（光学工程专业论文）新型数字式原子力显微镜的研制与应用研究.pdf

浙江人 学硕 卜 论文 r6 8 9 1 8 9 摘要 以 扫描隧道显微镜( s t m ) 与原子力 显微镜( a f m ) 为代表的扫描探针fv 微镜( s p m ) 技 术， 是纳米技术发展的重要基础。 其中a f m由于测量不受样品导电性的限制， 具有更加 广泛的应用领域。 随着纳米技术的发展， 仪器本身的稳定性、 操作的简便性、 易维护性 等以 及应用领域的拓展和产业化也越来越受到人们的关注。 本文提出了 a f m系统数字化 的新思想， 对其原理和方法进行了 系统的理论研究， 在数字式原子力显 微镜的研制上取 得了一系列的突破，为数字式a f m 在国内的普及和产业化奠定了良 好的基础。 本文在全面分析国内 外a f m 技术研究和应用现状的基础上， 对现有a f m仪器的缺陷 和不足作了比较全面的理论分析和实验研究， 着重分析a f m的反馈控制规律和探针一样 品的进给规律，提出了 用数字p i d 调节器实现a f m系统的反馈控制和样品的进给山步进 电 机控制丝杠传动机构实现， 使 a f m 仪器的 功能、 自 动化和稳定性在技术上向 前迈了一 大步，为a f m技术能够更简单、方便、有效地应用到各个科学领域奠定了基础。 本文的工作特点和创新之处土要体现在以下几点: 1 , 在理论研究的基础上， 提出了 原子力显微镜数字化的新方法。 随着全面数字化时 代的到来， 数字化扫描探针显微镜的研制也日 益提土了 进程。目前，国内s p m仪器大多 还停留在模拟量控制的水平， 仪器本身无法在本质上做进一步的更新。因此， 为提高仪 器本身的稳定性、 操作的简便性以及进一步增加仪器的功能， 必须在a f m系统中 采用数 字化技术。 2 、 设计完成了 a f m的 数字p i d 反馈控制系统。目 前， 国内 原子力显微镜大多采用模 拟p i d 控制，虽然模拟控制具有反应速度快的优点， 但缺点是精度不高，抗十扰能力不 强， 往往会引入附加的惯性环节， 且电路结构复杂。 而a f m系统的工作特点即探针一样 品间距的精确控制，要求有一 个灵敏、高效、精确、稳定可靠的反馈控制系统。 目前， a f m的数字p i d 控制研究虽然己取得一定的进展，但都是通过d s p 实现的，这无疑提高 了a f m的成本， 且技术难度大、 开发设备昂贵。 为此， 我们研制了基于计 一算机的数字p i d 控制， p i d 控制规律用计算机程序来实现， 各种控制算法只要改变计算机程序就可实 现， 具有很大灵活性，一些原来在模拟p i d 控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后， 就可以得到解决了。 且计算机原木就是a f m系统的一 个重要组成部分， 因此， 我们小需 要增加新的设备就可实现a f m的数字p i d 控制，这无疑降低了仪器的成本，且提高了仪 浙江大学顾_ 上 论文 器的实用化和简易化程度。 3 、设计完成山步进电机控制的a f m自 动进给机构及其程序的编写。计算机控制步 进电 机驱动器输出 脉冲信号 驱动步进电 机转动， 从而实现a f m的探针一 样品自 动逼近， 提高了操作的简便性和系统的自 动化程度。 4 、 研究采用了 新型的p c i 数据采集卡及其软件的 编写。 提高了 a f m系统与 不同 计算 机和不同操作系统的兼容性，为a f m的普及奠定了良 好的基础。 5 .拓展了a f m的扫描控制软件和图像处理软件功能。如样品图像的只维标尺添加 功能、纳米粗糙度线/ 面测量功能、 微位移测量功能等。 关键词:纳米技术、原子力显微镜、数字p i d 控制、步进电机、 进给机构、 数字化、图 像处理、a f m应用 浙江大学硕论文 ab s t r a c t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f n a n o - t e c h n o l o g y , s c a n n i n g p r o b e m i c r o s c o p y ( s p m ) , e s p e c i a l l y a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ( a f m) , h a s b e e n t h e m o s t w i d e l y d e m a n d e d a n d a p p l i e d t o o l s f o r r e s e a r c h e r s t o p u r s u e m o r e a m b i t i o u s g o a l s , a n d h as a c t u a l l y b e c o m e t h e i n d i s p e n s a b l e i n s t r u m e n t s f o r n a n o - s c i e n t i s t s a n d e n g i n e e r s . b e s i d e s t h e s t a b i l i z a t i o n o f t h e i n s t r u m e n t i t s e l f , t h e s im p l i c i t y o