第31卷第1期 2002年1月
光子学报
Vol.31No.1
January2002
ACTAPHOTONICASINICA
新型原子力显微镜的研制及其应用
张冬仙 章海军 李 博 黄 峰
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,杭州310027)
摘 要 研制了一种新型卧式原子力显微镜(AFM)系统.本文介绍卧式AFM的工作原理及其简要结构,讨论反馈控制电路系统的优化设计,阐述Windows/Dos兼容的图象扫描、处理和显示软件.基于原子力曲线的测定,利用AFM对纳米金刚石薄膜和多孔氧化铝进行了扫描检测.实验表明,该AFM系统具有十分良好的图象重复性、稳定性和衬比(度),仪器的横向分辨率优于3nm,纵向分辨率可达1nm,最大扫描范围达到5μm×5μm.这些性能为卧式AFM在更广泛的纳米技术领域的应用奠定了基础.关键词 原子力显微镜;卧式;扫描;纳米技术
0 引言
纳米技术是20世纪80年代发展起来的高新科技.各发达国家如美国、日本和西欧等都将纳米技术作为21世纪新的产业革命的核心,我国也在科技发展战略中将纳米技术列为优先发展的领域.以扫描隧道显微镜(STM)1与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术,是纳米技术发展的重要基础.而在SPM家族中,又以AFM的应用领域更为广泛,因为大多数纳米材料均为非导体样品.目前,国际上AFM仪器的应用已较为普及,而我国则仍基本依赖进口.尽管进口仪器的性能已日趋完善,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AFM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普及.为此迫切需要将AFM国产化,并根据国情尽可能提高仪器的性能/价格比.近年来,我们实验室在STM和
4～6
AFM的研制及实用化方面做了大量的工作.特别是在新型AFM的研究中形成了自身的特色,仪器的性能/价格比具有明显的优势,已经在国内科研院所的物理学、化学、材料学、生物学、微电子学、微型机械和光电子学等领域得到广泛应用.本文介绍最新研制的AFM仪器,讨论其在
2
3
机光电结构、反馈控制系统及图象扫描与处理软件等方面的优化研究,给出了部分样品的扫描图象结果.
1 原理与方法
AFM的工作原理基于原子与原子之间的相互作用力.当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时,微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力.原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系.AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系,通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的.
AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器—微探针.微悬臂一端固定,另一段置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微探针.当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时,两者间将产生相互作用的原子力,其中切向力Ft使微悬臂扭曲,法向(纵向)力Fn将推动微悬臂偏转.我们所关心的主要是纵向力Fn,它与针尖-样品间
距成一定的对应关系,即与样品表面的起伏具有对应关系.微悬臂的偏转量十分微小,无法进行直接检测,需要采用间接的测量方法,其中以光束
1期 张冬仙等.新型原子力显微镜的研制及其应用
51
图1 AFM的光束偏转法原理图 Fig.1 Basicconceptofopticalbeam
deflectionmethodusedinAFM
图2 卧式AFM的系统框图Fig.2 SchematicdiagramofthehorizontalAFMsystem
描),由计算机通过D/A接口控制扫描电路实现.为使探针与样品在扫描过程中保持一定的纵向(即Z向)间距,引入了比例-积分-微分(PID)反馈
控制电路系统.这是一种简化并且优化的反馈控制系统,包括前置放大器、滤波器、比较放大器、积分器、低压和高压放大器等.通过理论计算和实验调试,选定了最佳的反馈控制参量,如积分常量、反馈增益、参考电压、低压与高压放大比等,提高了反馈控制系统的灵敏度和控制精度,使AFM的性能得到进一步优化.相比于进口仪器,整个反馈电路简洁高效,避免了繁复的操作过程,并且大大降低了噪音水平.XYZ扫描控制器,由三根互相垂直的管状压电陶瓷与样品台组成.它可以在保证分辨率的同时,获得较大的动态扫描范围;而十字架式的稳定结构,又可使其适用于较大或较重的样品扫描,使AFM更加实用化.
