（精密仪器及机械专业论文）并行原子力显微镜研制.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 多探针并行原予力显微镜在超高密度信息存储、纳米加工、大范围形貌检测 和计量等方面有潜在的应用前景。多探针并行可以提高纳米加工能力、提高超高 密度信息存储的读写速度和对大尺寸样品进行无损检测等，因而广泛地受到工业 和科研部门的重视。本文根据中国西班牙国际合作项目，针对当前并行原子力 显微镜发展的重点，主要就多探针并行反馈控制、探针阵列针尖与样品之间的逼 近及平行控制、多频道数据采集，并行处理实时显示等技术进行了深入研究，并 独立设计、制造了双探针并行原子力显微镜。本论文的主要研究成果有如下几点： 首先，研究了反馈控制回路的各个参数相互之间以及对系统稳定性的影响， 对整个反馈回路进行了模拟与仿真，根据仿真的结果对电路进行了优化；采用三 点支撑的探针样品之间的逼近系统，解决了样品阵列针尖的逼近以及保证样品 平面与针尖平面的平行问题，实现大尺寸样品扫描、双探针并行工作；研究并解 决了多频道数据采集、并行处理、实时图像显示等问题。着重论述了并行探针的 变形检测、并行探针样品之间的逼近及控制、信号放大、比例积分反馈、扫描 及高压驱动、数据采集、实时滤波处理及实时图像显示等部分。并行原子力显微 镜采用了层次化、模块化设计，可以作为单探针原子力显微镜使用，还可方便的 扩展为其他类型的扫描探针显微镜。研制出的并行原子力显微镜能够并行获得样 品的形貌、正压力、摩擦力等信息，能够实时处理、图像化显示采集到的1 6 种 数据中9 种数据或者曲线显示全部的1 6 种数据。 其次，在层次化、模块化设计的并行原子力显微镜控制软件的基础上，增加 了获取力曲线及对力曲线进行力标定功能，分析了力，位移曲线的各种转换关系， 使研制的并行原予力显微镜可以作为测试仪器使用；添加了模拟教学内容，以便 使用者有良好的使用前培训，减小对仪器的损坏。 另外，本论文利用原子力显微镜开展了部分应用研究工作：考虑针尖效应， 对纳米粒子的粒径进行了精密测量；研究了纳米粒子在聚四氟乙烯填充体系中分 布；利用原子力显微镜纳米加工了二维零位光栅。 本文所研制的并行原予力显微镜为以后开展形貌测量、力学性能测试、超高 密度信息存储、纳米加工、大范围检测以及计量等研究工作建立了一个良好的平 台。 关键词：并行原子力显微镜探针阵列光电检测 比例积分反馈 压电陶瓷扫描器力位移曲线数据采集图像处理及显示 计算机控制纳米加工 ! ：! ! ：里! ! ! 嬖! ! 旦! 竺釜! 竺 垒望! ! 垦垒竺! a b s t r a c t m u l t i - p r o b ep a r a l l e la t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) h a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nu l t r a h i g hd e n s i t yd a t as t o r a g e ，n a n o f a b r i c a t i o n ，l a r g e a r e an o n d e s t r u c t i v e e x a m i n a t i o n ( n d e ) a n dm e t r o l o g y m u l t i - p r o b ep a r a l l e lc a ni n c r e a s et h ec a p a b i l i t yo f n a n o f a b r i c a t i o n ，i m p r o v et h er e a d i n ga n dw r i t i n gs p e e do fu l t r a - h i g hd e n s i t yd a t a s t o r a g ea n dd e t e c tl a r g es a m p l e sw i t h o u td e s t r u c t i o n a sw e l lm o r ea t t e n t i o nt oi ti s p a i db yt h ei n d u s t r ya n dr e s e a r c hu n i t s a c c o r d i n gt ot h ec h i n a s p a i ni n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t i o np r o j e c ta n dt h ed e v e l o p i n ge m p h a s e so fp a r a l l e la f m ，m u l t i t i pp a r a l l e l f e e d b a c kc o n t r o l ，a p p r o a c h i n ga n d p a r a l l e lc o n t r o l i n gb e t w e e nt i p a r r a ya n ds a m p l e ， m u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n p a r a l l e lp r o c e s s i n g r e a l t i m ei m a g