f i t s o p e r a t i o n , t h e e a s i n e s s o f m a i n t e n a n c e , t h e e x p a n s i o n o f i t s a p p l i c a t i o n s p h e r e a n d t h e t r e n d o f i t b e c o m i n g a n i n d u s t r y h a v e a r o u s e d m o r e a n d m o r e c o n c e rns . i n t h i s t h e s i s , a n e w c o n c e p t o f d i g i t a l a f m h a s b e e n p u t f o r w a r d , a n d a s e r i e s o f b re a k t h r o u g h o f d i g i t a l a f m h a s b e e n g a i n e d b a s e d o n t h e s y s t e m a t i c r e s e a r c h o f it s p r i n c i p l e a n d m e t h o d , w h i c h e x p a n d s a f m s a p p l i c a t i o n s p h e r e a n d l a y s g o o d f o u n d a t i o n f o r t h e p o p u l a r i z a t i o n o f a f m i n c h i n a . o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f a f m s r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n n a t i o n a l l y a n d i n t e rna t i o n a l l y , t h e p a p e r m a k e s t h o r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i n t o t h e d e f e c t s o f a f m m a d e i n c h i n a . t h e f e e d b a c k c o n t r o l s y s t e m o f a f m a n d t h e a c t i o n l a w o f t i p - s a m p l e f e e d i n g m e c h a n i s m a r e e m p h a t i c a l l y a n a l y z e d in t h i s t h e s i s . we d e v e l o p e d t h e n e w m e t h o d o f f e e d b a c k c o n t r o l s y s t e m w h i c h i s i m p l e m e n t e d b y i n c r e m e n t a l p i d c o n t r o l , w h i l e a n o t h e r n e w m e t h o d o f f e e d i n g m e c h a n i s m w h i c h i s i m p l e m e n t e d b y s t e p p e r m o t o r b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f a p p r o x i m a t i o n l a w o f t i p - s a m p l e a n d k in d s o f o t h e r f e e d i n g m e c h a n i s m s , w h i c h m a k e a f m f o r w a r d a l o n g w a y o n t h e t e c h n i q u e f u n c t i o n , a u t o m a t i o n a n d s t a b i l i t y , w h ic h w i l l h e lp t h e a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y e x p e d i e n t l y a n d e f f e c t i v e l y u s e d i n v a r i o u s s c i e n t i f i c a r e as . a n d t h e d e v e l o p m e n t o f d i g i t a l a f m n o t o n l y h a s i m p o r ta n t t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a t i o n s , b u t a l s o h a s a g