材料表征基础 课件 5.1 扫描探针显微镜的工作原理

§5.1扫描探针显微镜的工作原理讲授人：XXX《材料表征基础》战略新兴领域“十四五”规划教材内容提要01020304SPM基本原理振动隔离系统机械运动与扫描系统信号采集反馈控制05环境控制系统1.扫描探针显微镜的基本原理01.微区力的测量利用探针上的力学传感器测量针尖下方的作用力，从而测量表面不同区域相互作用性质。03.微区其他信号测量利用特殊传感探针测量表面微区的光学、热学、化学性质。02.微区电的测量通过导电探针测量样品表面微区的电流电压等电学信号，获得表面导电性、电势及电子结构等的分布。1.扫描探针显微镜的基本原理扫描探针显微镜基本组成：1)机械扫描系统:用于驱动探针靠近样品表面并扫描2)反馈控制系统:用于实时控制探针运动方式3)数据处理系统:用于收集测量信号并处理成像4)隔振系统:用于环境振动隔离5)环境控制系统:提供特定测试环境条件2.振动隔离系统01通过将实验室设置在远离强振源的地方，如低楼层或地下室，可以有效减少地表和声波振动的干扰，为精密仪器提供一个稳定的工作环境远离振源02SPM核心部件设计得小巧紧凑且刚度较高，探针与样品间相对振动的自然频率就非常高。在外来低频驱动力的作用下探针与样品将近似同步运动。这样就有效减小了低频振动对针尖-样品相对距离的影响。仪器刚度03结合被动隔振措施如悬挂弹簧、气浮平台以及主动隔振技术，可以有效隔离高频振动并抵消外界强迫力，特别适用于处理低于1Hz的振动问题。振动隔离2.振动隔离系统悬挂弹簧与气浮隔振平台3.机械运动与扫描系统SPM工作的过程，就是探针在反馈系统控制下进行机械移动的扫描过程。特殊设计的机械促动装置发挥着重要的作用。一方面，手动安装的新针尖与样品距离一般在mm量级。而在扫描时，针尖与样品表面的距离为nm量级。这要求探针在长距离移动的同时，还要达到纳米级的定位精度。另一方面，为了获得原子级分辨的扫描图像，需要将宏观大小的探针沿平行和垂直于表面方向进行原子尺度的精确移动。在SPM中，机械运动系统一般由高速长行程的粗调定位器和高位移精度压电扫描器共同构成。这两种运动部件的核心材料都是压电陶瓷。3.机械运动与扫描系统当某些绝缘材料沿一定方向受力变形时，会在其两个相对的表面产生正负极化电荷；外力方向变化时，极化电荷正负极性也反号。这种现象称为正压电效应。反之，当在某方向施加电压时，材料会发生变形；外电压越大形变越大，称为逆压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。通常压电系数都很小，例如锆钛酸铅（PZT）在常温下的d31约为0.3nm/V。即在1V的电压下仅产生约0.3nm的形变。这种尺度刚好满足SPM探针扫描移动的精度需要。但是，SPM的扫描范围通常在数十μm，针尖趋近的移动距离为mm量级。直接利用逆压电效应需要数万伏以上的高压电。这显然是不现实不安全的。因此，要实现长距离的位移，还需要对压电器件的结构进行特殊的设计。压电元件3.机械运动与扫描系统粗调定位器的核心是由压电材料驱动的高精度步进电机。在特定电压脉冲序列的驱动下，步进电机推动探针一步步地趋近样品。每一步的步长在数百nm左右。每前进一步，控制系统会从探针获取反馈信号，并据此实时判断探针与样品表面的距离。当距离达到可测量范围时，步进电机停止前进，并在控制系统的指挥下与压电扫描器协同调整，使仪器达到测试状态。粗调定位器3.机械运动与扫描系统要实现原子级的扫描成像，要求针尖在垂直于表面的z方向移动精度优于0.001nm，在平行于表面的x和y方向移动精度优于0.01nm。最简单直接的设计就是采用三维直角坐标结构的三角架式扫描器。它操作方便；但扫描范围较小，刚度不够，结构缺乏对称性，力学关系也较为复杂，很难应用于变温等复杂环境。管式扫描器是将压电陶瓷制作成圆管。在管的内外壁制作电极。其中，内壁的电极是一个整体，而外壁的电极均分为4个部分，分别控制x和y方向的移动。压电扫描器三角架式扫描器管式扫描器4.信号采集、反馈控制与数据处理传感器信号转换的第一步是采集物理量，如样品高度、电流或力等，这一过程确保了后续转换的准确性和可靠性，为生成准确的样品表面分布图打下基础。物理量采集将采集到的物理量通过传感器转换为数字电信号是信号转换的核心，这一步将模拟信号数字化，为控制系统提供可处理的数据，是连接物理世界与数字世界的桥梁。数字电信号转换经过传感器转换的数字电信号需通过数据处理软件进一步处理，最终以像素图的形式显示处理结果，这一步骤是实现从数据到图像的关键转变，为研究人员提供直观的样品表面信息。数据处理与显示4.信号采集、反馈控制与数据处理

实时调整机制

反馈控制系统通过实时监测探针与样品间的互动，动态调整扫描参数如探针高度，确保测量过程的精确性与稳定性，适应样品表面的变化。

信号采集与PID处理

系统通过传感器采集被测物理量，转换为电信号后，利用PID算法处理这些信号，计算出下一测量点的参数，实现精准控制和高效数据处理。

反馈控制模式

反馈控制系统提供恒高度和恒被测信号两种模式，应对不同表面形貌的测量需求，恒高度模式操作便捷但有局限，恒被测信号模式则能更精确地映射表面形貌。

反馈控制系统4.信号采集、反馈控制与数据处理针尖-样品距离会影响探针的许多物理参量，例如STM探针的电流或AFM探针的力等。在恒高度模式下扫描时，探针的高度保持不变。当针尖所对样品位置较高时，样品距离针尖近，这些被测信号就较强，反之较弱。再利用被测信号与样品距离的关系，可得出表面的形貌像。恒高度模式当扫描过程中发现被测信号发生变化时，会实时调整探针高度，保持被测信号不变，也就是保持针尖-样品距离不变。不同位置就对应不同的探针高度。这个高度-位置图就是反映样品表面高低起伏的表面形貌图。高度成为一个直接测量量，比较准确，且避免了表面起伏过大时撞坏针尖的风险。恒被测信号模式4.信号采集、反馈控制与数据处理数据处理软件功能图像处理与调节数据处理软件能够生成2D和3D的表面分布图像，并允许用户调整图像的对比度，以更清晰地展示样品表面的细节和特征。数据校正与优化通过倾斜校正、坏线删除及平滑处理、扫描线高度平移等功能，数据处理软件能有效补偿样品放置和针尖变化带来的误差，确保数据的精确性和一致性。高级分析功能软件提供直方图统计、起伏变化曲线描绘和快速傅立叶分析等高级分析工具，帮助用户深入理解周期性表面分布和选定区域的物理量分布特性。1235.环境控制系统变温样品台通过精确的温度控制，能够在高温和极低温之间进行连续变化，有效抑制电子热激发或离子热迁移等问题，为研