为有效实现AFM微探针的安装、激光光斑的对准,以及探针-样品间的微进给等操作,引入CCD显微摄象监控系统,在监视器监控下,这些操作直观而便捷,提高了仪器的可操作性.
2.3 Windows/Dos兼容的图象扫描与处理软件
按照实用化要求,AFM必需具备在不同型号的计算机和不同操作系统下均能有效工作的软件系统.我们研制的Windows/Dos兼容的AFM图象扫描与处理软件,可完全满足这些要求.首先,软件系统提供良好的扫描界面和参量设置功能.可对扫描范围、扫描时间、扫描区域(样品偏移)等进行实时调整,并选择图象象素和图象亮度阈值的大小.扫描获得的图象在显示框内实时地重复显示(图3).扫描过程中可根据需要捕获图象并存储到计算机中,图象的捕获操作可连续进行,以便对样品作实时的在线检测.其次,软件系统提供多种图象显示功能.可将图象
偏转法最为简洁有效.如图1所示,一束激光投射到微悬臂的尖端后被反射,反射光束被位置敏感元件(PSD)接收,显然,PSD光敏面上的光斑的偏转位移量与微悬臂的偏转量成正比,但前者比后者放大了数千倍,因为偏转臂的长度远远大于微悬臂的有效长度.放大后的位移量可以直接通过检测PSD输出光电流的大小而精确测定.以样品等高扫描模式为例,当样品扫描时,作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化,检测PSD输出光电流的大小,即可推知微悬臂的偏转量(对应于原子力)的大小,最终获得样品表面的三维微观形貌.
2 新型原子力显微镜系统
我们研制了实用化的卧式AFM系统,并对仪器结构、光电信号处理电路、扫描与反馈控制电路,以及扫描与图象处理软件等方面进行了优化.2.1 卧式AFM的设计
由于在图1中微探针的重力方向与纵向力Fn方向一致,探针的自重与原子力的大小可比拟,因此当探针与样品之间作快速扫描时,重力的存在势必影响微悬臂的偏转灵敏度和偏转量的大小,从而造成扫描图象的失真,这种失真在以接触模式扫描样品时尤为明显.为消除这一影响,我们将传统的立式AFM改进为卧式结构,以使重力方向与用于成象的纵向力方向相互垂直,从而提高仪器的灵敏度和分辨率,同时减小针尖对样品表面影响,取得了良好效果.2.2 扫描与反馈控制电路系统
图2所示为卧式AFM的机、光、电、算系统框图.样品相对于探针的横向扫描(即XY)扫
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光子学报 31卷
图3 Windows/Dos兼容的图象扫描与处理软件界面Fig.3 InterfaceoftheWindows/Doscompatible
softwareforimagescanningandprocessinginAFM
图4 金刚石薄膜的原子力曲线图 Fig.4 Theatomicforcecurvemeasuredbetween
thetipandthediamondfilm
作平面显示、三维立体显示和截面线显示,同时对图象的颜色、亮度、对比度等进行无级调整.此外,软件系统具备完善的图象处理功能,实现图象的平滑、滤波、反转、裁剪、缩放、二值化、直方图统计、粒径统计等处理.
为了使AFM获得最佳的分辨率和灵敏度,对各类样品均能进行有效的扫描成象,软件还拥有原子力曲线的测定功能.每次开始扫描样品之前,先测定原子力曲线,即原子力与探针-样品间距的关系曲线,以选择最佳的扫描工作点.原子力曲线的测定功能,还可同时满足对样品的物理学和力学性能的研究需要.
图5 金刚石薄膜局部(1100nm×1100nm)三维显示 Fig.5 3-Dimageofa1100nm×1100nmsurface
areaofthediamondfilm
3,整幅图象的扫描时间约为5s.图5所示为从图3虚线框内裁取的图象区域的三维显示图.可以看出,扫描图象具有理想的衬比(度)、清晰度和良好的三维显示效果.
