（机械制造及其自动化专业论文）使用微石英晶振的磁力显微镜的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 - p - 7 弘二 磁力显微镜( m f m ) 是扫描力显微镜( s f m ) 的一个分支，它适用于各种磁 性材料磁结构的测量和研究。本文对基于微石英晶振的磁力显微镜的工作机 理、磁探针的制备原理、技术和影响因素等进行了深入的研究。 文中首先介绍了磁力显微镜的发展历程、工作过程、主要应用和存在的问 题，并对基于晶振的微力传感器的起源、发展和国内外的研究情况做了详细的 说明。 详细描述了晶振作为扫描探针显微镜( s p m ) 的传感器的物理和电气特性， 探讨了其与样品表面相逼近时相互作用的原理，建立了物理模型来对其动力学 特性进行解释。并对影响晶振振动的关键因素进行了分析。 介绍了磁力显微镜的工作原理，详细分析了磁针尖与磁性样品表面之间的 相互作用机理、磁力测量技术和图像模拟，并对影响其图像分辨率的因素进行 了分析。 、 说明了磁针尖的制备原理和技术，详细讨论了影响其质量的几个关键因 素，改进了其控制电路，进行了相应的实验验证，并对其结果给予了理论上的 解释，分析了针尖形状对图像分辨率的影响。 全面、系统地介绍了我们实验室开发的多功能、模块化的s p m 系统。( 包 括了其结构、扫描装置、宽范围二维弹性工作台和控制系统等的设计。最后， 对全文进行了总结，并指出了今后研究工作的方向。 关键词：磁力显微镜 晶振 磁探针 图像分辨率 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eb r a n c ho fs c a n n i n gf o r c em i c r o s c o p y ( s f m ) ，m a g n e t i c f o r c e m i c r o s c o p y ( m r m ) i sw i d e l yu s e dt om e a s u r ea n ds t u d yt h em a g n e t i cs t r u c t u r e s o fm a g n e t i cm a t e r i a l s t h ep r i n c i p l eo fm f mw h i c hu t i l i z e saq u a r t zr e s o n a t o ra s s e n s o ra n da c t u a t o ri si n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l e ，t e c h n o l o g i e sa n df a c t o r so ft h e p r e p a r a t i o no fm a g n e t i ct i p sa r ea l s op r e s e n t e di nd e t a i l t h ed e v e l o p m e n t a l h i s t o r y , o p e r a t i o np r o c e d u r e ，a p p l i c a t i o n s a n d e x i s t i n g p r o b l e m so ft h em a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p y a r ei n t r o d u c e dt h e nt h eo r i g i n ， p r o g r e s sa n dt h es t a t u so f t h ed e v e l o p m e n to ft h eq u a r t zr e s o n a t o ra ss e n s o ra n d a c t u a t o ri nm i c r o s c o p ya r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h e p h y s i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f t h er e s o n a t o r , t h ec r i t i c a lf a c t o r st h a t a f f e c tt h eo s c i l l a t i o np e r f o r m a n c ea r es t u d i e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h eq u a r t zr e s o n a t o ra n dt h em a g n e t i cs a m p l es u r f a c ei sa n a l y z e d t h ep r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p y , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m a g n e t i cp r o b e a n