静电力显微镜.pdf

第!卷 第#期!$年%月电子显微学报!#$%&()*+%,-,.,/0$%1+/$-/23 4/+,03&()!，*+#!$)%文章编号：$)%!,$（!$）#)!#!)%扫描静电力显微镜及其电荷捕获-释放技术王志勇，张鸿海，鲍剑斌，郭文明，汪学方（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉.#/.）摘要：介绍扫描静电力显微测量及用其实现电荷捕获释放的技术现状、发展动向，以及关键技术的一些最新成果。前者已被广泛应用于测量半导体表面电荷密度分布、表面电势以及铁电材料铁电体结构的研究中；后者可望用于研制速度和存贮容量都比现在提高成千上万倍的量子器件。最后，本文探讨了基于微晶振的静电力显微测量的关键技术及其解决方案。关键词：扫描探针显微镜；扫描力显微镜；静电力显微镜；电荷存储中图分类号：0*$%，0*.1!文献标识码：2收稿日期：!$)$),；修订日期：!$)#)!扫描静电力显微测量技术及其应用345 公司瑞士苏黎世实验室的 6 4788789 等人研制成功的扫描隧道显微镜（:;(78957;?;A，:05），使人类第一次实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质。至此，建立在+$至$8B 尺度上的纳米科技得到了迅速发展。在:05基础上发展起来的扫描探针显微镜（:;57;?;A，:C5）家族，近年来已发展为成熟的具有原子级分辨率的表面微观形貌测量工具，不仅可用来测量导体，而且可用于绝缘体，为人类提供了一种认识微观世界有效工具。（$）可使用静电力显微镜（E(;F?F 57;?;A，EG5）来测量样品局部电特性，如表面电势、表面电荷以及铁电材料掺杂结构$，!。已经应用于微电子元器件、超大规模集成电路、微电子机械系统以及纳米材料的微观电特性的研究。例如，利用高灵敏度的静电力显微镜测量了:7#*.的表面离子的移动以及其空间分布#。表面流动电荷的运动是影响半导体元件和 3H 系统性能不稳定的主要原因，因此使用 EG5 对这种电荷成像，尤其在其它方法观察不能确定时为元件的设计提供了非常有益的信息，而且 EG5 使用的纳米级探针可获得更高的分辨率。（!）可用于研究电荷的捕捉-释放技术。$11/年，科学家首次成功的用单电子移动单电子，利用这种技术可望获得速度和存贮容量都比现在提高成千上万倍的量子计算机。其中关键技术为单电荷的操作技术，将电子作为波动处理的纳米电子学将使量子元件代替微电子元器件，这种量子器件具有超高速、超容量、超微型、低功耗的特点。例如，有人利用扫描电容显微镜（:;88789HA;7F 57;?;A，:H5）来研究:7I!-:7 材料的电荷捕获-释放现象.。与表面电荷测量一样:H5 能够实现局部电荷捕捉-释放，在实现超高密度存储技术中具有巨大潜能。扫描静电力显微测量技术的发展56扫描静电力显微测量原理与成像方式!.71 的工作原理现有的 EG5 与:H5 都是在基于微悬臂的原子力显微镜（2FB7;G?;57;?;A，2G5）的基础上开发的。即在悬臂针尖与样品之间施加可调交流电压信号，二者之间产生静电力，由!于样品图!#$的工作原理#%&!()*+,%-./01#$表面电荷的影响，静电力发生变化，将改变微悬臂的振动特性，固定在微悬臂上的微小反射镜改变了光路，用激光干涉测微仪可以获得这种微小变化。#$的基本原理如图!所示。!静电力显微镜成像方式静电力显微镜成像方式有两种：电场梯度成像和表面电势成像。电场梯度成像技术相对简单，测量的是样品电场变化。样品可以是导体、绝缘体或半导体。但因为表面形貌与电场梯度混合在一起，对于表面形貌特征变化大的样品，很难获得真实的样品表面电场信息。