r e a t p r o s p e c t f o r p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s . t h e r e s e a r c h c o n t e n t a n d a c h i e v e me n t s o f t h i s t h e s i s a r e as f o l l o ws : o n t h e b a s i s o f t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h e s , w e d e v e l o p e d t h e n e w m e t h o d o f d i g i t a l a f m. wi t h t h e c o m i n g o f t h e o v e r - a l l d i g i t a l t i m e , t h e r e s e a r c h o f d i g i t a l s c a n n i n g p r o b e m i c r o s c o p y h a s b e c o m e i n c r e a s i n g l y i m p o r ta n t . a t t h e p r e s e n t t im e , m o s t s p m i n c h i n a o n l y s t a y o n t h e l e v e l o f a n a l o g q u a n t it y c o n t r o l , w h i c h i s t h e i n t r i n s i c r e a s o n t h a t t h e i n s t r u m e n t c a n t b e f u r t h e r r e f r e s h e d . t h e d i g it a l t e c h n iq u e , t h e r e f o r e , s h o u l d b e u s e d i n t h e a f m s y s t e m , f o r i n c r e a s in g s t a b i l i t y o f t h e i n s t r u m e n t i t s e l f , t h e s i m p l ic i t y o f i t s o p e r a t i o n , a n d t h e f u n c t i o n o f t h e i n s t r u me n t . we h a v e c o n s t r u c t e d a d i g it a l p i d f e e d b a c k c o n t r o l s y s t e m o f a f m. a t p r e s e n t , a n a l o g y p i d c o n t r o l o n l y w i t h t h e m e r i t o f f a s t re a c t i o n s p e e d , w h i l e t h e s h o r t c o m i n g s a r e l o w p r e c i s i o n , w e e k a b i l i t y o f a n t i - i n t e r f e r e n c e , c o m p l e x c i r c u i t c o n s t r u c t i o n , i s w i d e l y u s e d i n m o s t a f m i n c h i n a . h o w e v e r a s e n s i t i v e , h i g h l y a c t i v e , p r e c i s e , s t e a d y a n d r e l i a b l e f e e d b a c k i i i 浙江大学硕1 二 论文 c o n t r o l s y s t e m i s a c t i v e ly d e m a n d e d i n a f m s y s t e m , r e c o r d i n g t o o p e r a t i n g 倾n c i p l e o f a f m. t h o u g h t h e r e s e a r c h o f d i g i t a l p i d c o n t r o l o f a f m h a s g a i n a c e r ta i n d e v e l o p m e n t , t h e p i d c o n t r o l i s i m p l e m e n t e d b y t h e t e c h n i q u e o f d s p , w h i c h n o t o n l y i n c r e as e t h e c o s t o f a f m, b u t a l s o h a s d i ffi c u l t y t e c h n i q u e . w e d e v e l o p a n