dt h e m a g n e t i cs a m p l e ，t h em e a s u r i n gt e c h n i q u e s o ft h e m a g n e t i cf o r c e ，i m a g es i m u l a t i o n a sw e l la st h ef a c t o r st h a ta f f e c ti t s i m a g e r e s o l u t i o na r es t u d i e d t h et h e o r ya n dt e c h n i q u e so ft h ep r e p a r a t i o no ft h e m a g n e t i ct i p s a n dt h e f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e i rq u a l i t i e sa r ed i s c u s s e da tl e n g t ht h ec o n t r o lc i r c u i ti s i m p r o v e ds o m el a bw o r kh a sb e e nd o n ea n dt h et h e o r e t i c a li n t e r p r e t a t i o n so f t h e r e s u l t sa r ec a r r i e do u t t h e nt h ei n f l u e n c e so ft h et i po nt h ei m a g er e s o l u t i o na r e a n a l y z e d as c h e m a t i cv i e wo fo u r m u l t i - f u n c t i o n a l ，m o d u l a t i o n s p ms y s t e mi s d e v e l o p e dt h ed e s i g n so f t h es y s t e m ，t h es c a n n i n gs t r u c t u r e ，t h et w o d i m e n s i o n l o n g r a n g ee l a s t i cs c a n n i n gt a b l ea n dc o n t r o l l i n gp a r t sa r ei n c l u d e d as u m m a r y o ft h ew h o l ew o r ka n dt h ed i r e c t i o no ft h er e s e a r c ha r ea l s os h o w e d k e y w o r d s ：m a g n e t i c f o r c em i c r o s c o p y q u a r t zr e s o n a t o r m a g n e t i ct i p i m a g e r e s o l u t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1磁力显微镜的概述 一、磁力显微镜( m f m ) 的发展历史 m f m 是一种扫描探针显微镜( s p m ) ，它的探针是一个微小的铁磁性针尖， 在磁性材料表面上方扫描时能感受到样品杂散磁场的微小的作用力，探测这个 力就能得到产生杂散磁场的表面磁结构的信息。要了解m f m ，必须从扫描隧 道显微镜( s t m ) 谈起。s t m 是b i n n i g 和r o h r e r 于1 9 8 2 年发明的，是s p m 家族中的第个成员| 1 1 。s t m 基于量子隧道效应。当一个原子尺度的金属针 尖非常接近样品，在有外电场存在时，就有隧道电流i 。发生。i 。强烈地依赖于 针尖与样品之间的距离，比如01 n m 距离的微小变化就能使i ，改变个数量级， 因而探测i 。就能得到具有原子分辨率的样品表面三维图象。s t m 能获得表面 电子结构信息，可在大气、真空、低温及液体覆盖下使用，因而被广泛应用于 表面科学、材料科学、生命科学及微电子技术等领域。事实上，s t m 的发明 极大地推动了纳米科技的发展。然而，由于在操作中需要旌加偏电压，因而 s t m 只能用于导体和半导体。1 9 8 6 年问世的原子力显微镜( a f m ) 是s p m 家族中的第二个成员【2 】，其原理是当针尖顶部原子的电子云压迫样品表面原子 的电子云时，会产生微弱的排斥力，如范德瓦尔斯( v a nd e rw a a l s ) 力、静电 力等，且力随样品表面形貌而变化。如果用激光束探测针尖悬臂的位移的方法 来探测该原子力，就能得到原子分辨率的样品形貌图象l 引。由于a f m 不需要 施加偏压，能应用于广阔的领域。更重要的是a f m 能够探测任何类型的力， 如磁力显微镜( 姗m ) 、电力显微镜( e f m ) 、摩擦力显微镜( f f m ) 等。 众所周知，磁相互作用是长程的磁偶极作用，因而如果a f m 的探针是铁 磁性的，而且磁针尖在磁性材料表面上以恒定的高度扫描。