微电子学，微机械等领域得到了广泛应用。AFM 的主要性能指标包括其最大扫描范围和测试分辨力等。扫描范围一般在几微米至几十微米量级，有时无法满足某些特定场合(如工业上)的需求。要增大扫描范围，可采用加大压电陶瓷的长度，提高压电陶瓷的电压等方法，但都存在一定的局限性。如要加大压电陶瓷的长度，一方面其制作比较困难，很难做到质地均匀，另一方面也不利于扫描器的小型化。而增大扫描电压，压电陶瓷的非线性效应将十分明显，严重影响图像质量和扫描精度;另外，电压太大时有可能导致压电陶瓷的击穿。为解决上述问题，我们研制了一种新型的大扫描范围 AFM。本文介绍了该 AFM 的原理、方法及其控制系统，进行了保持纳米级分辨力的大范围扫描实验，得到理想的结果。

　　1 原理与系统

　　AFM 是通过探测原子间的相互作用力大小来探测物体的表面形貌的。在 AFM 中，当对力敏感的微悬臂上的探针充分逼近物体时，探针针尖的原子与物体表面原子间就会产生原子间的作用力，原子力的大小与针尖到物体表面的距离存在一定的关系，通过探测微悬臂的偏转程度，即原子力的大小，即可得到物体表面的形貌图。

　　AFM 采用压电陶瓷构成的扫描器对样品进行扫描。根据压电陶瓷的逆压电效应，在一定的电场 E 的作用下，压电陶瓷会产生一定的形变，形变的大小和方向与所加电场 E 有关。由于许多驱动控制电路都只提供一路单极性电压信号，这样压电陶瓷就只能伸长(或缩短)。 而压电陶瓷所承受的电压不宜过大，所以用这种方式驱动，扫描范围一般较小。我们设计了一种可提供正负变化的扫描电压的控制电路，将电压分别施加在压电陶瓷管的外壁电极和内壁电极上，如图1 所示。当外壁加负电压-U、内壁加正电压+U 时，压电陶瓷管缩短;反之，当外壁加正电压+U、内壁加负电压-U 时，压电陶瓷伸长。伸长量和缩短量之差，即为压电陶瓷的扫描范围。显然，此时的扫描范围是内壁加 0V 电压、外壁加+U 电压时伸长量的 4倍，即扫描范围提高到了原来的4 倍。为进一步扩大 AFM 的扫描范围，我们使用了图像拼接的方法，其扫描原理如图 2 所示：将样品置于步进电机驱动的 XY 移动台上，如图2(a)所示。移动台和样品，在 X 方向每移动一定距离，就由扫描器扫描获得一幅样品图像，由此获得一系列连续的序列图像如图 2(b)所示。图像序列中后一幅图像的左端和前一幅图像的右端相同。根据相邻图像象素点之间的对应关系，可拼接得到一幅大范围的样品图像，如图2(c)所示。如此，可按需求大幅度地扩大扫描范围。