e w m e t h o d o f d i g i t a l p i d c o n t r o l in w h i c h a f m i s i m p l e m e n t e d b y t h e t e c h n i q u e o f c o m p u t e r . t h e c o n t r o l a l g o r i t h m s w i l l b e c h a n g e d s o l o n g a s c h a n g e t h e p r o g r a m s i n t h e c o m p u t e r , w h i c h b r i n g s a g r e a t f l e x i b i l i t y . s o m e q u e s t i o n s t h a t a r e n t s e tt l e d i n t h e a n a lo g y p i d f o r a l o n g t i m e , t h u s c a n b e s u c c e s s f u l l y r e s o l v e d . f u r t h e r m o r e , t h e c o m p u t e r i s f o r m e r l y a p a r t o f t h e a f m s y s t e m , w h i c h n o t o n l y r e d u c e s t h e c o s t b u t a l s o e n h a n c e s t h e i n s t r u m e n t s u t i l it y a n d s i m p l i fi c a t i o n . a f e e d i n g m e c h a n i s m , in t h e c h a r g e o f s t e p p e r m o t o r , a 山 u s t i n g t h e s p a c i n g i n t e r v a l b e t w e e n t h e s a m p l e a n d t h e t i p h a s b e e n a c c o m p l i s h e d . t h e c o m p u t e r i s i n c o n t r o l o f t h e s t e p p e r m o t o r d r i v e r t o o u t p u t i m p u l s e s i g n a l s t h a t a r e u s e d t o d r i v e t h e s t e p p e r m o t o r . t h e s a m p l e , t h e r e f o r e , i s a u t o m a t i c a l l y m o v e d t o a p p r o a c h t h e t i p , w h i c h n o t o n l y e n h a n c e s t h e s i m p l i c i t y o f t h e o p e r a t i o n , b u t a l s o i m p r o v e s t h e a u t o m a t i o n o f t h e s y s t e m . a n e w s o r t o f d a t a a c q u i s i t i o n b o a r d i s u s e d i n t h e a f m s y s t e m . a n d w e o p t i m i z e d t h e s o f tw a r e o f d a t a a c q u i s i t io n . t h e r e f o r e t h e c o m p a t ib i l i t y o f t h e a f m s y s t e m w i t h c o m p u t e r s a n d it s o p e r a t i o n s y s t e m s a r e af m i n c h i n a i m p r o v e d , w h i c h l a y s g o o d f o u n d a t i o n f o r t h e p o p u l a r i z a t i o n o f we h a v e a l s o p r o m o t e d t h e e x t e n s i o n o f th e f u n c t i o n s o f s c a n n i n g c o n t r o l s o f t w a r e a n d p i c t u r e p r o c e s s i n g s o ft w a r e s u c h a s t h e c a l i b r a t i o n o f 3 d d i m e n s i o n , t h e m e a s u r e m e n t o f n a n o m e t e r r o u g h n e s s a n d t h e