就能感受到磁性材 料表面的杂散磁场的磁作用力，因而，探测磁力梯度的分布就能得到产生杂散 磁场的磁畴( 包括写入的磁斑) 、磁畴壁以及畴壁中的微结构等表面磁结构 的信息，这就是m f m 。纳米尺度的磁针尖加上纳米尺度的扫描高度使磁性材 料表面磁结构的探测精细到纳米尺度，这就是m f m 这个新工具的特点和意义。 第台m f m 是m a r t i n 等人在1 9 8 7 年研制成功的1 4 l 。在1 9 8 7 一1 9 9 1 年期间， l 华中科技大学硕士学位论文 世界上一些重要的实验室自行研制形式各异的m f m ，对磁性材料的m f m 研 究作了探索和实践。大约从1 9 9 2 年起，m f m 的产品已推向市场，使得m f m 的操作规范和简化了，可靠性提高了，因而广泛地应用于各种磁性材料的研究。 二、磁力显微镜的工作过程【5 1 在现有的几种产品中，美国d i g i t a li n s t r u m e n t s ( d ) 公司生产的型号为 n a n o s c o p ei i i a 的m f m 可以作为代表。d i 的m f m 的最大的扫描范围决定于 压电扫描器，现有05 、1 0 、9 0 、1 2 0 1 a m 几种。d i 采用和发展了动态检测的方 法，使磁性针尖以6 0 l o o k h z 的频率上下振荡，并在样品的同一面积上进行 两次扫描。第一次扫描采用轻敲a f m 模式( t a p p i n gm o d ea f m ，即扫描时上 下振荡的磁针尖轻轻地敲击样品表面，可测出表面形貌数据。然后采用抬举模 式( 1 i f tm o d e ) ，即抬高针尖至一定的高度( 通常是1 0 - 2 0 0 n m ) ，沿着第一次 扫描的轨迹进行第二次扫描，测出磁力数据。这样，在同一样品面积上逐行扫 描完毕，就能同时测出形貌和磁力( 梯度) 图。众所周知，磁性材料的磁性与 其晶体微结构有非常密切的关系，因而这个性能对磁性材料的m f m 研究十分 有益。 第二次扫描 ( 磁力图 第一次扫描 ( 形貌图) ( a ) ( b ) 图llm f m 和探针二次扫描的示意图 图11 ( a ) 和( b ) 分别是m f m 及二次扫描的示意图。图( a ) 中可见一 根细小的悬臂上有一个磁针尖，其下方的样品固定在一个压电扫描器上。磁针 尖和磁性样品的相互作用引起的悬臂的偏转，由在悬臂上反射的激光束和一个 光电二极管组探测。悬臂和磁针尖的运动，压电扫描器的操作，以及探测信号 华中科技大学硕士学位论文 的分析由计算机和s p m 控制器控制完成，所得到的形貌和磁力图则由显示器 显示。本文第三章将详细介绍针尖和样品之间的相互作用原理。 三、m f m 与其它磁成像技术的比较1 4 ，5 l 对磁性材料进行成像的技术有很多，有些已经很完善，也有一些像m f m 一样刚发展不久。这些技术中，都需要由磁颗粒、光或电子组成的探针。其中 每种技术都有自己的优势和缺点，决定了它们最适合的应用范围。 最早也许也是最简单的畴观察方法是b i t t e r 模型技术，利用磁胶体颗粒( 通 常是f e 3 0 。) 聚集在畴壁漏磁场梯度内的特点。一般利用光学或电子显微镜来 观察得到的粉末模型结构。虽然这项技术受颗粒大小和数目统计上的限制，但 它仍然是一有力的技术手段。由于该技术显著的简易性，已经使其在畴成像 领域具有很重要的地位。 m f m 与b i t t e r 技术有许多相同之处，都是使用磁性探针而且响应的也是相 类似的力。但是，二者也有许多显著的不同。首先，m f m 信号的电子特性使 其能更好的观察到样品漏磁场的精细梯度，结果也更适合于定量分析。此外， 通过控制针尖磁化状态可以帮助人们获得漏磁场的矢量信息。 另一个传统而有效的畴成像技术是k e r r 显微镜，利用的是磁光效应。样品 经线性偏振光照射，与样品磁化结构相互作用后，偏振光方向会发生旋转，观 察则既可以是透射( f a r a d a y 效应) 方式也可以是反射( k e r r 效应) 方式。偏 振光的旋转直接与样品的磁化强度和方向有关。然而，由于偏振图像经常与样 品形貌发生干涉，图像中磁信号很弱，反差很低。该技术的优点是能够快速得 到图像，也可进行动态研究。k e r r 显微镜已经广泛应用到磁化方向很容易被 改变的软磁材料和磁畴方向旋转角度较大的磁光记录介质的研究。但分辨率受 光学分辨率的限制，为获得较高分辨率，需要采用其他的成像方法。 l o r e n t z 显微镜和全息术是利用电子探测磁结构的技术。这些技术观察的是 由于洛仑兹力或其他等同力所引起的电子轨迹变化，以及磁矢量势存在引起的 量子力学相的变化。它们可以作为透射电子显微镜( t e m ) 的补充手段。普 遍使用的f o u c a u l t 和f r e s n e l 模式的洛仑兹显微镜能够提供关于磁畴、薄膜中 的畴壁以及精细微磁结构的主要定量信息。虽然这些技术能够很容易达到几十 纳米的分辨率，但透射技术却要求样品必须是透明的，而且要非常薄( 通常小 于1 0 0 n m ) 。 华中科技大学硕士学位论文 而扫描电子显微镜( s e m ) 与极化分析( s e m p a ) 相结合技术也是利用电 子来探测磁结构，它具有很高的横向分辨率。这项技术利用的是铁磁样品散射 的二次电子，这些二次电子具有与共价电子总净自旋密度有关的自旋极化特 性。