为进一步考察AFM的综合性能,利用该系统对多孔氧化铝的纳米结构及其腐蚀过程进行了连续扫描.先将铝片在草酸中电解使其表面生成氧化铝,之后取出铝片,不作清洗直接进行扫描.图6所示为AFM每隔2min扫描获得的6幅图象,每幅图象扫描时间约为6s,扫描电压150V,对应于1.5μm×1.5μm的扫描范围.
结果表明,铝片在草酸中电解后,表面生成了多孔氧化铝纳米结构;铝片(氧化铝)从电解液中取出后,表面腐蚀过程还将继续.从a至b,多孔结构逐渐呈现;至c和d时,孔洞最为致密和明显,它们呈规则的六边形分布,孔径在40～50nm之间;之后从e到f,孔洞又逐渐被腐蚀,样品表面趋于平整.限于篇幅,我们不讨论多孔氧化铝的形成机制.这一实例同样说明,该AFM系统具有良好的图象衬比(度)、清晰度及可靠性.由于仪器所能提供的最高扫描电压为500V,因此其最.3 实验结果
为了确定卧式AFM系统的分辨率、扫描范
围、图象清晰度、重复性、衬比(度)以及其它相关性能,利用它进行了大量的实验测试.实验中采用的微探针为“V”字型微悬臂,其有效长度分别为100μm和200μm,光源为波长680nm、功率10mW的半导体激光器,光电接收器件选用S1743型二维PSD.所有实验均在室温和大气条件下进行.
首先对石英基底上的金刚石薄膜表面的纳米结构进行测定.为了使AFM工作在最佳灵敏度状态,扫描前先测定探针与金刚石薄膜之间的原子力曲线,如图4所示.由图可知,曲线在A点斜率最大,即原子力随间距变化最灵敏,因此选定A点为最佳工作点,这可通过调整反馈电路的参考电压和Z向压电陶瓷的伸缩量而实现.此后对金
4 结论
AFM与STM是纳米科技工作者不可或缺的研究工具,其中又以AFM在纳米材料学领域的应用最为广泛.随着纳米技术的发展普及,对AFM等仪器的性能及实用化要求必将越来越高.
本文的卧式AFM结构简洁合理,反馈控制电路系统得到了优化,其Windows/Dos兼容的图象扫描、处理和显示软件系统,提供了良好的操作界面和完善的功能.实验表明,仪器的横向分辨
图6 多孔氧化铝腐蚀过程的AFM连续扫描图象,
时间间隔2min,扫描范围1.5μm×1.5μm
Fig.6 Serialimagesoferodedporousalumina
successivelyscannedbytheAFM,eachwithtwo-minuteinterval,1.5μm×1.5μmscan
率优于3nm,纵向分辨率可达1nm,最大扫描范围
达到5μm×5μm.扫描获得的图象具有十分良好的衬比(度)、重复性和稳定性,而且保证扫描效率,一幅400×400象素图象的扫描时间仅需5～6s.仪器适用于较大和较重样品的扫描,对样品的电学与物理学性能无特殊要求,因而更加实用化.仪器辅设的CCD摄象监控系统,使仪器操作便捷直观,不需要专门的操作与维护人员.需要指出,该型AFM仪器系统的主要性能不低于进口仪器,而制作费用仅为后者的十分之一.因此具有广泛的应用前景,能够更好地为我国的纳米技术发展服务.
分辨率,在d图时,我们将扫描范围缩小为1/6,对多孔氧化铝表面进行扫描,相当于把d图局部放大6倍,测得放大后的相邻孔洞结构之间的边界线最小宽度小于3nm,高度1nm左右.由此推断AFM的横向分辨率优于3nm,纵向分辨率可达1nm.