ed i s p l a ya n do t h c r t e c h n o l o g yw e r ei n v e s t i g a t e dd e e p l y ad o u b l e t i pp a r a l l e la f mw a sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e di n d e p e n d e n t l y t h er e s e a r c h f i n d i n g sj n c l u d e a sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，t h ee f f e c tb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so ft h ew h o l ef e e d b a c ks y s t e ma n dt h e e f k c tt ot h es t a b i l i t yo ft h ep a r a l l e la f mw e r ec a r e f u i l ys t u d i e d 。t h ef e e d b a c kw a s s i m u l a t e da n de m u l a t e d ，a n dt h ec i r c u i tw a so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t t h e a p p r o a c h i n gs y s t e mb e t w e e nt i p a r r a y a n ds a m p l ew a s i n v e s t i g a t e d t h r e e p o i n t s u p p o r t i n g m e c h a n i s mw r a s a d o p t e dt o e o n t r 0 1t h ed i s t a n c ea n dp a r a l l e lb e t w e e n t i p - - a r r a y a n d s a m p l e m u l t i c h a n n e l d a t a a c q u i s i t i o n ，p a r a l l e l p r o c e s s i n g a n d r e a l - t i m ei m a g ed i s p l a yw e r ea l s oc a r e f u l l ys t u d i e da n dr e s o l v e d d e r e c t i o no ft h e p a r a l l e lt i p s c a n t i l e v e rd e f o r m a t i o n ，t h ea p p r o a c h i n gs y s t e mb e t w e e nt i p a r r a ya n d s a m p l e ，s i g n a l sa m p l i f y i n g ，p if e e d b a c k ，s c a n n i n gm o d e ，h i g h - v o l t a g ed r i v e r ，d a t a a c q u i s i t i o n r e a l t i m ef i l t e ra n dr e a l t i m ei m a g ed i s p l a yw e r et a l k e da b o u ti nd e t a i li n t h i st h e s i s 。t h ep a r a l l e la f mw a s d e s i g n e di nl a y e r i n ga n dm o d u l a r m e t h o d i tc a nb e u s e da ss i n g l et i da f ma n db ee x p a n d e da so t h e rk i n do f s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e e a s i l y i tc a no b t a i nt o p o g r a p h y ，n o r m a lf o r c ea n df r i c t i o ni np a r a l l e l i tc a no b t a i n s i x t e e nk i n d sd a t aa n dr e a l t i m ei m a g en i n eo f t h e mo rd i s p l a ya l jd a t ai nc u r v e s e c o n d l y b a s e do nt h ep r o g r a m m e ds o f t w a r es y s t e mi nl a y e r i n ga n dm o d u l a r m e t h o d ，a c q u i r i n gf o r c e d i s t a n c ec h i v ea n dc a l i b r a t i