表面电势成像测量的是样品表面的有效电压，即测量过程中调节针尖电压，使针尖与样品之间的静电力最小（此时，针尖与样品上的电压相等），通过针尖所加电压获得样品表面电势信息。由于静电作用属于长程作用力，因此利用静电力显微镜研究样品电特性采用 2%13405/模式测量，以减小表面形貌的影响6。每一条扫描线都进行两次扫描：首先，形貌测量是采用轻敲模式获得；然后针尖提起一定高度第二次扫描，扫描过程中保持针尖与样品间距恒定来获得电性质。这种测量方式虽然将样品形貌特征与电场梯度分离开来，但在纳米级测量中，由于二次定位产生的误差（非线性误差）会严重影响测量结果，从而很难获得真实的图像信息。因此，利用静电力显微镜一次扫描同时测量样品表面形貌和样品表面电性质的技术受到了广泛的重视。!778 年，9:;/)%?*)/+?,A 等人在此基础上利用#$观察了铁电B铁弹材料 C5D（$0EF）的掺杂结构，获得了铁电体的结构图像G。!77!年，H$I J/?K/)等人在大气条件下测量了半导体器件（运算放大器）局部表面电势，分辨率达到纳米级（68+4）L。!#$%的三种测量模式（图!）图!#$%三种扫描模式的成像比较。$&!()*+#$%,-./&/012+,13&0.&/接触模式下的#$%在接触模式下，针尖B样品间的相互作用力是两者互相接触的原子中电子间存在的库仑排斥力以及针尖与样品产生的静电力，但由于接触模式下原子力占主要作用，可以控制针尖与样品间原子力恒定测量样品表面形貌。同时，在针尖与样品之间施加交流可调电压信号，微悬臂开始受迫振动，也就是说，探针在接触模式下仍然在小振幅振动。由于这种振动信号可以测量，因此即使在很MMD第 M 期王志勇等：扫描静电力显微镜及其电荷捕获N释放技术强原子力的作用下，使用锁相放大技术（!#$%&()#*&+,)-）仍然可以检测到微弱的静电力信号。如果加到针尖上的电压信号可调来控制针尖上的电荷量，继而在针尖和样品之间产生附加可调的静电力，就可以同时获得样品的表面形貌和其它静电作用信息，如表面电势、表面电荷密度.。这种测量模式可以降低表面形貌对电场测量的影响，可以获得较稳定、高分辨率形貌与样品电性质图像，但由于探针在样品表面上的移动以及针尖%表面间的粘附力，有可能使得样品产生相当大的变形，同时表面摩擦力也使得针尖产生较大的损害，从而在图像数据中可能产生假象。/012113)等人利用表面电荷理论计算了悬臂针尖与样品之间的静电力以及其作用力梯度。由于静电力属于长程作用力，不仅作用于针尖，而且极大的作用于悬臂部分，因此接触式静电力测量受测量探针形状影响很大，相反使针尖距离样品表面 45 6 7558 处，采用非接触式静电力梯度测量探针的形状则可以忽略不计95。!非接触模式下的!#非接触模式是控制探针在样品表面上方 75 6 9558 距离处扫描，探针始终不与样品表面接触，因而针尖不会对样品造成污染或产生破坏，避免了接触模式中遇到的一些问题。非接触模式中，针尖和样品之间的作用力是很弱的长程作用力 范德华力与静电力。由于范德华力远小于接触模式下的原子力，很难获得微悬臂受力弯曲的变形量。为了提高信噪比，通过压电元件驱动悬臂在其共振频率处振动，在针尖上施加振荡信号，由于范德华力梯度作用，悬臂的弹性常数发生变化，引起微悬臂的共振频率减小，通过测量悬臂振动的振幅、频率和相位的变化，以便能够用来检测针尖和样品之间的较小的作用力，针尖和样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率和振幅来控制的。同时在针尖与样品之间施加可调交流电压信号，使二者之间产生附加静电力，通过锁相放大技术提取这个信号即可获得样品表面电荷密度分布、表面电势以及介电常数等表面电性质。这就是所谓的:;检测方式，也是测量远程力所采用的方法。