f u n c t i o n o f m i c r o - d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t e t c . k e y w o r d s : n a n o - t e c h n o l o g y , a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e , f e e d in g m e c h a n i c s m , n u m e r a l i z a t i o n , p i c t u r e p r o c e s s i n g , d i g i t a l r i d c o n t r o l , s t e p p e r m o t o r , a p p l i c a t i o n o f a f m i v 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 1 . 1纳米科技概述 1 9 5 9年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者查理德。 费曼预言，人类可以用小的机器 制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子， 制作产品， 这是关于纳米科技 最早的梦想。 1 9 8 2 年美国科学家发明了扫描隧道显微镜， 使人类首次揭示出可见的原子、 分子世界， 这为纳米科技的诞生和发展提供了 重要工具。 1 9 8 9 年美国 斯坦福大学率先搬 走原子团“ 写下” 斯坦福大学 ( 英文) ， 标志着纳米科技正式诞生。1 9 9 1 年， 美国科学家 又成功合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的六分之一， 强度却是钢的1 0 倍， 这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的 发掘到了 新的高 度川 。 从此以 后， 纳米科技 迅速发展为多学科交叉的前沿高科技领域。 纳米科学技术( n a n o - s t ) 是二十世纪八十年代末期刚刚诞生并正在崛 起的前沿性交 叉 学科领域。 它的基本涵义是在纳米尺寸范围内 认识和改造自 然， 通过直接操作和安排 原子、分子创造新物质。在纳米尺度上，材料的特性会发生不同寻常的奇异变化。一丝 能控制材料 一的特征尺度， 也就可能使材料的特性和器件的功能得到强化， 达到， 甚至超 过我们目 前己知的程度。 纳米科技是研究由尺寸在 0 . 1 - l 0 0 n m之间的物资组成的体系的运动规律和相互作 用的以 及可能的实际 应用中的技术问 题的 科学技术。 它 主要包括: 纳米电 子学12 1 -9 1 , 纳米生 物学和生物医 学 i u 1 i 2 - 纳 米材料学 13 1 . 纳 米化学 d 4 1 -d 1 . 纳米量测学 1 8 1 一 创与机 械学 2 2 1- 2 5 1 = 纳米物理学12 6 1- 3 4 1 0 纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、 非微观的中间领域，从而开 辟了人类认识世界的新层次，也使人们改造自 然的能力直接还原到分子、原子， 这标志 着人类的科学技术进入了一个新时代一纳米科技时代。 以纳米新科技为中心的新科技革 命必将成为二十一世纪的主导。 目 前， 纳米技术的研究和开发正日益成为国际科学界和工程技术界关注的热点。 它 的迅猛发展将在本世纪促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化，是继互联网、 基因之后关注的又一大热点。日 前儿乎所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研 发进行大量的投入，显示出空前的热情，力图抢占 这一 2 1 世纪科技战略的制高点。纳 浙江大学硕_ 卜 论文 米技术的发展日 新月异， 在生命医学、生物技术、 信息产业、能源、 环境、国防科技以 及工业制造等诸多领域的应用前景非常广阔，对2 1 世纪的科技发展具有重要作用。 纳米尺度的检测和表征是纳米科技研究必不可少的手段和工具。 以扫描隧道显微镜 ( s t m t3 5 ) 与 原 子 力 显 微 镜 ( a f m 3 6 1 ) 为 代 表 的 扫 描 探 针 显 微 镜 ( s p m ) 技 术， 是 纳 米 技 术 发 展的 重 要基 础。 s p m l 3 7 1 被形象 地 称为 纳 米科技的“ 眼， 和“ 手” 。 它使人类在对微观尺 度的探索方面进入到一个全新的领域。 所谓“ 眼睛” ，即可利用s p m直接观察原子、 分 子以及纳米粒子的相互作用与特性，表征纳米结构。所谓“ 手” ，是指利用这些手段可 以移动原子、分子， 构造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出 新理论的微小实验室。 因此s p m是纳米器件发展的必要条件。 而在s p m家族中， a f m 由于其测量不受样品导电性的限制，应用领域更为广泛。目前，国际_ la f m仪器的应 用己较为普及， 而我国则仍基本依赖进1。