n gf o r c ef u n c t i o n sw e r ei n t e g r a t e d t ot h ep a r a l l e la f m t h er e l a t i o n sb e t w e e nf o r c e d i s t a n c ea n dd e f o r m a t i o nw e r e a n a l y z e di nt h i st h e s i s t h e s ef u n c t i o n se n a b l et h eb u i l tp a r a l l e la f m a st e s ta n d m e a s u r e m e n te q u i p m e n t s i m u l a t i o no ft h ep a r a l l e la f ma n dt e a c h i n gw e r ea d d e d f r o mi t t h eu s e rc a nh a v eg o o dt r a i n i n gb e f o r eu s i n gp a r a l l e la f ma n dl e s s e nt h e d a m a g e t ot h ea p p a r a t u s f i n a l l ys o m ea p p l i c a t i o n sw i t ha f m w e r ei n t r o d u c e d ：p r e c i s i o nm e a s u r e m e n to f n a n o p a r t i c l e sd i a m e t e r ，i n v e s t i g a t i o no ft h en a n o p a r t i c l ed i s t r i b u t i o ni np t f ef i l l i n g m a t e r i a ia n dn a n o f a b r i c a t i o no f 2 - dz e r or e f e f e n c eg r a t i n g t h eb u i l tp a r a l l e la f mi sag o o dp l a t f o r mf o rt h ef u t u r er e s e a r c ho f m e a s u r i n g t h e t o p o g r a p h y o f s a m p l e ，m e c h a n i s mt e s t i n g ，u l t r a - h i g h d e n s i t y d a t a s t o r a g e ， n a n o f a b r i c a t i o n ，l a r g ea r e an d e a n dm e t r o l o g y k e yw o r d s ：p a r a l l e la f m ，t i pa r r a y ，p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ，p if e e d b a c k ，p z t s c a n n e r , f o r c e - d i s t a n c ec u r v e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dd i s p l a y ， n a n o f a b r i c a t i o n ，c o m p u t e r c o n t r o l - 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得生国抖堂撞苤塞堂或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解生垦抖堂莛苤太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅本人授权虫国科堂堇丕太堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字r 期：年月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月 同 电话 邮编 中国科学技术人学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 与探索字宙空间的奥秘一样，揭示介观和微观物质世界的物质结构和运动规 律也是人类科学探索过程中的重要课题。人们就一直为探索微观世界的奥秘而不 懈的努力。科学巨匠爱因斯坦早就预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世 界和微观世界进军。” 1 6 0 9 年，伽利略利用凹凸透镜的组合制成了望远镜和显微镜，分别用来观 察天体和微观物体，这是科学史上的一个里程碑。人们开始用自己发明的工具观 察物质的宏观世界和微观世界。1 6 7 4 年，荷兰人列文虎克发明了世界上第一台 光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细胞，从而开始了人类使用仪 器来研究微观世界的纪元。 