从理论上我们可以控制针尖在完全脱离表面但又非常接近的距离上进行扫描，但在实际操作中难度是很大的，一般控制在 9558 左右，由于样品和针尖之间的距离较大，使得非接触模式的分辨率比接触模式的分辨率要低。此外，样品的表面形貌和静电力混合作用于针尖，导致测量结果无法分离样品表面相貌与静电力信息，如表面电势的突然变化、表面电荷都可以产生一个强大的静电力力梯度场，因此探针的轨迹并不是反映样品的真实形貌，而是静电力和范德华力共同作用的力梯度场的轮廓.。同样，这种混合作用也导致了测量样品电特性时的误差。轻敲模式下的!#轻敲模式扫描过程中微悬臂也是振荡的，并具有比非接触更大的振幅（大于 758），可达 956 9558，针尖在振荡时间断地与样品接触99。由于针尖同样品接触，分辨率几乎和接触式扫描一样的高，但由于接触是短暂的，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，克服了常规扫描模式的局限性。轻敲模式在大气中成像，是利用压电晶体在微悬臂共振频率附近驱动微悬臂振荡。当样品不与针尖接触时，微悬臂是高振幅自由振荡的，当针尖向下移向表面直到它轻轻接触表面，由于微悬臂没有足够空间去振荡，其振幅会减小。使用检测器检测这个振幅，通过调整针尖和样品的距离来控制微悬臂振幅，使得针尖作用在表面上的力恒定，从而得到样品的表面形貌。同时，针尖和样品间由于施加另一个可调交流电压产生的静电力受到轻敲振荡信号的调制，利用锁相放大技术可以提取样品表面的电性质信号。等人应用交流可调静电力调节在轻敲模式下获得了直径 9558 的聚苯乙烯分子团的清晰图像97。轻敲模式避免了针尖粘附到样品上以及扫描过程中对样品的破坏，对于软、粘和脆性样品的研究具有独到的优势。但轻敲模式同样在实际运用中存在着不易控制的缺点，对于表面形貌起?7电子显微学报第 75 卷伏较大的样品，很难控制振幅恒定。此外，基于微悬臂的!#在实际应用中，要求微悬臂和针尖的制作既要得到较高的质量，同时具有很好的可重复性是很困难的，不仅需要一个结构复杂的微小悬臂作为力的传感器，而且还要一个激光干涉测微仪用于检测微悬臂的微小位移来获得表面变化信息，因而结构较为复杂，成本也很高，操作难度增大，也就造成其在应用中的局限性，是现在需要解决的问题。!微力传感器技术的发展压电材料，如压电陶管和压电晶体是驱动悬臂和工作台移动的执行部件，但将压电材料直接作为微力传感器，则是最近才发展起来的新技术。压电晶体本身具有的高频率稳定性、高灵敏度的特点得到了人们的注意，并围绕其展开了一系列的工作。在非接触测量模式中，微悬臂是要靠压电驱动器进行驱动来做小幅的振动，随着$%模式的发展，人们开始认识到寻求具有高频固有频率的悬臂作为直接力传感器的可能性。&(年，)*#$+,-./0 研究中心的 1 2$+34/567，894.77/4 等提出将微悬臂粘附在双晶片上以提高悬臂的:值，产生稳定性好的高频振荡信号，这样由于力梯度作用下悬臂的弯曲信号受到频率调制，通过解调就可以获得表面形貌&;。微石英晶振具有稳定的高频振荡特性&，通过前端粘结微小针尖构成针式传感器，作为直接的微力测量单元，由于其成本低廉，易于获得，性能稳定，在测试方法上具有独到的优势，因此是一个很有前途的方向，对于工业界和实验室科学试验和工业应用都具有很大的价值。&?0,，水平分辨率可达到(A!,&A。&B 年，C-+!DE-4DF 等在磁力显微镜的试验中，报道了一种使用音叉作为驱动器和传感器的快速高精度的原子力显微镜，其针尖是垂直于样品方向振动的，类似于传统的$%模式成像技术&G。国内这一领域的工作开展的比较晚，华中理工大学纳米技术实验室于(代初在这一领域进行了深入研究，并获得了初步的结果，利用谐振频率为;?HBGIJCK 的音叉作为传感器构成扫描近场声显微镜（L5-00M0N O/-4PQM/+D$5=.F7M5#M54=F5=R/，LO$#），其水平分辨率可达 A!,，垂直分辨率G0,&B，为了提高水平分辨率，在音叉前端粘结半径?