这样，利用二次电子极化可以对s e m 电子束探测面积内的磁化强度和方 向进行直接测量，而且极化测量与常规s e m 形貌图像可以同时获得。这个方 法具有非常高的表面灵敏度；但样品表面必须非常清洁而且要求在u h v 中进 行。理论上横向分辨率受电子探针直径限制，一般是几纳米。目前，已经得到 了具有零点几纳米分辨率的s e m p a 图像。 s e m p a 可以直接测量样品磁化强度和方向，是一非常有力的技术手段。 形貌因素可以完全从测量中排除，同时还可以利用俄歇电子完成化学分析。其 主要缺点是信噪比低，仪器构造复杂。效率及计数率很低，需要很长时间来得 到高反差的图像。清洁样品、去除非磁性覆盖物并在u h v 中操作的需求使得 这项技术没有m f m 等其他技术方便。然而，利用这项技术特殊的稳定性，可 以高分辨率地直接测量样品的磁化性质。 同检测样品漏磁场的m f m 比较，上面一些技术可以更加容易获得与样品 的磁化性质相关的信息。此外，以电子为基础的技术通常可以给出更高的分辨 率，而m y m 则依靠使用特别好的针尖来获得高分辨率。但是，对于磁记录介 质而言，人们对材料漏磁场参数可能更感兴趣。更重要的是m f m 操作非常简 单，可以在空气中操作，而且不需要特殊的样品制备，并适用于所有的磁性材 料。 四m f m 的主要应用及存在的问题 1 m f m 的应用1 4 5 6 l 磁记录介质材料是m f m 研究最多的物质之一。事实上，在m f m 发展初 期，m f m 首先用于各种磁记录介质和磁头，在很小的尺度上仔细研究写入的 磁斑、记录的轨道、磁头磁场分布等，以分析和判断磁盘和磁头的性能。现在， m f m 业已成为高密度磁盘常规测试的工具。超高密度磁存储技术的发展要求 在纳米尺度研究磁性晶体的微结构及探测磁性晶体的单畴性，因而必须采用 m f m 。 m a n i n 等人第一次利用m f m 对t b l 9 f e 8 l 薄膜( 一种重要的磁光材料) 中 4 华中科技大学硕士学位论文 写入的磁畴结构( 静磁场) 作了研究，空间分辨率达到l o o n m 。m f m 也可对 软磁膜的磁畴进行结构研究。m f m 具有足够的灵敏度和分辨率来观察图像中 波动结构等磁信息。针尖一样品间距少于1 0 0 n m 时，还可清晰看到针尖诱导畴 壁运动的证据。 再次，m f m 能够用来观察磁粒子的微磁学性质和一些物质的磁壁结构。 近年来，利用m f m 对有机铁磁体以及生物分子磁性的研究也已经引起科学工 作者的广泛重视。 2 m f m 研究中的一些问题1 4 5 1 各种磁性材料磁力( 梯度) 图的准确测量。实际上这就要使磁针尖和样品 匹配起来，尽可能减少磁针尖和样品的相互影响。 m f m 的定量测量和磁畴结构的计算机模拟。m f m 的定量测量，在很大的 程度上是测定磁针尖的性质，如磁矩、弹性系数、品质因数等。但这是相当困 难的，何况小小的磁针尖上还可能存在磁性微结构。这就要用校准的方法，并 对针尖作合理的近似，才能开展对所测磁力图的解释、分析和计算机模拟工作。 m f m 在1 9 8 7 年发明后的很短期间内，分辨率已达到5 0 n m 。但至今其现 实的横向分辨率仍停留在5 0 2 0 n m ，表明在m f m 现有的构架内分辨率已难以 突破，要获得实质性的提高，需要有新的思想。 1 2 基于晶振的微力传感器的发展 一微悬臂及其检测装置作为微力传感器 s f m 的关键部件是微悬臂，为了准确反映样品的表面形貌，提高仪器的 灵敏度，微悬臂应满足下列要求：( i ) 低的力弹性常数，这样受到很小的力就 能产生很大的可检测的位移。( 2 ) 高的横向刚性，可以减小横向力的影响。( 3 ) 传感器带有导电极和镜子，以便可以通过隧道电流法或光学法检测微悬臂的微 小形变。( 4 ) 一个尽可能尖锐的针尖。另外，一个检测微悬臂形变的装置也是 必不可少的。理想的检测方法应具有纳米级的灵敏度，并且检测方法本身对悬 臂的影响应小到可以忽略不计的地步坤“j 。 检测悬臂形变的方式基本上可以分为三种：( 1 ) 隧道电流检测法( 2 ) 电 容检测法( 3 ) 光学检测法【”。隧道电流检测法是通过测量微悬臂表面和s t m 华中科技大学硕士学位论文 针尖之间的隧道电流变化来检测微悬臂的形变。电容检测法是当微悬臂受力的 作用而产生微位移时，将改变与之相连的电容的极板间距离，因此电容值发生 变化。这两种检测方法已经很少用了。现在绝大多数用的是光学检测方法，光 学检测法有两种基本的检测类型：干涉法和反射法，干涉法是通过参考光束和 探测光束的干涉后产生的相移来反映微悬臂的位移，进而得到微悬臂所受的力 的大小。反射法比干涉法简单，但需要微悬臂具有较光滑的反射表面。不论哪 种方法，必要的光学检测仪器是不可缺少的( 如四象限光电检测器) ，而这种 检测仪器通常都是非常昂贵的。 根据探针同样品作用力性质的不同，s f m 仪器主要有三种成像模式：接触 模式，非接触( 抬举) 模式和轻敲模式1 8 i ，如图12 所示。 图l2s f m 三种扫描模式的成像比较 在接触模式中，针尖始终同样品接触并简单地在表面上滑动。当针尖顶部 原子的电子云压迫样品表面原子的电子云时，会产生微弱的排斥力。大小通常 为1 0 一1 0 1 1 n 。