光学显微镜的出现，开阔了人们的观察视野，但是由于受到光波波长的限制， 光学显微镜的观察范围只能局限在细胞的水平上，分辨率大约l o 。米至1 0 。7 米。 因此使用可见光的普通光学显微镜最小只能观察到细菌或大的病毒( 尺度为0 4 微米) 。为了突破这个限制，需要用更短波长的光去照射被探测的物体。1 9 2 4 年， 德柑罗意( ld eb r o g l i e ) 提出了微观粒子具有波粒二象性假说【l 】。在此基础上德 国伯林大学的m ，k n o l l 和e a fr u s k a 在1 9 3 2 年利用电子透镜可以使电子束聚 焦的原理和技术，成功地发明了电子显微镜( e m ) 【2 。电子显微镜一出现即展现 了它的优势，电子显微镜的放大倍数提高到上万倍，分辨率达到了l o 8 米。在电 ，显微镜发明以后的几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问i ! = ， 如透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、场电子显微镜( f e m ) 、场离 子显微镜( f i m ) 、低能电予衍射( l e e d ) 、俄歇谱仪( a e s ) 、光电子能谱( e s c a ) 、 电子探针( e p ) 等。这些技术在表面科学各领域的研究中起着重要的作用，极大地 提高了人们观测微观世界的能力。 自2 0 世纪初以来，物理学在探索微观世界方面取得了辉煌的成就，建立起 人类对电子、原子结构、晶体结构、分子结构、短波长电磁波、物质波、质能互 变、量予原理等的深刻认识。本世纪中期开始，又在分子生物学、半导体、受激 辐射等方面取得了重大突破，使科研手段和应用技术的研究也向微观世界大步前 进。1 9 4 7 年1 2 月2 3 日，美国物理学家肖克莱和他的合作者在著名的贝尔实验 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 室向人们展示了第一个半导体电子增幅器，即最初的晶体管。晶体管的发明激起 了微电子技术的一次革命。1 9 5 8 年。美国德克萨斯仪器公司研制成第一块i c 电 路- 开创了世界微电子学的历史。二十世纪6 0 年代以来，以硅半导体加工为基 础的微电子工业获得了高速的发展，也带动了微型加工及制造等其它相关产业的 发展。美国物理学家、诺贝尔奖得主r i c h a r dpf e y n m a n 在1 9 5 9 年在美国物理学 会年会发表一篇演讲“t h e r ei sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o a o m ”【3 】3 ，人类可以“由 下而上的方法”( b o t t o mu p ) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以 达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原 子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将 极大地扩充我们获得物性的范围。”这是关于纳米技术最早的梦想。6 0 年代中期 起，人_ f 1 3 2 j 。开始真正有效地对分离的纳米粒子进行研究。1 9 7 4 年，t a n i g u c h i 最 早使用纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 一词描述精细机械加工。1 9 7 7 年麻省理工学 院的德雷克斯勒认为，上述想法可以从模拟活细胞中生物分子的人工类似物一分 子装置开始，并命名为纳米技术( n a n o t e c h n 0 1 0 9 y ) 。7 0 年代德雷克斯勒访问斯 坦福大学后成立了n s t ( n a n o s e a l es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，即纳米科技) 研究组。 微观技术的发展，需要一种能观测微小物质的表面形貌、结构和物理性质的分析 仪器，而传统的分析仪器，只能提供二维( 或者准3 d ) 的几何性质，并且制备样 品复杂；有的分析仪器( x p s ，e l s 等) 只能提供平均的电子结构信息；一般需要 真空环境等局限性。1 9 8 2 年扫描隧道显微镜( s t m ) 【4 的发明，使得人类第一次能 够获得原子尺度上的三维( 3 d ) 实空间像，实时地观察物质表面的原子排列状态、 电子结构和与表面电子行为有关的物理、化学性质。s t m 的发明及以其为基础发 展的扫描探针显微镜系列( s p m s ) 对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1 9 9 0 年7 月。在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议( n a n o s t ) ， 标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。1 9 9 0 年，美国国际商用机器 公司的科学家利用隧道扫描显微镜上的探针，在镍表面用3 6 个氙原子排出 i b m ” 三个字母由。