优化型多扫描方式原子力显微镜的研制

近年来，微纳米技术在国内外得到飞速发展，由此形成了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米电子学及纳米光子学等分支学科。以扫描隧道显微镜(sTM) 和原子力显微镜(AFM) 为主要代表的扫描探针显微镜(SPM)，是微纳米技术发展的重要基矗其中尤以 AFM的应用最为广泛，它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体 、绝缘体等多种材料进行观测，因而国际上研究开发了多种形式的AFM技术收稿日期：2013-03-29； 收到修改稿日期：2013-05-24基金项目：国家自然科学基金资助项目：光致表面弹性波的机理及激光驱动马达的新方法研究(51077117)浙江省自然科学基金(Z1110196)作者简介：陈欢(1989-)，男(汉族)，湖北仙桃人。硕士研究生，主要研究工作是微纳米信号检测。E-mail：chenhuan0102###gmail.com。

http：//兰兰 查簦 塑 堕 ：笠!垡 型垒塑 堕 垦丝壁 12及仪器设备L4 J，并且在微纳米技术领域获得了广泛应用。但是，随着微纳米技术的发展，对 AFM的性能及适用范围也提出了更高的要求。

AFM 通过探测作用于探针与样品之间的原子力，获得样品表面的三维微纳米形貌。传统的 AFM通常采用小型化的探头设计，采用样品扫描的方式，实现小尺寸样品的小范围、高分辨扫描成像 J，但是对大尺寸大范围样品无能为力，这是因为传统 AFM 中的压电陶瓷扫描器驱动力有限，无法驱动大样品的扫描，必须对大样品进行切割才能实现其扫描，从而使其应用范围受到很大限制。为了解决这-问题，人们进-步研究开发了大样品台的 AFM 系统 J，通过扫描探针的方式实现大样品的大范围扫描，但是这类 AFM通常只能提供单-的探针扫描方式，而且在获得大扫描范围的同时，不可避免的降低成像分辨率。因此，研究和发展具有多种扫描方式的 AFM技术及系统，具有其必要性和迫切性。

为此，本文提出和发展了-种多扫描方式的新型AFM技术及系统。采用三个扫描器及三种扫描方式，能够同时实现小尺寸样品的小范围高分辨快速扫描，以及大尺寸样品的大范围扫描成像，具有更全面的功能、更优化的性能及更高的实用性。

1 系统组成及工作原理图 1所示为多扫描方式 AFM 系统的总体框图。该系统包括 AFM 探头、扫描与反镭制电路系统、计算机软硬件系统等三大部分。AFM探头由AFM微探针(微悬臂)、微悬臂偏转量的光电检测单元、被测样品、叠层式压电陶瓷扫描器(扫描器 1)、管状压电陶瓷扫描器(扫描器2)、步进扫描器(扫描器3)、桁架和基底等部分组成。其中，光电检测单元包括半导体激光器(LD)、聚焦透镜、位置敏感元件(PSD)等，采用光杠杆放大的原理，将微悬臂的偏转量放大，由PSD将光信号转变成电信号，从而实现探针与样品间的原子力检测，最终获得样品表面的三维微纳米形貌。

扫描与反镭制电路系统由前置放大器、比例-微分-积分(PID)反馈电路、压电陶瓷扫描控制电路、步进扫描控制电路、高压放大电路等组成，实现不同扫描方式及不同范围的扫描成像。

计算机软硬件系统通过 A/D和 D/A接口，控制AFM系统的扫描器，以不同的扫描方式实现各类样品的扫描及成像。

图 1 多扫描方式 AFM 系统总体框图Fig.1 Scheme ofmulti scan mode AFM如上所述，该AFM具有三种不同的扫描器，能够提供三种不同的扫描方式(图2)。