接触模式的优点是可产生稳定、高分辨率图像，但由于探针在 样品表面上的移动以及针尖表面间的粘附力，有可能使得样品产生相当大的 变形，同时表面摩擦力也使得针尖产生较大的损害。 非接触模式是控制探针在样品表面上方扫描，始终不与样品表面接触， 因而针尖不会对样品造成污染或产生破坏，避免了接触模式中遇到的一些问 题。针尖和样品之间的作用力是很弱的长程作用力一范德华吸引力。非接触模 式是测量长程力所采用的方法 9 1 2 1 。其分辨率比接触模式的分辨率要低，由于 针尖很容易被表面吸附气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和 对样品的破坏。因此非接触模式操作实际上较为困难，并且通常不适合在液体 中成像。 轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间【1 3 i 。其特点是扫描过程中微悬 华中科技大学硕士学位论文 臂也是振荡的并具有比非接触更大的振幅( 大于2 0 n t o ) ，针尖在振荡时间断地 与样品接触。由于针尖与样品接触，分辨率几乎和接触式扫描一样的好，但由 于接触是短暂的，因此对样品的破坏几乎完全消失，克服了常规扫描模式的局 限性。轻敲模式还具有大而且线性的操作范围，使得垂直反馈系统具有高度稳 定性，可重复进行样品测量。对于软、粘和脆性样品的研究具有独到的优势。 但轻敲模式同样也增加了操作和设备的复杂性，在实际运用中存在着不易控制 的缺点。 s f m 技术的发展强烈依赖于带有特殊针尖的微悬臂制备技术的发展 1 3 1 5 1 。这种微悬臂和针尖必须是能够简便而快速制备的。在原子力显微镜发 展之初，悬臂几何形状一般为l 形。其主要是通过将一个很细的金属丝或线 圈弯曲9 0 0 后，顶端经电化学腐蚀成一个针尖而制备得到的。这种制备方法完 全依赖于实验技师的手工技能。第二种悬臂制备方法是微刻技术。第一代是简 单的s i 0 2 悬臂，形状为直角和三角是从氧化硅片上刻蚀得到的。其同腐蚀 金属针尖相比，不能很好的控制其尖锐程度。后来改用s i 3 n 4 代替s i 0 2 作为悬 臂材料。s i ，n 。脆性较低，而且厚度可以从15 降到03 u m 。这一代悬臂具有完 整针尖，而且曲率半径非常低。美国斯坦福大学是在硅片上刻蚀出金字塔形的 小片，可以得到曲率半径小于3 0 n m 的针尖。i b m 公司则采用硅片( 1 0 0 ) 来 制备具有完整针尖的硅悬臂，曲率半径低于1 0 0 n m 。这些通过微电子加工将针 尖集成于一体的微悬臂方法有很好的可重复性，不需粘另外的针尖，便于大批 量生产。所以一般商用的a f m 都采用这种力传感器。但对于静电力显微镜和 磁力显微镜来说，由于针尖材料具有特殊的要求，还是要采用在微悬臂上粘针 尖的方法。 从以上可以看出，这些基于微悬臂的s f m ，它们都有一个共同的缺点【i “1 7 1 ： 它们不仅需要一个结构复杂的微小悬臂作为力的传感器，而且还要一个激光干 涉仪用于检测微悬臂的微小位移来获得表面变化信息。因而结构较为复杂，成 本也很高，操作难度增大，也就造成其在应用中的局限性。所以必须采用其他 的传感器和非光学的检测方法。 二石英晶振作为微力传感器 从前面分析可知，在非接触测量模式中，微悬臂是要靠压电驱动器进行 a c 驱动来做小幅的振动，随着其进一步的发展，人们把目光开始转向压电材 华中科技大学硕士学位论文 料，当石英等材料受到应变时会产生电荷，而当在这些材料上施加电场时，其 几何尺寸就会发生变化，这种现象被称为压电效应。1 9 9 0 年i b m 公司g r u t t e r p 等提出了可以将微悬臂粘附在双晶片之间以产生稳定性很好的高频振荡信 号，从而对由于力梯度的作用下悬臂的形变信号进行频率调制，通过解调就可 以获得表面形貌，研究显示了在固定带宽的情况下，灵敏度可提高2 倍以上【”j 。 1 9 9 1 年t r a l b r e c h 等采用在片层压电材料表面刻蚀出针尖来取代传统的用s i 材料做成的微悬臂 2 0 l 。由于压电材料能将机械振动特性的变化直接转化为电 荷变化，因此不需要激光测微仪，但用其制作的微悬臂品质因数q 值( 约2 0 0 ) 较低，使得分辨率有待提高，而且在片层压电材料表面刻蚀出针尖的成本太高。 因此必须使用一种高品质因数的压电材料的传感器以提高信噪比。 使用针式传感器的想法在1 9 8 8 年就产生了，当时因为测量集成电路的需 要，研究人员曾经试图模仿传统的轮廓仪，将一个针尖制作成圆弧半径可达 n m 级，这样就可以突破一些物理极限，如光的波长，以获得大约相当于光波 长的百分之一的测量精度。但是这需要解决两个问题：针尖的制备和测量相互 作用力。1 9 8 8 年，r g u n t h e r 等人探讨了使用石英音叉作为传感器的可能性 2 1 1 ， 将音叉的一个角作为针尖逼近样品表面，音叉的幅值和频率会随着逼近距离的 变化而变化，证明了使用石英晶振作为传感器，是一个很有希望的发展方向。 1 9 9 3 年，kb a r t z k e 等研制出了第一台这样的针式传感器并将它用于a f m 的测量中，其针尖的制备使用了机械蚀刻金刚石的方法，为了检测针尖和样品 之间的接触，针尖被固定在一个高灵敏度的1 m h z 杆状晶振上，晶振的谐振 参数的变化可以被相应的电路检测出来f 2 2 l 。 