尽管进口仪器的性能己日趋完善， 但是毋庸 讳言， 这类仪器的昂贵价格、 严格的操作要求，以 及对某些关键进口部件的依赖，大大 限制了a f m在国内的推广应用，从而在很大程度上制约了我国纳米科技的发展。 各 1 . 2扫描探针显微术的发展历史 1 .2 .1 s t m发明 之前的 表面科学常用分析手段 对物体表面进行观察的最原始手段是我们的眼睛， 但人眼不能直接观察到比o . i m m 更小的物体或物体的结构细节。 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 界的新纪儿。 但是由于受到光波波长的限制， 光学显微镜的分辨率只局限在细胞的水平 上，即 大约1 g m至0 . 1 1 tm的水平上。 1 9 2 4 年， 德布罗意提出了 微观粒子具有波粒二象性的概念， 于是， 人们在物质领域 找到了 一种波长更短的媒质一电 子( x = 0 .0 0 1 n m ) 。 此后， 科学家们利用电 子在磁场一卜 的运 动与光线在介质中的传播相似的原理，发明了电子透镜， 并在此基础上， 研究了以电子 为光源的各类电子显微镜。 1 9 3 1年德国科学家恩斯特 鲁斯卡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。电子显微镜的放大倍数提高到上万倍，分辨率达到了 0 .0 1 p m . 其后的几十年里， 许多用于表面结构分析的现代仪器先后问 世， 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( t e m ) ， 场离子显微镜( f i m ) ， 低能电 子衍 射( l e e d ) ， 俄 歇谱仪 ( a e s ) ， 光电子 能 谱 ( e s c a ) 等。 这些 技术 在表面 科学各 领域的 浙江大学硕一 卜 论文 研究中起着重要的作用， 但任何一种技术在应用中都存在着这样或那样的局限性， 例如 l e e r和x射线衍射等衍射方法要求样品具备周期性结构，光学显微镜和s e m的分辨 率不足以分辨出表面原子，高分辨透射电子显微镜主要用于薄层样品的体相和界面研 究， f e m和f i m只能探测在半径小于1 0 0 n m的针尖上的原子结构和二维儿何性质， 且 制样技术复杂， 可用来作为样品的研究对象十分有限; 还有一些表面分析技术， 如x射 线光电 子能谱 ( x p s ) , 紫外光电 子能 谱( u p s ) 和能量损失 谱( e l s ) 等只能 提供空间 平均的 电子结构信息。此外，上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求，例如真空条件等。 1 .2 .2扫描隧道显微镜的 诞生 1 9 8 2年，国际商业机器公司苏黎世实验室的宾 尼( g b e n n i g ) 博士和罗雷尔( h e i n r ic h 1七 o h r e r ) 博士及其同事们共同 研制成功了世界上第一台 新型的表面分析仪器 一 扫描隧道 显 微 镜 ( s c a n n in g t u n n e l in g m ic r o s c o p e ， 简 称s t m ) , s t m的 出 现， 使 人 类 第 一 次 能 够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态， 研究与表面电 子行为有关的 物理和化学 j性质， 在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和广阔的应用)if景，被国 际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。为表彰 s t m 的发明者们对科学研究 的杰出贡献，1 9 8 6 年宾尼和罗雷尔因此获得诺贝尔物理学奖。 扫描隧道显微镜与其它显微镜不同，是一个全新的构思。它的工作原理并不复杂， 可以用下面的示意图来演示: 图1 - 1 扫描隧道显微镜原理图 s 丁 m 的1作原理是基于最子的隧道效应， 将针尖尺寸为原子尺度的 探针和被研究 物质的表面作为两个电极。 按照在经典的理论， 只有当两个电极间的电压大于逸出功的 情况下， 在两个电极之间才会产生阴极发射， 形成电流。 但是， 根据量子力学原理， 即 使两个电极间的电压小于逸出功也可能产生电流， 且该电流随两个电极间的距离增加而 浙江大学硕 !_ 论文 呈现指数衰减 以探测到电流 因 此， 如果 把样品 与 针尖的 距离 逼近到 非 常小时 ( 通常小 于i 0 n m ) ， 就可 这种现象就是量子隧道效应， 探测到的电 流称为 隧道电流， 记为i , ， 其 大小与针尖一样品间距成负指数关系: i , 二 v h e x p ( - a v ;s ) 式中，v h 是 加在针尖 和样品 之间 的 偏置电 压， s 为 两 者之间的 距离， ( 1 一 1 ) ip 为它们的平 均功函数，a为参数，在真空条件下约等于1 。山式 1 - 1 可见，隧道电流对间距的变化 十分敏感，当s 减小o . i n m,隧道电流将增加一个数量级。针尖在样品表面的扫描就如 同 接触式轮廓仪的情形一样， 样品 表面的高 低不平使s 不断改变( 等高模式) ，隧道电 流 也将随之不断变化， 通过检测隧道电 流的大小， 就可以 得到样品表面的超微观形貌。