参考文献
1 BinnigG,RohrerH.Scanningtunnelingmicroscope.HelevPhysActa,1982,55(4):726～7292 BinnigG,QuateCF.Atomicforcemicroscope.PhysRevLett,1986,56(5):930～9353 白春礼.扫描隧道显微术及其应用.上海:上海科学技术出版社,1991:91～129
4 章海军,吴兰,黄峰.双成象单元扫描隧道显微镜与原子尺纳米计量技术.光子学报,1998,27(10):886～8895 ZhangHJ,HiguchiT,NishiokiN.DualtunnelingunitSTMforlengthmeasurementbasedoncrystallinelattice.J
VacSciTechnol(B),1997,15(1):174～179
6 ZhangHJ,HuangF,HiguchiT.DualunitSTM-AFMforlengthmeasurementbasedonreferencescales.JVacSci
Technol(B),1997,15(4):780～784
ANEWTYPEOFATOMICFORCEMICROSCOPEANDITSAPPLICATIONS
ZhangDongxian,ZhangHaijun,LiBo,HuangFeng
StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027
Receiveddate:2001-05-31
Anewtypeofhorizontalatomicforcemicroscope(AFM)isdevelopedforapplicationsinAbstract
nanotechnology.ThisarticleprovidesthebasicprincipleandsetupofthehorizontalAFM.Theopti-mizedfeedbackcontrolsystemandtheWindows/Doscompatiblesoftwaresystemforimagescanningandprocessingarealsointroduced.Basedonthemeasurementofatomicforcecurves,imagesofdia-mondthinfilmandporousaluminaweresuccessfullyscannedbyusingtheAFM.ExperimentsshowthatthehorizontalAFMisofhighrepeatability,reliablestabilityandidealcontrastforimageacquisi-tion.Thehorizontalandverticalresolutionsofthesystemare3nmand1nm,respectively,withamaxi-mumscanrangeof5μm×5μm.TheseremarkablecharacteristicsenabletheAFMsystemtobewidelyappliedinthefieldsofnanotechnology.
Keywords AFM;Horizontal;Scanning;Nanotechno
logy
ZhangDongxian wasbornonJanuary20,1964,inZhejiangProvince.ShereceivedherB.S.degreeinphysicsformZhejiangNormalCollegein1984.
Fromthenon,shehasbeenateacherinZhejiangFilmSchool.Since1999,shehasbeentakinggraduatecoursesattheDepartmentofOpticalEngi-neering,ZhejiangUniversity.Herresearchinterestsincludeopticalinstru-ments,atomicforcemicroscopyandnanotechnology.
第31卷第1期 2002年1月
光子学报
Vol.31No.1
January2002
ACTAPHOTONICASINICA
新型原子力显微镜的研制及其应用
张冬仙 章海军 李 博 黄 峰
(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,杭州310027)
摘 要 研制了一种新型卧式原子力显微镜(AFM)系统.本文介绍卧式AFM的工作原理及其简要结构,讨论反馈控制电路系统的优化设计,阐述Windows/Dos兼容的图象扫描、处理和显示软件.基于原子力曲线的测定,利用AFM对纳米金刚石薄膜和多孔氧化铝进行了扫描检测.实验表明,该AFM系统具有十分良好的图象重复性、稳定性和衬比(度),仪器的横向分辨率优于3nm,纵向分辨率可达1nm,最大扫描范围达到5μm×5μm.这些性能为卧式AFM在更广泛的纳米技术领域的应用奠定了基础.关键词 原子力显微镜;卧式;扫描;纳米技术
0 引言
纳米技术是20世纪80年代发展起来的高新科技.各发达国家如美国、日本和西欧等都将纳米技术作为21世纪新的产业革命的核心,我国也在科技发展战略中将纳米技术列为优先发展的领域.以扫描隧道显微镜(STM)1与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术,是纳米技术发展的重要基础.而在SPM家族中,又以AFM的应用领域更为广泛,因为大多数纳米材料均为非导体样品.目前,国际上AFM仪器的应用已较为普及,而我国则仍基本依赖进口.尽管进口仪器的性能已日趋完善,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AFM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普及.为此迫切需要将AFM国产化,并根据国情尽可能提高仪器的性能/价格比.近年来,我们实验室在STM和
4～6
AFM的研制及实用化方面做了大量的工作.特别是在新型AFM的研究中形成了自身的特色,仪器的性能/价格比具有明显的优势,已经在国内科研院所的物理学、化学、材料学、生物学、微电子学、微型机械和光电子学等领域得到广泛应用.本文介绍最新研制的AFM仪器,讨论其在
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机光电结构、反馈控制系统及图象扫描与处理软件等方面的优化研究,给出了部分样品的扫描图象结果.