1 9 9 5 年，a m i d c h e l s 等报道了将晶振作为扫描近场声显微镜的探针的研 究。将t m h z 杆状晶振的尖角作为针尖以4 5 。角与样品逼近，将晶振受到的 阻尼信号作为测量距离的信号得到物体表面的形貌图。其垂直分辨率达到了 5 0 n m ，水平分辨率达到了2 0 0 n m ，是介于传统的轮廓仪和s f m 之间的一种仪 器【”l 。随着研究的进一步深入，研究者开始探讨将针式传感器作为其他类型 显微镜的应用。m t o d o r o v i c 等在1 9 9 8 年报道了一种使用音叉作为传感器的 磁力显微镜。在石英音叉的一支脚上粘附一个经过磁化的非常细小的针尖，即 可构成磁力传感器。石英音叉的脚只有2 m m 长，2 0 0 p m 厚，1 0 0 9 m 宽，弹性 常数只有2 0 0 0 n m ，只有传统的a f m 仪器的f 分之一。针尖是电化学腐蚀镍丝 的方法制作的，针尖的安装保证了音叉的弹性常数和q 值不发生大的变化1 2 “。 华中科技大学硕士学位论文 国内这一领域的工作开展的比较晚，1 9 9 7 年，计量科学研究院与西德的 合作项目中首次使用了这一技术，之后我们实验室也在这一领域进行了跟踪研 究，并获得了初步的结果。 从上述发展历程可以看出，使用石英晶振作为针式传感器，到目前其测试 精度并没有达到很高，但是由于其成本低廉，易于获得，性能稳定，在测试方 法上具有独到的优势，因此是一个很有前途的发展方向，随着研究的进一步深 入它的测量精度有可能进一步提高，这对于工业界和实验室来说，是一个性 价比很高的测量仪器，对于科学试验和工业应用都具有很大的价值。 1 3 课题的目的和意义 从上述可知，现有的基于微悬臂的扫描磁力显微镜存在种种不足。鉴于此， 本文想研制出一种采用新型传感器的结构紧凑的扫描磁力显微装置，以达到高 的测量稳定性、准确性和具有纳米尺度的测量分辨率。由此该仪器的研究成 功，可在下面几个方面起到促进作用。首先它可用于磁记录工业中的质量检验 控制中。例如对光盘制造进行超微观检测。另外对磁记录位的大小及分布等进 行高分辨率的检测。再次，可用于对生物样品磁触觉细菌内亚微米磁畴颗粒进 行直接观察及对单个细菌细胞内磁矩的定量研究。而这一点正是传统的悬臂式 m f m 所无法达到的。因此，本课题的完成，将对磁记录体系、铁及铁磁矿和 其他材料的微结构研究和生物领域带来巨大的经济效益和社会效益。 本课题来源子国家教育部博士点专项基金项目“计量型多功能扫描探针显 微镜的研究”。 1 4 本文研究内容 本人自进入实验室以来，一直从事基于石英晶振的m f m 及其腐针技术的研 究，具体研制内容如下： ( 1 ) 晶振作为测量元件的物理特性试验研究，晶振一表面系统的动力学 模型研究及机理试验，使用晶振的微力传感器的构成、设计和测量。 ( 2 ) 磁力显微镜测量机理的研究。 ( 3 ) 探针电化学腐蚀技术的研究。 在文中将对以上各项内容加以详细的论述。 q 华中科技大学硕士学位论文 2 针式传感器的机理研究 石英晶振主要用在电路中作稳频元件。为了克服传统的扫描探针显微镜在 应用中的不足，本文采用石英晶振作为微力传感器来取代传统的微悬臂和位移 检测装置。而石英晶振有两个优点： 1 、压电效应，从而使石英晶振免去了中间转化环节，形成一个独立的直 接和即时的微力测量单元。 2 、空气中极高的品质因素，从而使最小可测力梯度减小，传感器的灵敏 度提高。 2 1 晶振作为测量元件的物理特性研究 石英晶体是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体，其化学成分是s i 0 2 ，下图 所示是石英晶体的坐标轴系 2 6 i ： 弋加 ：帮 心， v y 图2 1石英晶体的坐标轴系 通常将通过两顶端的轴线称为光轴( z 轴) ，与光轴垂直又通过晶体切面的 六个角的三条轴线称为电轴( x 轴) ，与光轴垂直又和晶体横切面六边形的六个 边垂直的三条轴线称为机械轴( y 轴) ，x 轴、y 轴、z 轴统称为晶体的坐标轴 系。在同一方向上，晶体的性质是完全相同的。 石英晶体是一种各向异性的晶体，它具有正压电效应。沿某一机械轴或者 电轴施加压力，则在垂直于这些轴的两个表面上就产生了异号电荷，其值与机 0 华中科技大学硕士学位论文 械压力产生的机械形变成正比，若施以张力，则表面上的电荷与受压时的符号 相反。造成这种结果的原因是晶体的晶格在压力下变形，导致电荷分布不均匀。 石英晶体还具有逆压电效应，如果在石英晶体两个面之间加一电场，则晶体在 电轴或机械轴方向上就会延伸或压缩，延伸或压缩量与电场强度成正比。 如果将石英晶体置于交变电场中，则在电场的作用下，晶体的体积会发生 周期性的压缩或拉伸的变化，这样就形成了晶体的机械振动，晶体的振动频率 应等于交变电场的频率，在电路中也就是驱动电源的频率。当晶体振动时，在 它的两表面产生交变电荷，结果在电路中出现了交变电流，这样压电效应使得 晶体具有了导电性，可以视之为一个电路元件。石英晶体本身还具有固有振动 频率，此振动频率决定于晶体的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数，当晶体的 固有振动频率和加于其上的交变电场的频率相同时，晶体就会发生谐振，此时 振动的幅值最大，同时压电效应在晶体表面产生的电荷数量和压电电导性也达 最大，这样晶体的机械振动与外面的电场形成电压谐振，这就是石英晶体作为 振荡器的理论基础。 