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用于微观几何形状测量的扫描探针显微技术

编辑:金沙官网        发布日期:2018-05-15        点击量:721

利用精密测量仪器设备和微操作控制控制机构,人类已经走进了微观世界,并不懈地进行微技术的研究和开发。微技术的发展使得产品微小型化并集成各种功能成为可能,与此同时,不断的微小型化,使得对微观结构的精确测量变得越来越重要。近10年来,表面物理学的基础研究使得扫描探针显微技术(SPM)得到发展,这种新型技术可以对微观几何形状及其它表面特性进行测量分析。扫描探针显微镜同光学和电子显微镜有着明显的区别,扫描探针显微镜使用很小的探针去;接触;被测量物体的表面,与物体表面极其接近,距离极小,具有原子量级的分辨力。

用于微观几何形状测量的扫描探针显微技术

利用扫描探针显微技术可以在150~150μm2的范围内,可获得原子量级的测量准确度。所有的仪器检测,比如:实验室使用的所有仪器。像红外阿卡氏分什么的都需要。

扫描探针显微术是一类显微术的总称,具体包括十几种或更多的具体技术,这些技术在概念和具体技术上以扫描隧道显微术(scanning tunnelingmicroscopy,STM)为基础[2]。所有的仪器检测,比如:实验室使用的所有仪器。像红外阿卡氏分什么的都需要。本文将具体对扫描隧道显微术、扫描光学近场显微镜(scanning near-fieldoptical microscopy,SNOM)和原子力显微术(atomicforce microscopy,AFM)等三种扫描探针显微技术进行具体先容和分析。

扫描隧道显微术(STM)

在扫描隧道显微镜中,导体制成的探针在被测量的导体表面上逐行扫描。当探针非常接近被测量表面时,隧道效应(tunneling effect)将起作用,产生隧道效应电流(tunneling effect current)。

为获得测量信号,探针与被测对象的距离一般需要保持在1nm左右。利用高灵敏度的放大器,可以检测到2 fA的电流。振动和热漂移的影响是利用这种方法进行测量所遇到的最大问题,普通环境中基础振动和声振动所造成的振动幅度可达1μm,零部件的热漂移大约为1μm/cm。

利用隧道效应进行测量,有两种测量方式方法。一种是控制探针的高度,使得所产生的隧道电流值不变,即恒定电流方式:IT=常量。利用探针在垂直方向的位移信息来获得被测量物体表面的轮廓;另一种是保持探针的高度不变,即恒定高度方式,利用隧道效应电流的变化获得测量信息,使用这种方式,探针有与被测量表面碰撞的危险,同时由于可能存在的电气接触而使所获得的测量电流不准确。

探针的位置可以通过精密电容式传感器来进行测量。

图中采用3个传感器分别用来测量探针在x,y,z三个方向的位移,以便消除探针歪斜所带来的偏差。

扫描隧道显微术的优点是这种方法可以获得很高的分辨力,约为0.01μm,缺点是测量范围小,横向最大测量范围约为100μm,垂直方向测量范围约为10μm。

 

扫描光学近场显微镜(SNOM)

SNOM是一种高分辨力的光学显微技术,它通过一个很小的光点在被检测样品上扫描,检测反射光或透射光来获得表面轮廓的图像。与共焦显微镜在测量时利用焦点进行扫描的原理相似。传统的光学显微镜由于受到衍射的影响,其光学分辨力仅能达到所使用光线波长的一半左右。由于SNOM是利用光圈的光学近场进行测量,它的分辨力是由所使用光圈孔径的大小和特性所决定,而与所使用光线的波长无关。

SNOM可以将普通光学显微镜的分辨力至少提高一个数量级。计量器具是指能用以直接或间接测出被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质。目前实际可以达到的分辨力仅约为50nm。SNOM所使用的孔径大约在50~100nm的范围内。这样的光圈孔径通常可利用透明材料的尖端顶点,通过在透明材料表面需要镀上一层不透明的金属来实现;也可以采用将光纤加热拉长的方法来实现。

如果将光圈的顶点移近被测量物体表面,光学近场将受到扰动,使得与光圈相对的物体表面反射或透射光。扫描被测量表面,保持光圈的顶点与物体表面的距离(一般为10 nm),以便避免损坏光圈的顶点或样品,与此同时,检测被测量表面反射或透射的光以生成高分辨力的光学图像。SNOM有4种工作方式方法。技术上,SNOM与STM等类似,都是通过移动样品或探针进行扫描,同时控制探针与样品表面的距离。

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