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第卷第期光学精密工程...
年月,
扫描力显微镜中超微力的探测方法
于建宏黄文浩
中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,合肥
摘要本文介绍了近十年来,各国科学家在研究扫描力显微镜的过程中所采用的
各种超微力~ 。传感器的探测方法。评述了各种方法的灵敏度,抗振性,使用
范围,操作方式和各自的优缺点。并对最近出现的几种新的探测方法作了说明。
关键词:扫描力显微镜超微力探测
自扫描力显微镜—于年由.,..
等人发明以来,它已被广泛应用于物理,化学,生物,电子,机械等各个领域,并带动和
影响了一批新兴学科,为纳米科技等高科技学科提供了有力的工具。出现的时间不长,但
已显示出极大的生命力。它不仅可以对导体和半导体进行检测,还可以对绝缘体进行纳米级甚
至原子级的形貌探测;就使用环境来说,它不仅可以用在空气中,还可以用在液体和真空中;在
他用中, 不需对样品进行特别的处理和加工,所以几乎不会对样品造成任何损伤,这些特
性在很大程度上扩大了它的使用范围。另外,利用测量中对力的极端敏感性,它还可以
用来测量样品表面的纳米级力学性质,如对样品的弹性,塑性,硬度,针尖与佯品之问的范德华
吸引力以及磁力口,摩擦力和粘着力的研究,已经取得了很有意义的结果。在扫描力显微镜
中,超微力传感器是其核心部件,它通常由一端部带有微小针尖的悬臂梁组成,并且应该满足
较小的弹性系数和较高的固有频率等力学性质。在探测样品的过程中,对悬臂梁在超微力的作
用下,其变形程度的探测是至关重要的。在中是通过对纳米级变形的检测来实现超微力
检测的。至今,探测悬臂梁变形程度的方法已经有很多种,从最畅上隧道电流探测法,后来的光
学偏转法,各种干涉方法,电容探测法,一直到最近的压阻法和压电法等。了解和分析各种探测
方法的优缺点,以及它们的分辨率、抗振性、适用范围、操作方式等,对正确使用和在设
计新的探测方法方面有着重要意义。
隧道电流探测法
悬臂梁放在样品和扫描隧道显微镜的针尖之间,并与一压电陶瓷固定在一起,通过给压
电陶瓷一交流电压信号,可使悬臂梁在一定频率下振动。隧道电流探测法的优点是灵敏度高,
』悬臂梁的共振频率大于。但这种方法缺点较多,因此,目前这种方法除了在特殊场合下
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光学精密工程卷
低温,真空中已很少使用。
光学偏转法光学杠杆法’
光学偏转法的原理为:从激光器射出的光聚焦在悬臂梁的背面,并反射到位置敏感元件
上。在扫描过程中,悬臂梁随着针尖和样品之间作用力的变化而发生幅度不同的偏转,
使反射光的位置发生变化,由此可得到样品的表面图像。
光学偏转法简单,容易操作,并且可探测悬臂梁的较大幅度几百埃的振动,对悬臂梁的
表面粗糙度不敏感,分辨率亦较高。但这种方法有一个在光学探测法中都存在的缺点,即对于
某些光敏材料,用光学探测法有可能使样品的表面特性发生一定的变化,所以对其使用造成影
响。这种方法的灵敏度可达× /“,共振频率为十几。
干涉法
. 自差干涉法
自差干涉法的原理见图。偏振激光器发
出的光经偏振分光境,/波片,物镜打在悬臂管
梁的背面,从悬臂梁反射回来的光和从光学平
板上反射的光发生干涉,结