1 9 9 3 年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中 国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地旧。可以说正是 s p m 使f e y n m a n 的预言变为现实。s p m 在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到 纳米科技七个分支( 纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电 子学、纳米加工学、纳米力学) 领域中，以其为分析和加工手段所做的工作占一 半以上【7 。 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 1 2 扫描探针显微镜的工作原理及其特点 1 2 1s p m 的发展及基本原理 1 9 2 8 年f l o w l e r 等人首次提出了隧道效应：波可穿过高度为v 的势垒而传 播 8 1 。随着低温技术和真空技术的发展。隧道效应逐步得到证实。二十世纪六 十年代以来高速发展的微电子行业和电子技术以及计算机技术的发展，大大推动 了实验和理论的发展。i g i a v e r 利用隧道效应测量了金属超导体的能隙 9 。随 后b a r d e e n 提出了两电极板间隧道效应的理论公式 1 0 ，而g s i m o n s 则总结了 隧道势垒的成像力效应 11 。r ，c j a k l e v i c 和j l a m b e 观察得到体隧道结的 非弹性隧道损失谱 1 2 。到了1 9 7 1 年。r y o u n g ，j w a r d 和f s c i r e 把场 发射理论应用到点一平面结构 1 3 。另外一方面，1 8 8 0 年法国入居里兄弟发现 了”压电效应”。1 9 4 2 年，一种压电陶瓷材料一钛酸钡先后在美国、前苏联和日本 制成。5 0 年代初，一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料一锆钛酸铅( p z t ) 研 制成功。从此，压电陶瓷的发展应用进入了新的阶段，压电陶瓷广泛的应用于传 感器和执行器。以上技术的发展为s t m 的发明奠定了主要的基础。 图1 1 扫描隧道显微镜的基本原理与系统组成 1 9 8 2 年，国际商业机器公司( i n t e r n a t i o n a lb u s i n e s sm a c h i n e ，i b m ) 苏黎 世研究所的g e r db i n n i g 和h e i n r i c hr o h r e r 及其同事们成功地研制出世界上第 一台扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p es t m ) 1 4 1 5 3 。s t m 的 基本原理如图1 ，i 所示，将金属针尖( 一般为钨) 和样品表面作为两个电极，探针 和样品表面之间施加一个偏压v ，当非常尖细的针尖接近样品表面( 通常小于1 n m ) 时，在针尖和样品表面之间就会产生克服间隙势垒的隧道电流a 隧道电流的大小 中国科学披术人学博士学位论文筇一章绪论 可用式卜l 表示： ， i 。cv e x pr a 垂2 矽( 1 1 ) 其中v 为针尖与样品表面之问的偏置电压，彳为常数，与隧道结的类型有关， 真空条件下为1 0 2 5 ：毋是针尖材料逸出功o ，和样品材料逸出功函2 的平均值， 口= r 函，+ q 9 e ) 2 ：d 为针尖和样品之问的距离。 由此可见隧道电流对针尖和样品之间的距离( d ) 非常敏感，当d 改变o 1 n m 时，隧道电流的变化相差7 4 倍，约为一个数量缴。这种隧道电流对样品与针尖 之阳j 距离的灵敏性，可以利用电子反馈线路保持隧道电流的恒定，利用压电陶瓷 控制针尖和样品之间的距离的大小和对样品表面进行扫描，来观察样品表面的实 三维形貌。s t m 的基本结构如图1 1 ( b ) 所示。 图1 2 原子力显微镜的基本原理( 力探测方式为光点偏转法) 扫描隧道显微镜利用隧道电流进行工作，因而只能研究具有一定导电性的样 品。针对s t m 的不足1 9 8 6 年g b i n n i g 、c f q u a t e 和c g e r b e r 等人合作，发 明了原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ：a f m ) 1 6 。a f m 的基本原理如图 1 2 所示。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端粘上一个微小探针 构成力传感器，通过微位移驱动器驱动探针逼近样品表面。当样品或针尖扫描时， 同距离有关的针尖一样品间相互作用力( 可能是吸引的，也可能是排斥的) 就会引 起微悬臂发生形变。a f m 就是利用探针尖端和样品表面的微弱作用力使得微悬 臂发生变形，通过反馈回路控制样品一针尖之间作用力的恒定采用不同方法检 中国科学技术人学博七学位论文第一章绪论 测微悬臂的变形获得样品的表面信息。由于a f m 是以针尖和样品之间的作用力 为基础，因而a f m 不仅可以研究导电性的样品，而且也能够研究非导电性样品， 因此广泛的应用到各个领域。 