石英晶体的电气特性可用图中所示的等效电路图来表示，由等效电阻r - 、 l 。 c r 图2 2晶体的等效电路 等效电感l l 和等效电容c l 组成的串联谐振回路和静态电容c o 并联组成，静 态电容c 。主要由石英晶体的尺寸与电极确定，再加上支架电容组成。等效电 感l ，和等效电容c l 由切型、石英晶体片和电极的尺寸形状来确定。等效电阻 r l 是决定石英晶振q 的主要因素，是直接影响石英谐振器工作效果的一个重 要参数。r 。不仅由切型、石英晶体片形状、尺寸、电极决定，而且加工条件、 装架方法等对其影响也很大。因此，同一型号，同一频率的若干产品其q 值 也相差很大。 在等效电路中l 。和c t 组成串联谐振电路，谐振频率为： 串 华中科技大学硕士学位论文 小司紊 l l 和c i 又与c o 组成并联谐振回路 l = l 2 以k 盥 。+ ( 1 。 谐振频率为： ( 2 - 2 ) 通常石英谐振器的阻抗频率特性可用图2 3 表示。此处忽略了等效电阻 r 的影响由图可见，当工作频率f l 时，晶体又呈容性。晶体在晶体振荡 器主振荡级的振荡电路呈现感性，即工作频率在矗于l 之间。 z i i f 。i f 。 厂 。j rjl 图23石英谐振器的阻抗谐振频率 f 2 2 晶振一试件表面的作用机理试验及动力学模型研究 使用晶振作为传感器的工作过程为：在起振电路的驱动下，晶振将开始振 荡，此时处于自由状态的晶振的振动频率是其固有频率，振动的幅值是其固有 幅值。将高频振荡的晶振逼近样品表面，由于晶振与样品表面之间的作用力的 影响，音叉的幅值和频率会随着逼近距离的变化而变化，这样通过观察振动的 频率和幅值的变化就可以知道逼近距离的变化。在这种情况下，晶振与样品表 面之间的作用力是非常复杂的，为了解释晶振和表面的作用力，己经建立了许 多模型来进行解释，但是由于使用的晶振的形状和工作的条件的不同，相应的 理论模型电不一样，这就表明目前对于这种作用系统，尚无明确的理论探讨， 对应于我们实验室的工作，本文对晶振一表面之间的作用力作了初步的探讨。 华中科技大学硕士学位论文 目前作为传感器使用的晶振一般有两种：石英音叉和伸长型晶振。在我们 的试验工作中，对于两种传感器的性能都作了测试试验，获得了晶振接触样品 表面所得振动特性的变化特性曲线，并且利用我们研制的扫描系统进行了扫描 试验。下面对两种类型的传感器将一起加以论述。 音又是最早采用的压电晶振传感器，其形状如图24 所示。不同品种的音 图24 石英音叉结构图图2 5 伸长型晶振的结构图 又，其臂长l ，宽度b ，厚度t 是不同的。我们所用的音叉的臂长l 为25 2 m m ， 宽度b 为o2 6 5 m m ，厚度t 为01 2 5 m m 。 1 m h z 伸长型晶振是在较晚的时候才得到应用的，其形状如图25 所示。 采用伸长型晶振的好处是明显的，首先由于频率升高，所以传感器的灵敏度也 增强了，这样就加快了传感器的响应速度，其次是垂直方向的测量范围增大， 可以方便地测量陡立结构，再者就是它的接触面积小，作用力的范围电很小， 横向分辨率更高。 为了获得晶振在与样品表面相接近时 的谐振特性的变化，在我们实验室的微动工 作台上进行了3 2 k h z 音叉逼近样品表面时 音叉振动幅值的变化试验。在试验中，音叉 被固定在工作台上，直接测量音叉的振动幅 值比较困难，可以用起振电路的电压幅值来 间接表示，所以试验中从起振电路中提取电 压幅值之后进行显示。工作台有两级调节功 冷石荚晶体音叉 之勺 r r 一试件 u 图2 6 音叉逼近试件的试验 能，细调精度可以达到微米级，工作台的位移使用电容测微仪来测量，实验是 在常温下进行的。实验时，采用手工调节的方法，将音又粗调至与样品非常接 近的距离，然后调节细调旋钮，并观察电压幅值的变化：当电压发生变化时， 开始纪录工作台的位移，这样就可以获得电压一幅值变化曲线，如图2 7 。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 从图中可以看出，当音叉逼近 样品的距离小于1 0 0 9 m 时，电压的 幅值就会有显著的变化，逼近的距 离越近，电压幅值就越小。将音叉 的脚以不同的方向接近样品时，也 会得到不同的结果，当音叉的脚以 4 5 0 的角度逼近样品时，电压的变 化趋势最为明显。这就说明通过测 1o o8 06 04 02 0 5 0 10 0i 5 0 2 0 0 岫) 图27 音叉逼近样品表面时音叉振动幅值的变化 量电压幅值大小是可以表示音叉与样品之间的距离的，而且接触面积越小， 效果越明显。这也验证了早期的文献中报道的结果，1 9 8 8 年，p g u n t h e r 等人 探讨了使用石英音叉作为传感器的可能性，将音叉的一个角作为针尖逼近样 品表面，音叉的幅值和频率会随着逼近距离的变化而变化，证明了使用石英 晶振作为传感器，是一个很有希望的方向。 随着研究的深入，我们认识到对于音叉的使用，也可分为两种不同的测量 模式：远场模式和近场模式。