山 于使用了原子量级的探针， 可以将该仪器的横向分辨率提高到纳米量级，同时由于隧道 电流只能在原子量级的通道中存在，并月 . 电流的大小对于距离呈指数变化，因此 s t m 的纵向 灵敏度也 在纳米量级。 扫描隧道显微镜具有两个显著特点: 一是可以 直接观察到材料表面的单个原子和原 子在表面的三维结构图像， 而且它的水平和垂直分辨率可以分别达到0 .0 4 n m和0 .0 1 n m ; 二是可以在观察表征材料表面原子或纳米结构的同时，得到材料表面的扫描隧道谱 ( s c a n n i n g t u n n e i n g s p e c t r o s c o p y简 称s t s ) , 如 表面 不同 层次 的 态密 度、 表面电 子阱、 电荷密度波、 表面势垒的 变化和能隙结构等， 从而可以 研究材料表面的化学结构和电子 状态等性能。 但是s t m也有其工作方式所带来的 局限，主 要表现13 9 1 在: i , 山 于s t m工作时要检测针尖与样品间的隧道电 流， 因此它只能直接观察导体或 半导体的表面结构。 对十非导电 材料， 必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在往 往掩盖了表面的真实结构，使 s t m 能在原子水平上研究表面结构的这一主要优点不复 存在，然而，许多感兴趣的研究对象是不导电的。 2 , s t m是依据隧道效应原理获取表面结构信息的。严格的 所，它观察的是物质表 面费米能级处的态密度，当表面存在非单一电子态时，s t m 得到的并不是真实的表面 形貌，而是表面形貌和表面电子态性质的综合效果。 1 .2 .3原子力 显微镜的问世 为了弥补s t m的这一不足， 1 9 8 6 年b e n n i g 等人研制成功了 世界卜 第一台 原子力显 微 镜 ( a t o m i c f o r c e m ic r o s c o p e ， 简 称a f m ) , 弥 补了s t m只 能 对导 体 样 品 刁 有 较高 分 浙江大学硕一 : 论文 辨率的缺陷。 a f m是一种类似于s t m的显微技术，它的许多元件与s t m是共同的， 如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。它与 s t m 主要不同点是用一个微 弱力极其敏感的微悬臂针尖代替了s t m 的隧道针尖，并以探测微悬臂的微小偏转代替 了s t m中的探测微小隧道电流如图1 - 2 所示。 正因为a f m工作时不需要探测隧道电流， 所以它可以 用于观测包括绝缘体在内的各种材料的 表面结构， 其应用范围无疑比 s t m 更加广阔。a f m 可以在很多种环境下工作，既可以在真空中，也可以在大气中;既可 以在气体氛围中，也 可以 进行湿度控制;既可以加热样品，也可以冷却样品:既可以对 样品进行气体喷雾， 也可以在溶液中观察， 这可以用于测量一些只有在溶液中才能保持 其生物活性的一些特定的生物样品如d n a大分子等。 p s d 激光器 微探钊 样 品二 卜 拼 只 一卜热 图1 - 2 a f m f 作 原理 示意图 a f m利用的是原子间的作用力而不是像s t m中那样的隧道效应。 图2 中探针的针 尖上的原子和表面原子之间作用力将随着间距变化而变化，这就和 s t m 中间的隧道电 流有着共同的特点了，因此可以用来进行表面结构显微。 1 .2 .4 a f m的发 展现状及 其应用 1 , a f m的发展现状 1 9 8 7 年， 世界匕 成功推出了 第一台商业化的 扫描隧道显微镜。 大约过了两年， 世界 上又 成功推出了 第 台 商 业化的 原 子力显 微镜。 它们统称为 扫描探针显 微镜( s p m , l 们的 共同 特点是能 对以前无法观察到的材料表面 ( 包括非生物材料和生物材料) 纳米尺度 的 机构和性能进行成像和探索研究1 0 1 a a f m 由 于测量不受样品导电 性的限 制，具有更 加广泛的应用领域。 a f m 的广泛应用， 不仅引 发了 纳米科技的诞生，并且正支持和推 动着纳米技术的飞速发展。随着纳米技术的发展，a f m 应用的广度和深度必将以前所 未有的速度增长。仪器本身的研究正成为各国争先发展的领域，许多发达国家y-己将 浙汗大学顾_ 卜 论文 a f m形成产业， 研究单位和公司纷纷加入到a f m的生产和研究工作中， 例如s h i z u o k a 大 学、 t o h u k u 大学、 w a s e d a 大 学、 a d v a n c e d t e c h n o l o g y r e s e a r c h l a b , 德国 的t r i p l e - 0 公司、 美国的d i g i t a l i n s t r u r n e n t s ( d i ) 公司， 美国的m o l e c u l a r i m a g i n g 公司、日 木岛 津公 司等。他们所研制的a f m己经广泛应用于科研、生产乃至学生实验。 国内s p m的研制工作始于上个世纪9 0 年代初。日前从事s p m研究的国内单位主 要有:中国科学院电工研究所、 北京本原显微中心、土海爱建纳米技术公司、华中理工 大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学等。 