在s t m 和a f m 出现以后，又陆续发展了一系列新型的扫描探针显微镜， 例如扫描近场光学显微镜( s n o m ) 、侧面力显微镜( l f m ) 、磁力显微镜( m f m ) 、 极化力显微镜( s p f m ) 、激光力显微镜( l f m ) 、弹道电子发射显微镜( b e e m ) 、扫 描离子电导显微镜( s i c m ) 、扫描热显微镜和扫描隧道电位仪( s t p ) 等。这些显微 镜对s t m 和a f m 的功能有所补充和扩展。所有这些显微镜( 包括s t m 和a f m ) ， 都利用了反馈回路控制探针在距样品表面l n i n 处或远离样品表面扫描，都是利 用探针与样品间的相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质 和化学性质，所以统称为扫描探针显微镜( s p m ) 。s p m 的系统组成如图1 3 所示。 图1 3s p m 的系统组成 4 ：同类型s p m 之间的主要区剐在于它们的针尖特性及其相应的针尖一样品 相可作用方式的不同和检测方法不同，其他各个部分基本相同。s p m 主要由以 下几部分组成：( 1 ) 带探针的敏感元件：( 2 ) 针尖一样品之间的物理量检测装置；( 3 ) 电子反馈回路；( 4 ) 压电陶瓷扫描器及控制；( 5 ) 软件控制及图像显示系统：( 6 ) 其 它辅助系统( 如样品一针尖逼近，辅助观测定位装置等) 。 1 2 2s p m 的特点及应用 与其他的显微镜技术相比，s p m 有独特的优点( 如表1 1 所示) 。s p m 的优点 可归结如下： 型i ! i 燮垫查奎堂壁主堂堡垒壅 蔓= 皇丝垒 l 、原予级高分辨率。如s t m 、a f m 在平行和垂直于样品表面方向的分辨 率分别可达o 1 n m 和o o l n m ，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。 2 、可实时地得到样品表面的实空间上的三维图像，可用于具有周期性或不 具备周期性的表面结构研究。这种实时观测的能力可用于表面扩散等动态过程的 研究。 3 、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性 质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由 吸附体引起的表面重构等。 4 、可在真空、气体、电化学环境、超高真空和溶液中工作；不需要特别的 制样技术对样品的要求低，并且探测过程对样品基本无损伤。 5 、可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子 阱、电荷密度波、磁场分布、表面势垒的变化和能隙结构等。 6 、s p m 不仅仅是表面分析的重要工具，而且还是可以用于在原子、分子尺 度上进行加工和操作的工具。由于s p m 的针尖曲率半径小，且与样品之间的距 离很近( l n m ) ，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的场，包括力、电、 磁、光等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化 学反应、吸附质移位等干扰，并诱导化学沉积和腐蚀等。 表1 1 扫描探针显微镜( s p m ) 与其他显微镜技术的各项性能指标比较 分辨能力纳米)分析 对样品样品 仪器名称 横向垂直说明 环境破坏度条件 s t mo 1o 0 1原子级，3 d 空气、溶 表面落 扫描探针显 a f m0 10 0 1原子级，3 d液、真空， 微镜( s p m ) s n o b 0 1 o 13 d 室温、低温 无差不能 太大 m f mo 10 13 d 占 透射电子显微 0 3 o 5 无 2 d 高真空。 大 需做冷 镜( t e m )晶格 室温 冻、干 o 1 o 2 燥、表面 处理 扫描电子显微 6 1 0 极低 二次电子成高真空， 小 镜( s e m )像，准3 d室温 空气、溶 不可完 传统光学显微镜 5 0 0 无 2 0 液、真空， 无 全透明 室温、低温 这些特点使得s p m 广泛的应用于表面科学、材料科学、生命科学、纳米科 中囤科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 学、纳米加工制造、高密度信息存储等领域并取得了辉煌的成就。 s p m 首先作为表面形貌分析的重要工具它可以用于从几百微米到原子水 平上的形貌测量和性质表征。s t m 发明不久，就验证了s i ( 1 1 1 ) 一7 7 模型，实 现了s i ( 1 1 1 ) - 7 7 实空间上的成像【1 7 】。n a k a g a w a 等人 1 8 1 在空气中获得了 s i ( 1 0 0 ) , ns i ( 1 1 1 ) 表面的原子级分辨的s t m 图。此后，大量的具有原子分辨率的 各种金属、半导体表面和绝缘体表面的原子图像 1 9 2 4 被相继发表，得出了许 多直接的原子排布的证据。2 0 0 1 年初，中国科技大学朱清时院士的研究组首次 直接拍摄到能够分辨出化学键的c 6 0 单分子图像 2 5 ，这种单分子直接成像技术 为解析分子内部结构提供了有效的手段。迄今为止s p m 已经广泛的应用于金 属、导体半导体、生物等材料的表面形貌、结构和物理性质表征上。