1 原理与方法
AFM的工作原理基于原子与原子之间的相互作用力.当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时,微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力.原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系.AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系,通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的.
AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器—微探针.微悬臂一端固定,另一段置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微探针.当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时,两者间将产生相互作用的原子力,其中切向力Ft使微悬臂扭曲,法向(纵向)力Fn将推动微悬臂偏转.我们所关心的主要是纵向力Fn,它与针尖-样品间
距成一定的对应关系,即与样品表面的起伏具有对应关系.微悬臂的偏转量十分微小,无法进行直接检测,需要采用间接的测量方法,其中以光束
1期 张冬仙等.新型原子力显微镜的研制及其应用
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图1 AFM的光束偏转法原理图 Fig.1 Basicconceptofopticalbeam
deflectionmethodusedinAFM
图2 卧式AFM的系统框图Fig.2 SchematicdiagramofthehorizontalAFMsystem
描),由计算机通过D/A接口控制扫描电路实现.为使探针与样品在扫描过程中保持一定的纵向(即Z向)间距,引入了比例-积分-微分(PID)反馈
控制电路系统.这是一种简化并且优化的反馈控制系统,包括前置放大器、滤波器、比较放大器、积分器、低压和高压放大器等.通过理论计算和实验调试,选定了最佳的反馈控制参量,如积分常量、反馈增益、参考电压、低压与高压放大比等,提高了反馈控制系统的灵敏度和控制精度,使AFM的性能得到进一步优化.相比于进口仪器,整个反馈电路简洁高效,避免了繁复的操作过程,并且大大降低了噪音水平.XYZ扫描控制器,由三根互相垂直的管状压电陶瓷与样品台组成.它可以在保证分辨率的同时,获得较大的动态扫描范围;而十字架式的稳定结构,又可使其适用于较大或较重的样品扫描,使AFM更加实用化.
为有效实现AFM微探针的安装、激光光斑的对准,以及探针-样品间的微进给等操作,引入CCD显微摄象监控系统,在监视器监控下,这些操作直观而便捷,提高了仪器的可操作性.
2.3 Windows/Dos兼容的图象扫描与处理软件
按照实用化要求,AFM必需具备在不同型号的计算机和不同操作系统下均能有效工作的软件系统.我们研制的Windows/Dos兼容的AFM图象扫描与处理软件,可完全满足这些要求.首先,软件系统提供良好的扫描界面和参量设置功能.可对扫描范围、扫描时间、扫描区域(样品偏移)等进行实时调整,并选择图象象素和图象亮度阈值的大小.扫描获得的图象在显示框内实时地重复显示(图3).扫描过程中可根据需要捕获图象并存储到计算机中,图象的捕获操作可连续进行,以便对样品作实时的在线检测.其次,软件系统提供多种图象显示功能.可将图象
偏转法最为简洁有效.如图1所示,一束激光投射到微悬臂的尖端后被反射,反射光束被位置敏感元件(PSD)接收,显然,PSD光敏面上的光斑的偏转位移量与微悬臂的偏转量成正比,但前者比后者放大了数千倍,因为偏转臂的长度远远大于微悬臂的有效长度.放大后的位移量可以直接通过检测PSD输出光电流的大小而精确测定.以样品等高扫描模式为例,当样品扫描时,作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化,检测PSD输出光电流的大小,即可推知微悬臂的偏转量(对应于原子力)的大小,最终获得样品表面的三维微观形貌.