2 , a f m的应用研究 ( 1 ) 在 表 面 分 析 及 其 凝 聚 态 基 础 理 论 研 究 中 的 应 用 (4 11-14 2 1 表面科学研究的主要是与催化、 防腐、 润滑、 材料生长等生产实践过程密切相关的 各种表面缺陷， 如台阶、 折曲、 增原子、 空位、吸附物、 在表面露头的位错及相关 的应力 场等等。随着集成电路向超大规模方向 发展， 元件尺寸越来越小， 半导 休材料研 究重点己 转向表面微细加工或精细加j _ ， 作为衬底的半导体抛光片表面质量对器件制造 工艺、 器件质量有很大的影响， 然而现有硅抛光片表面存在的大量纳米级缺陷， 却是一 般显微镜无法观察到的。 过去半个世纪问世的许多表面分析技术均存在各自 的应用局限，a f m 却能在多种 实 验环境 ( 真空、 大 气、 溶液、 低 温等 ) 下高 分辨 地实时 观察导体 和半 导体 表面 结构， 提 供许多其它表面分析技术不能提供的新信息。a f m 的出现，使得金属、半导体表面儿 何结构和电子结构的研究进入了一个新的层次。 ( 2 ) 在生命科学中的应用 2 1 世纪将是生命科学的世 纪。 生命科学的研究与其他学科一样， 不仅耍有正确的理 论指导，还要有合适的研究工具。它一方面可以验证理论上的预言，又可以发现新的现 象，而使理论产生新的突破。原子力显微镜就是生命科学研究中不可缺少的有力丁具。 a f m本身的优势是使其在生物学中得到迅速发展的重要原因，首先， a f m技术的样品 制备简单， 不需要染色和金属包被就能在样品自 然表面测量， 这就为在生理环境中探查 生物材料提供了一个优于其它显微术的工具;a f m 有两种不同的操作模式:接触模式 和轻敲模式。 轻敲式在扫描过程中微悬臂是振荡的针尖间断的与样品接触， 这对于软的 和难于固定的生物材料具有更大的意义，使a f m在生命科学研究中的应用越来越广泛 4 3 1其 次， a f m能 在多 种 环境 ( 包 括空 气、 液体 和 真空 ) 中 运 作， 生 物 分 子 可 在 其 生 理 条 件下直接成像， 还能对活细胞进行实时动态观察;a f m 能提供生物分子和生物表面的 浙找火学硕 二 论文 分子/ 亚分子分辨率的三维图 像; a f m能以 纳米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物 理特性， 测量分子间( 如受体和配体) 的相互作用力 等。 因此， a f m在i r 命 科学研究中存 在着不可代替的优越性。国内外研究表明: 原子力显微镜在生物医学研究中的应用将具 有很大潜力。 ( 3 ) 在纳米加工领域中的 应用4 4 1- 14 6 1 a f m 不仅能够对样品表面进行成像，而且还能在纳米尺度上对材料表面进行刻蚀 与修饰。纳米加工是纳米科技的重要组成部分，既然它能够直接操纵原子和分子， 就能 够对原子和分子进行排列组合，以形成新的物质。 目 前在该领域的研究涉及到在表面 直接刻写、电子束辅助淀积和刻蚀、 微小粒子及单原子操作等方面。a f m 在该领域中 的实际应用前景还不仅仅如此 首先，通过a f m所进行的光刻、微区淀积和刻蚀等操 作， 有可能将目前大规模集成电路线条宽度降到纳米数量级， 这是当今世界高科技领域 追求的目标之一。 另外， 利用a f m可修补表面掩模及集成电路等的线路结构。 把a f m 的针尖作为工具， 可对原子团或原子在表面上的生长、 迁移、 扩散等物体过程及微小粒 子间的相互作用， 微小粒子与表面间的相互作用等进行基础研究，以达到有目的地控制 和安排原子团甚至单个原子的日的。己有专家预言， 基于扫描探针显微镜的纳米加工技 术将是下世纪超精密加工和微加工的前沿技术， 它使得原子级的表面加工和超高密度的 存储技术成为可能，大大地丰富了人们对制造本质地认识和提高了人们改造自 然的能 力。 l 3模拟式原子力显微镜的局限性 与其他表面分析技术相比，a f m具有以下一些独特的优点: ( 1 ) 具有原子级的超高分辨率。横向分辨率可达 o . l n m ,而纵向分辨率更高达 0 .0 1 n m，从而可获得物质表面的原子晶格图像。 ( ? ) 可实时获得样品 表面的实空间三维图 像。 既适用于 具有周期性结构的表面，又 适用于非周期性表面结构的检测。 ( 3 ) 可以 观察到单个原子层的 局部表面性质。 直接检测表面缺陷、 表面重构、表面 吸附形态和位置。 ( 4 ) 可在真空、 大气、 常温和常压等条件下工作， 甚至可将样品浸在液体中， 不需 要特殊的样品制备技术。 然而，原子力显微镜就其仪器本身来说， 还存在着诸多局限性: 浙江大学硕.l 论文 ( 1 ) 仪器可操作性差、 操作过程复杂、自 动化程度低、 需要专人 维护。 传统a f m进 给机构的调节方式大多采用手动方式实现， 这对势必对操作者的熟练程度提出了很高的 要求。 对于熟练程度不高的操作者， 往往调节太深而使探针和样品接触而直接导致样品 或探针的损伤，这是不能容忍的。 ( 2 ) 仪器功能实 现不 全面、 配置也不够灵活等。 如 a f m的 控制系 统， 大多 采用模 拟p i d反馈。 这种控制系统虽然具有控制速度快的优点， 但精度不够， 抗干扰能力不强， 往往会引起惯性环节的附加，从而影响探针一样品间距的精确控制，_且电路结构复杂。 ( 3 ) 传统的a f m探头均采用 立式结 构， 探 针本身的 重力