(0,的钨针尖构成$#，其水平分辨率可达&?(0,，垂直分辨率&0,&B，以及通过粘结光纤针尖构成扫描近场光显微镜。同时，利用谐振频率为&#CK 的伸长型微晶振构造了 LO$#&I与 L8#&，水平分辨率分别可达到 A!,和 0,级。基于微晶振的!#及其电荷释放S捕捉技术根据压电效应，压电材料交变的机械形变会产生交变的电场。从而可不需激光测微仪，直接使用压电材料就可提取出测量信号。微晶振是由石英晶体组成，具有压电效应的典型材料。正是基于这种技术背景，我们提出了基于石英晶振的动态非接触静电力显微测量技术，即采用微晶振粘结导电微小针尖构成一个独立的直接和即时的微力测量单元，消除了中间转化环节引入的宏观噪声，可以大大提高测量分辨率。首先在晶振两腿间施加交流电信号，晶振在其固有频率!(附近受迫振荡，在范德华力梯度场中处于稳态平衡状态；同时在针尖与样品间施加频率为!可调交流电压，在产生的交变静电力的作用下，压电晶体产生变形，晶振输出频率为!(电信号，受到晶振输入信号!(的调制，利用锁相放大技术分别提取两种频率的信号。电荷捕捉S释放是近年来才开始发展起来的新的研究课题。与测量半导体样品局部电荷分布一样，!#能够实现局部电荷捕获S释放。2%*44/77 和%:.-7/通过实验证明 L%#将可应用于永久性高密度存储技术中?(，?&。T U C=0N 等人利用!#在 LMV?SLM 材料中实现电荷的捕获S释A;?第;期王志勇等：扫描静电力显微镜及其电荷捕获S释放技术放技术!，#$%&等人实现了在(&)*)*+,-（.）结构的电荷存储*，/0,123345 等人将电荷存储在植入,-)*结构的钴微粒中*6。基于石英晶振的动态非接触静电力显微镜在无限接近（7 8*9%:）样品表面时，可以利用产生的隧道效应实现局部电荷捕获+释放技术。关键技术与解决方案（.）建立静电力及其力梯度与针式传感器相互作用的动力学模型的过程中，解决现有测量过程中表面形貌与静电力电场耦合问题。在大气环境下，基于微石英晶振的针式传感器在驱动力与范德华力梯度场作用下处于稳态平衡状态的动力学方程的建立。同时建立静电力及静电力梯度与其引起的压电效应产生的电信号的关系模型。在假设均匀介电常数、局部电场均匀、针尖与样品作为平行板电容的前提下的理论计算，配合实验验证，以建立较为精确的该种测量模式下的理论模型或试验曲线。（*）基于微石英晶振的针式传感器获取微弱信号（静电力或静电力梯度信号）技术及微弱信号检测系统的研究。测量过程中由于驱动晶振的驱动信号在力梯度场的作用下发生变化后与静电力在压电效应的作用下产生的电信号耦合在一起输出，需要利用锁相放大技术（;$1?&）分别提取这两种微弱信号（纳米级）。此外，针对大气环境中存在的振动（固体振动、气体振动）噪声（电磁噪声、光声噪声），建立相应的隔振与屏蔽系统，是影响测量的关键因素。（6）解决非接触模式下近距离（7 8*9%:）跟踪样品表面的技术问题，以形成隧道结，研究隧道效应形成的机理以及产生稳定隧道效应的条件，定性研究电荷捕获+释放与隧道电流的关系。研究电荷捕获+释放量与针尖电压、针尖与样品间距以及停留时间的关系曲线。其中针尖电压!、针尖样品间距、扫描速度#，实验中保持其中两个参数恒定，获得另外一个参数与电荷捕捉与释放的关系。（!）基于微晶振的微力传感器的技术研究。其中包括针尖半径、固有频率、品质因数以及弹性常数的变化对测量结果的影响的研究，以及基于微晶振的针式传感器的制作技术。由于经过直流电化学腐蚀的微小针尖在粘结的过程中容易造成针尖的损坏，不易操作，因此可采用先粘结微细钨丝，然后腐蚀成微小针尖。为了制作微小针尖，需设计更加灵敏的腐针电路。