例如a f m 观察d l 亮氨酸晶体表面分子的排列 2 6 ；用s p m 研究自组装单分子膜( s e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r ，s a m ) 的超高分辨结构表征 2 7 1 ：测量样品表面的三维形貌、 粗糙度、晶界、颗粒大小、缺陷、岛等 2 8 3 0 1 ：可以原位的观察化学，物理和生 物过程 3 1 】。利用探针与样品之间的相互作用的不同，可以用s p m 测量样品表 面的磁畴分布、电荷分布、电场分布等 3 2 ，3 3 。a f m 既有皮牛( p n ) 级的力学检 测灵敏度，又有纳米级的空间分辨率，因此它已经成为测定分子间相互作用力( 范 德华力、静电力、双电层力、毛细作用力、磁力及粘滞力等) 的有力工具。利用 探针与样品之间的移动，可以测量材料的摩擦、粘滞等物理性质 3 4 】。 s p m 不仅仅是表面分析仪器，还是重要的测试、纳米加工与制造的先进工 其。除利用针尖直接刻蚀外，还可以利用针尖与样品之间的产生一个高度局域化 的场，包括力、电、磁、光等场，实现样品的性能测试、纳米加工和制造。主要 表现在以下三个方面： 1 原子1 分子操纵。 1 9 9 0 年美国圣荷塞i b m 阿尔马登研究所的d m e i g l e r 等人在4 k 低温和超 真空环境中，用s t m 将n i ( 1 l o ) 表面吸附的氙( x e ) 原子逐一搬迁，最终以3 5 个 x e 原子排成”i b m ”三个字母，每个字母高5 n m ，x e 原子间最短距离约为l n m 3 5 。 d m e i g l e r 等人在实现x e 原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列在铂单晶的 表面上将吸附的一氧化碳分子( c 0 ) 用s t m 搬迁排列起来，构成一个身高仅5 n m 的世界上晟小的人的图样，图样中的c o 分子间距离仅为o 5 n m ，人们称它为” 一氧化碳小人” 3 6 】。这是人类第一次按照自己的意愿操纵单个原子分子。2 0 0 1 年初，中国科技大学朱清时小组首次直接拍摄到能够分辨出化学键的c 6 0 单分 予图像 2 5 】，在单原子识别和操纵的基础上将可能在原子水平上开发出全新的物 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 理和化学研究方法。通过利用原子尺度的针尖对单个分子进行搬运，可以对已知 分子进行有控制地剪裁和重新组合。 2 纳米加工与制造。 1 9 8 7 年，a t & t 公司b e l l 实验室的b e c k e r 3 7 用s t m 的针尖首次实现了单 晶锗表面的原子级加工，即在表面形成人造的原子级结构，表明了利用s p m 进行 纳米级加工的可能性预示着进行原子级加工的时代已经到来。1 9 9 3 年d a y 和 a 1 l e e 3 8 成功地实现了硅表面的纳米结构制备，给微电予工业的持续发展带来 了新的曙光。在这之后，利用s p m 进行纳米刻蚀和纳米加工的方法层出不穷，加 工的材料和加工所需的条件也发生了很大的变化。主要技术有机械刻蚀、电致刻 蚀 3 9 、光致刻蚀 4 0 、热致刻蚀 4 1 和浸笔印刷术 4 2 4 6 等。 3 基于s p m 的高密度信息存储。 s p m 原子级超高空间分辨能力和卓越的纳米加工能力使众多的研究者们深信 s p m 存储是实现超高密度信息存储的重要途径。其原理主要有：机械形变、导电 性能变化、相变、局域电荷分离、光电导变化及光电化学反应等。用扫描探针施 加局域的作用，将扫描探针显微镜的高分辨特性转化为信息的超高密度存储。 1 9 9 2 年，m a m i n 等 4 7 使用a f m 在p m m a 薄膜上利用热效应改变薄膜的表面形貌 写下l o n m 的信息点。k r a u s s 等 4 8 利用a u 的场致蒸发在s i 基底上制备出l o n m 的金点阵，利用a f m 读出，其存储密度可大于4 0 0 g b i t i n 2 。美国s t a n f o r d 大学 的q u a k e 等人利用s c m 技术将瑞士联邦宣言成功地记录在氮化硅氧化硅硅( n o s ) 结构的1 2 0 x 1 2 0 u m 2 的微小区域内，实现了1 0 i t s c m 2 的信息密度 4 9 ，误码率 在0 0 3 以下，存储点约为7 5 n m ，无形貌变化，可擦除。b a r d 等 5 0 利用光导 材料z n o d e p 构成i t o z n 0 d e p i t o 的夹心式固体光电池，然后在一定的电场极化 条件下进行光照，在半导体材料层产生分离的电子一空穴对。当光照撤销时，电 子一空穴对作为“记录点”冻结在z n o d e p 光导层内，最小的纪录点可达到4 0 h m 并且可擦除。我国北京大学电子学系薛增泉研究小组和中科院真空物理实验室庞 世谨小组 5 l ，5 2 利用s t m 在有机复合材料实现了直径1 3 n m 的信息记录点，1 9 9 8 年该研究小组又在n b p d a 薄膜上将信息点直径减小到0 7 n m 5 3 ，这样，大面积 点阵将有1 0 b b i t c m 2 的存储密度。尽管s p m 超高密度信息存储研究已有很多， 存储原理和存储材料也多利t 多样，寻找新的存储方法和存储材料仍然是人们关注 的重点。 综上所述，s p m 不仅可以进行高分辨率的三维表面成像和测量，还能对各种 材料的性质进行研究。