扫描器 1由两个相互垂直的管状压电陶瓷和柔性结构组成，实现 向的扫描，并与扫描器2的z向http：//WWW.gdgc.ac.cD18 光电工程 2013年 7月反馈压电陶瓷组合，以样品扫描的方式，实现样品的快速高精度扫描成像(图 2(a)。在这-扫描器及其扫描方式中，XY二维扫描器与 z向反镭制器分离，有效地克服了传统扫描器z向反镭制与XY扫描平面之间的非线性交叉耦合误差Ll，提高了 AFM 的扫描精度及分辨率。与此同时，我们将样品台设计成了梳状的柔性结构，这种结构在运动方向上有很好的刚性，在垂直于运动的方向上有较好的柔韧度，从而减小了 和 y方向扫描运动的交叉耦合，进-步提高了AFM在快速扫描时的性能。在该扫描方式下，AFM的最大扫描范围为 4 m×4 gm，横向分辨力达到 0.2 nm，纵向分辨力 0.1 nm，对于 400 pixelsx400 pixels的图像，扫描速度可以达到 30行/秒。

扫描器2由三个相互垂直的叠层式压电陶瓷组成，相对于管状压电陶瓷，在相同控制电压下，叠层式压电陶瓷能够产生更大的微纳米位移，因而更适合于大范围扫描，该扫描器能够同时实现XY向的扫描和 z向反馈，以探针扫描的方式，实现不同尺寸样品的微纳米扫描成像(图 2(b))。该系统使用光束偏转法检测AFM微悬臂的偏转量，在探针扫描方式下，为使大范围扫描时激光光斑不脱离微悬臂，在扫描器2上安置了-个透镜，透镜光轴与 LD发出的激光束光轴重合，微悬臂位于透镜焦点位置，保证激光器光斑通过透镜后始终聚焦在微悬臂上，经过微悬臂反射，投射到 PSD光敏面上，实现微悬臂偏转量的检测，从而实现样品表面形貌三维微纳米成像。在该扫描方式下，AFM 的最大扫描范围可以达到 20 gm20 gm。

扫描器 3由两个互相垂直的步进微动台组合而成，z向反馈由扫描器 2的z向压电陶瓷完成，由于步进电机具有强大的驱动力，步进微动台具有很大的承载能力，因此，采用这-扫描器及其样品扫描方式，能够实现大尺寸样品的大范围扫描成像(图2(c)。扫描时采用 32和 64步进细分方法，其扫描分辨力分别达到 0.2 gm和 0.1 txm，这种扫描方式可实现的单幅AFM 图像最大扫描范围为 40 gmx40 gm，更宽的扫描范围可由图像拼接的方法来实现，以同时保证较高的图像分辨率。

(aHigh-resolution scan mode (b)Wide range scan mode (c)Large sized sample scan mode图2 AFM探头的三种扫描方式Fig.2 Scan modes ofthe AFM probe我们 自行研究建立了相应的扫描与反镭制电路系统，并研究开发了软硬件系统。限于篇幅，在此不作详细介绍。

2 实验结果为了验证该优化型多扫描方式 AFM的性能，针对三种不同的扫描方式，进行了相应的实验。

对于小尺寸样品的小范围扫描，选用图2(a)所示的第-种扫描方式，实现高分辨快速成像。图3所示是扫描获得的多孔氧化铝样品的AFM 图像，扫描范围4 pmx4 pm，对于 400 pixels400 pixels的图像，扫描速度可以达到30行/秒，即每幅图像扫描时间 14 s左右，相对于多数AFM扫描-副图像需要几分钟而言，我们的 AFM 系统可实现更加快速的成像。从图中能够清晰地看出多孔氧化铝的纳米孔分布，平均孔径为 180 nm，平均孔间距为 360 nm。

http：//20 光电工程 2013年 7月pm。实验结果表明，该AFM系统性能稳定，可以根据实际需要提供多种扫描方式，具有分辨率高、扫描速度快、重复性好等优化性能，而且能同时实现各类尺寸样品的各种扫描范围的微纳米成像，具有更好的实用性，可望在微纳米技术领域获得广泛应用。