分为这两种模式是因为随着距离的变化，针尖 和样品之间的作用力也发生了变化，对于小于2 0 0 9 m ，而大于1 0 n m 的范围， 空气阻尼起到了主要的作用，但这只是一个宏观的效应，在这种情况下，要 想提高水平分辨率受到了很大的限制，所以要提高分辨率，就要降低音又的 振幅，一般要小于2 0 n m ，甚至达到了05 n m 。但是振幅这样小的时候已经 远小于了空气分子的平均自由程( 约0l a m ) ，所以空气阻尼就不是最重要的 影响因素，而是静电力、范德华力、原子间斥力等作用力起到了主要的作用。 在远场模式中，当晶振振动时，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。当晶振前端与样品表面之间的间距小于 图28 晶振运动的等效 物理模型 2 0 0 9 m 且大于5 0 n m 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，这时主要是由于间隙中气体的流体阻 力改变了晶振的振动特性。 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。根据晶振逼近样品表面的运动特性 可建立如图28 所示的等效物理模型2 7 2 8 l 。这 1 4 蓄 华中科技大学硕士学位论文 是一个典型的二阶系统，它反映了空气阻尼的粘性、摩擦力和晶振本身的质 量对于样品和针尖作用的影响，模型虽然比较简单，忽略了音叉的不同方向 所造成的影响，但是还是描述了系统在这种情况下的主要作用因素，所以可 以从其中得出系统运动的大致规律，这电是目前对于远场模型的作用机理的 基本解释。 由牛顿定律可得到运动方程： 其特解为 埘x + c x + 缸= p 0s i n 白f ) ( 2 3 ) 。pp2：ji葛3i“叫一妒=爿sin甜一24 庐= t g 。若 一 式中：一晶振的质量，k 一弹性系数，p 、一压电效应施加的驱动力， c 一总阻尼，包括晶振的内部损失c ，和流体阻尼c ，c = c ，+ c ， 一驱动力的角频率，。一无阻尼时的晶振固有频率， 一频率比， 解的特点是振动频率为阻尼固有频率，振幅按指数规律衰减，在充分长时 间后，瞬态响应消失。稳态响应仅由特解x 。( f ) 决定。 如图29 ，由牛顿内摩擦定律可建立流体阻尼c ，与晶振和样品表面间距d 的近似关系【2 8 2 9 】： 一 黯 图29 晶振的运动简图 f = 等s ( 2 - 6 ) 崩 c = l g a p 。d 反比，a 随c 二的增大而减小 其中，f 为内摩擦力；以是晶振在x 方向 上的速度分量；d 为晶振前端与样品表面的垂 直距离：为流体粘度；s 为晶振前端与流体 的接触面积。 由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可知，c ，与间距d 成 因此a 随d 的减小而减小，相位庐随d 的变化而 华中科技大学硕士学位论文 变化。从特解x 。( f ) 的表达式中可以看出角频率u 与d 无关，即晶振振动的频 率f 近似与d 无关。根据石英晶振的压电效应，晶振机械振动幅值和相位的变 化引起交变电场电压幅值和相位的相应变化，因此检测晶振振幅和相位的变 化就可以得到晶振与样品表面间距离的变化。 音叉测量的近场模式是最近才发展起来的模型，当在远场模式下测量时， 在试验中发现精度受到了限制，精度很难达到微米级以下，这说明远场模式 实际上是一种宏观效应，在这里，空气的阻尼作用好像光的波长一样，对于 精度的提高形成了一种瓶颈，为了突破这个瓶颈，就必须跨越空气阻尼的作 用，寻找其他的作用力来进行测量。我们知道，音又受到空气阻尼的作用， 主要是由于音叉在空气中的振动引起的，为了减小空气阻尼的作用，必须要 减小音叉的振幅，一般要小到几十个纳米。但是振幅这样小的时候，空气阻 尼就不是最重要的影响因素，而是静电力、范德华力、原子间斥力等作用力 起到了主要的作用 1 , 3 0 , 3 ”，这其实又回到了原子力显微镜的作用范围，而且 这种模式与原子力显微镜的a c 模式也比较接近。 在这种模式下，振幅的测量变得比较困难，加在晶振上的电压为1 1 0 m v ， 振动幅值小于1 0 r i m 【3 ”，这样信号的信噪比将会很高，另外由于晶振的振幅的 响应速度比较低，降低了仪器的带宽，也使得图像的质量下降，所以一般都 不测量幅值，而是测量晶振的频率和相位的变化1 3 3 l 。 2 3 晶振作为测量元件时的重要性能参数 石英晶振本身具有很多性能参数，除了上面所提及的串联谐振频率、并 联谐振频率外，还有制造公差、拐点温度等，已经有很多文献对此作了论述， 但对于测量来说，选用石英晶体的重要原因是因为它的高频稳定性和极小的 振幅。所以本文只对晶体的品质因数、频率一电流特性、频率一温度特性进 行了论述。 晶体的品质因数q 是晶体的最重要参数。在一定程度上，当其他条件相 同时o 值越高晶体振荡器的频率稳定度越高，晶体的品质因数q 是由晶体 的动态参数决定的，即： ( ? = c o l l r l ；赤( 2 _ 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中u 为测试系数。 晶振的品质因数通常不作规定，对于标准部件，q 值通常在2 0 0 0 0 - 2 0 0 0 0 0 之间，精密晶体可高达5 1 0 6 ，这比传统的微悬臂的q 值要高1 0 0 1 0 0 0 倍。 石英谐振器的频率一电流特性，