同时s p m 也是一种重要的纳米加工制造工具。因此广泛 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 的应用到物理、化学、生命科学、力学、信息存储、纳米科技等领域。特别是纳 米科技，以s p m 为分析和加工手段所做的工作占半以上。s p m 对人类认识世 界和改造世界的能力起了极大的促进作用。特别是a f m 由于其广泛的应用领域， 在s p m 中占有重要的地位。 1 3 并行原子力显微镜的国内外发展概况 原子力显微镜自其发明以来，就可以在实空间下测量样品表面的三维形貌， 从小至几个纳米到大至2 0 0 微米的扫描范围内很容易的实现纳米级分辨率，阻及 不需要特别的样品制备技术、对样品的损伤比较小等优越性，使其在精密表面检 测上有独特的优势。而精密工程上的样品表面检测往往要求在不破坏样品的条件 下，对大尺寸样品、更大范围上的表面形貌进行三维精密测量，例如半导体集成 芯片、超光滑镜面、硬盘盘面的检查等。对于大尺寸样品，一些s p m 仪器制造 商，采用了改进探头设计的方法即采用悬臂的桥型结构，满足大样品测量的要求； 也有一些研究者把多台原子力显微镜组合在一起，实现多区域并行扫描 5 4 】。图 14 ( 舢为v e e c o 公司的大样品原子力显微镜( d i m e n s i o n5 0 0 0 ) ，最大样品尺寸为 2 0 0 r a m x 2 0 0 m m ，实际扫描面积1 0 0 u r n 1 0 0 u m ：b 图为我国东南大学研治的 l s s p m 5 5 1 ，最大样品尺寸为2 0 0 m m 2 0 0 r a m 实际的扫描面积1 0 0 u r n 1 0 0 u m ( 单次) 。l s s p m 增加了高精度二维控制台，可对样品范围2 2 0 m m 2 9 0 r a m 进行一次定位，多次扫描。 图1 , 4 大样品原子力显微镜 这种大样品扫描器，由于多采用悬臂机构或桥式结构，会使系统的共振频率、 刚度下降，系统的抗干扰的能力变差。 中国科学技术火学博士学位论文 第一章绪论 对于大范围扫描的问题，一方面通过改变压电陶瓷的扫描范围来实现大范围 扫拙，现在压电陶瓷扫描器的最大扫描范围为2 0 0 u r n x 2 0 0 u m ；另外一方面可以 添加高精度二维移动平台的方式，通过精确的移动探针或者样品来达到大范围扫 描，如东南大学的l s s p m 系统就是通过这种方式实现大范围检测( 如图1 4 b ) 。 对于前者，由于压电陶瓷扫描器的本身的非线性、迟滞、爬行等特性，以及x y 扫描的之间的耦合等特性 5 6 1 ，影响压电陶瓷扫描器的大尺寸扫描；另外压电陶 瓷的特性随所加的扫描电压的大小、扫描电压的频率、偏压的大小、电压加载的 时间、环境温度的变化而改变 5 7 6 2 】，使得压电陶瓷的扫描范围不可能做的很大。 而对较小尺寸范围的扫描，软件、硬件校正技术比较成熟，可通过单扫描器，多 探针并行扫描的方式实现大尺寸扫描。对于通过增加高精度二维移动台的方式， 需要对样品多次的定位和扫描，然后把每次采集的图像拼合，这样测量一个样品 需要很长的时间。而多探针并行，可一次定位，一次扫描完成整个样品的测量。 追求更高的存储密度。是信息技术的发展方向之一。在2 0 世纪9 0 年代早期， i b m 公司的m a m i n 和r u g a r 6 3 通过a f m 针尖与聚碳酸醋基体接触演示了写 读过程，通过加热针尖进行数据的写操作，证实了使用a f m 针尖来进行数据存 储的可能性。用这种方法，存储密度达5 g b i t c m 2 ，这在当时是相当大的进步。 目前。已有通过a f m 的探针施加局域的电、磁、光、热等作用，改变材料的局 布形貌、电、磁、光等特性进行高密度信息存储的方法。存储密度已达1 0 ”b i t s c m 2 。 对于数据存储，高的存储密度和高的存储，读取速度是两个关键因素。使用a f m 针尖进行数据存储，必须突破高速度数掘存储的根本性限制。当前，由于a f m 微悬臂的机械共振频率的限制，单个微悬臂的数据处理速率在l m b i t s 量级 6 4 ， 6 5 1 。通过改变原子力显微镜的探针设计，可达到1 0 m b w s 量级的数据读取速度 和10 0 k b i t s 写速度【6 6 6 9 】。目前，单个a f m 最好的存储速度在微秒水平。但常 规的磁性存储的存储速度已达到纳秒水平。很明显a f m 数据处理速率必须提高 至少3 个数量级爿可能和目前以及将来的磁性存储方法竞争。用单个a f m 针尖 进行数据存储限制了存储速度和存储密度的提高，不能满足实际应用的需要 在a f m 纳米加工中，针尖的扫描速度由于反馈系统因压电陶瓷扫描管的共 振频率小于l k h z 。加工周期很长。纳米加工要实用且经济上可行，则要求纳米 结构能被迅速大量地组装出来。因此，仅靠一台原子力显微镜一次组装一个纳米 结构是远远不够的 7 0 。 s p m 被广泛于描绘被测量的表面，通过对这种描绘所观测到的各种物理现象 进行分析研究。使得人们获得了重要的新的表面科学知识。但用这种描绘不能获 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 得更加准确、具有测量不确定度的计量意义的科学数据，而目前不论科学领域的 研究还是：f 业上的需要，都迫切希望s f m 能作为一种定量的计量型显微镜。尤 其是二 ：