2 新型原子力显微镜系统
我们研制了实用化的卧式AFM系统,并对仪器结构、光电信号处理电路、扫描与反馈控制电路,以及扫描与图象处理软件等方面进行了优化.2.1 卧式AFM的设计
由于在图1中微探针的重力方向与纵向力Fn方向一致,探针的自重与原子力的大小可比拟,因此当探针与样品之间作快速扫描时,重力的存在势必影响微悬臂的偏转灵敏度和偏转量的大小,从而造成扫描图象的失真,这种失真在以接触模式扫描样品时尤为明显.为消除这一影响,我们将传统的立式AFM改进为卧式结构,以使重力方向与用于成象的纵向力方向相互垂直,从而提高仪器的灵敏度和分辨率,同时减小针尖对样品表面影响,取得了良好效果.2.2 扫描与反馈控制电路系统
图2所示为卧式AFM的机、光、电、算系统框图.样品相对于探针的横向扫描(即XY)扫
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光子学报 31卷
图3 Windows/Dos兼容的图象扫描与处理软件界面Fig.3 InterfaceoftheWindows/Doscompatible
softwareforimagescanningandprocessinginAFM
图4 金刚石薄膜的原子力曲线图 Fig.4 Theatomicforcecurvemeasuredbetween
thetipandthediamondfilm
作平面显示、三维立体显示和截面线显示,同时对图象的颜色、亮度、对比度等进行无级调整.此外,软件系统具备完善的图象处理功能,实现图象的平滑、滤波、反转、裁剪、缩放、二值化、直方图统计、粒径统计等处理.
为了使AFM获得最佳的分辨率和灵敏度,对各类样品均能进行有效的扫描成象,软件还拥有原子力曲线的测定功能.每次开始扫描样品之前,先测定原子力曲线,即原子力与探针-样品间距的关系曲线,以选择最佳的扫描工作点.原子力曲线的测定功能,还可同时满足对样品的物理学和力学性能的研究需要.
图5 金刚石薄膜局部(1100nm×1100nm)三维显示 Fig.5 3-Dimageofa1100nm×1100nmsurface
areaofthediamondfilm
3,整幅图象的扫描时间约为5s.图5所示为从图3虚线框内裁取的图象区域的三维显示图.可以看出,扫描图象具有理想的衬比(度)、清晰度和良好的三维显示效果.
为进一步考察AFM的综合性能,利用该系统对多孔氧化铝的纳米结构及其腐蚀过程进行了连续扫描.先将铝片在草酸中电解使其表面生成氧化铝,之后取出铝片,不作清洗直接进行扫描.图6所示为AFM每隔2min扫描获得的6幅图象,每幅图象扫描时间约为6s,扫描电压150V,对应于1.5μm×1.5μm的扫描范围.
结果表明,铝片在草酸中电解后,表面生成了多孔氧化铝纳米结构;铝片(氧化铝)从电解液中取出后,表面腐蚀过程还将继续.从a至b,多孔结构逐渐呈现;至c和d时,孔洞最为致密和明显,它们呈规则的六边形分布,孔径在40～50nm之间;之后从e到f,孔洞又逐渐被腐蚀,样品表面趋于平整.限于篇幅,我们不讨论多孔氧化铝的形成机制.这一实例同样说明,该AFM系统具有良好的图象衬比(度)、清晰度及可靠性.由于仪器所能提供的最高扫描电压为500V,因此其最.3 实验结果
为了确定卧式AFM系统的分辨率、扫描范
围、图象清晰度、重复性、衬比(度)以及其它相关性能,利用它进行了大量的实验测试.实验中采用的微探针为“V”字型微悬臂,其有效长度分别为100μm和200μm,光源为波长680nm、功率10mW的半导体激光器,光电接收器件选用S1743型二维PSD.所有实验均在室温和大气条件下进行.
首先对石英基底上的金刚石薄膜表面的纳米结构进行测定.为了使AFM工作在最佳灵敏度状态,扫描前先测定探针与金刚石薄膜之间的原子力曲线,如图4所示.由图可知,曲线在A点斜率最大,即原子力随间距变化最灵敏,因此选定A点为最佳工作点,这可通过调整反馈电路的参考电压和Z向压电陶瓷的伸缩量而实现.此后对金
4 结论
AFM与STM是纳米科技工作者不可或缺的研究工具,其中又以AFM在纳米材料学领域的应用最为广泛.随着纳米技术的发展普及,对AFM等仪器的性能及实用化要求必将越来越高.
本文的卧式AFM结构简洁合理,反馈控制电路系统得到了优化,其Windows/Dos兼容的图象扫描、处理和显示软件系统,提供了良好的操作界面和完善的功能.实验表明,仪器的横向分辨
图6 多孔氧化铝腐蚀过程的AFM连续扫描图象,
时间间隔2min,扫描范围1.5μm×1.5μm
Fig.6 Serialimagesoferodedporousalumina
successivelyscannedbytheAFM,eachwithtwo-minuteinterval,1.5μm×1.5μmscan
率优于3nm,纵向分辨率可达1nm,最大扫描范围
达到5μm×5μm.扫描获得的图象具有十分良好的衬比(度)、重复性和稳定性,而且保证扫描效率,一幅400×400象素图象的扫描时间仅需5～6s.仪器适用于较大和较重样品的扫描,对样品的电学与物理学性能无特殊要求,因而更加实用化.仪器辅设的CCD摄象监控系统,使仪器操作便捷直观,不需要专门的操作与维护人员.需要指出,该型AFM仪器系统的主要性能不低于进口仪器,而制作费用仅为后者的十分之一.因此具有广泛的应用前景,能够更好地为我国的纳米技术发展服务.
分辨率,在d图时,我们将扫描范围缩小为1/6,对多孔氧化铝表面进行扫描,相当于把d图局部放大6倍,测得放大后的相邻孔洞结构之间的边界线最小宽度小于3nm,高度1nm左右.由此推断AFM的横向分辨率优于3nm,纵向分辨率可达1nm.
参考文献
1 BinnigG,RohrerH.Scanningtunnelingmicroscope.HelevPhysActa,1982,55(4):726～7292 BinnigG,QuateCF.Atomicforcemicroscope.PhysRevLett,1986,56(5):930～9353 白春礼.扫描隧道显微术及其应用.上海:上海科学技术出版社,1991:91～129
4 章海军,吴兰,黄峰.双成象单元扫描隧道显微镜与原子尺纳米计量技术.光子学报,1998,27(10):886～8895 ZhangHJ,HiguchiT,NishiokiN.DualtunnelingunitSTMforlengthmeasurementbasedoncrystallinelattice.J
VacSciTechnol(B),1997,15(1):174～179
6 ZhangHJ,HuangF,HiguchiT.DualunitSTM-AFMforlengthmeasurementbasedonreferencescales.JVacSci
Technol(B),1997,15(4):780～784
ANEWTYPEOFATOMICFORCEMICROSCOPEANDITSAPPLICATIONS
ZhangDongxian,ZhangHaijun,LiBo,HuangFeng
StateKeyLaboratoryofModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027
Receiveddate:2001-05-31
Anewtypeofhorizontalatomicforcemicroscope(AFM)isdevelopedforapplicationsinAbstract
nanotechnology.ThisarticleprovidesthebasicprincipleandsetupofthehorizontalAFM.Theopti-mizedfeedbackcontrolsystemandtheWindows/Doscompatiblesoftwaresystemforimagescanningandprocessingarealsointroduced.Basedonthemeasurementofatomicforcecurves,imagesofdia-mondthinfilmandporousaluminaweresuccessfullyscannedbyusingtheAFM.ExperimentsshowthatthehorizontalAFMisofhighrepeatability,reliablestabilityandidealcontrastforimageacquisi-tion.Thehorizontalandverticalresolutionsofthesystemare3nmand1nm,respectively,withamaxi-mumscanrangeof5μm×5μm.TheseremarkablecharacteristicsenabletheAFMsystemtobewidelyappliedinthefieldsofnanotechnology.
Keywords AFM;Horizontal;Scanning;Nanotechno
logy
ZhangDongxian wasbornonJanuary20,1964,inZhejiangProvince.ShereceivedherB.S.degreeinphysicsformZhejiangNormalCollegein1984.
Fromthenon,shehasbeenateacherinZhejiangFilmSchool.Since1999,shehasbeentakinggraduatecoursesattheDepartmentofOpticalEngi-neering,ZhejiangUniversity.Herresearchinterestsincludeopticalinstru-ments,atomicforcemicroscopyandnanotechnology.