采用共振法来测量粘结微小针尖的针式传感器的固有频率，以利于选择最佳的驱动频率，提高信噪比。选择弹性常数不同的钨丝针尖进行实验，定性获得弹性常数对测量结果的影响。由于针式传感器的高品质因数，极大地降低了系统的响应速度，研究锁相环（23&=A$1&4;$B）在提高系统频响中的作用。（7）精确微定位问题是纳米测量中需要解决的关键问题，极大地影响测量分辨率。目前，主要采用压电晶体作为驱动元件，可以获得很高的分辨率。但由于压电晶体滞回现象引起非线性误差造成二次定位误差；另外晶体变形程度有限，不能实现大量程扫描。因此需要引入差分传感器消除非线性误差，以及引入蠕动机构实现大量程测量。参考文献.03C5-%D，EFC323:/G，G-1C3:3-%H2&I JK I-H2=C&$A?5-$%13B31-53%1&:&3?C&:&%5 3%4 B$5&%5-$:&5CL FL M$C1&:-1C$1$BLK EBBA 2L;&55，.NOO，7*（.6）：.96K*PA?2:I，G343 E，G-&%43%H&C Q，0&L&C J J，,R1R&%-3;K SA&15C$535-1 M$C1&:-1C$1$BL$%M&CC$&A&15C-1-%-%&C5 H335:$B2&C&K 2L Q&T P77，.NNU，!K6/$:3%L J，;&%H D，G-AA-3:(，3%353，&5&A&%R/K 03BB-%H$M:F-A&123CH&$%-%?A35$C?CM31&V-52U6*电子显微学报第*9 卷!#$%&$($)#*&%#!+)#%&#&,!-.,/01 2!$，3445，65：3735-89&:;0):?，(:;A(:;G)/(%C-2&#(#0(%;!$%(,):;(:H H!$!#$)&:&*$%(,!H#0(%;!I1#(:):;#(,(#)$(:#!+)#%&#&,!):$0!)JKL)1$!+-.,/01 2!$，3444，M7：3M6N-7白春礼-扫描力显微术-北京：科学出版社，KNNN-6O!%)P Q，$!%:R，SB;(%Q，?(+):9-2&#()T!H#0(%;!*&%#)#%&#&,1-#)O!#0:&，344N，.V（3）：5M8-M(B%!:I(#0 W，O!%)P Q-X+(;):;&*!%&!#$%)#H&+():Y(I1*&%#!+)#%&#&,1-.,/01 2!$，344N，76：3MN5-V=!(Z!%?S，.I%(0(+Q(Z)H=-9);0G%!&B$)&:($&+)#*&%#!+)#%&#&,1,&$!:$)&+!$%1-#)O!#0:&，3443，P4（5）：3774-49&:;(:;G)，0)+E F-?!(B%!+!:$&*0(%H:!，B%*(#!,&$!:$)(:H#0(%;!H)$%)IB$)&:Y)$0 H1:(+)#H!#$%&$($)#*&%#!+)#%&#&,!-.,/01 2!$，3444，MN：3M57-3N=($(:(I!，9(:!，J01!O，X$&?，F&$&O-R!#$%&$($)#*&%#!+)#%&#&,!)+(;):;(:(1T!H I1 B%*(#!#0(%;!+!$0&H-#)O!#0:&，3445，P33（7）：3MM8-33白春礼，田芳-扫描力显微镜-现代科学仪器，344V，（3GK）：M4GV5-3K 9&:;，/(%C(:;G)-O(,):;+&H!($&+)#*&%#!+)#%&#&,1 B):;!#$%&$($)#*&%#!+&HB($)&:-.,/01 2!$，3446，64：KV53-35.I%!#0$O S，F%B$!%/，!$(-.,/01，3443，64：6VV-38WZ!%C):;?R-晶体振荡器设计与温度补偿-北京：人民邮电出版社，34V7-37F!%$F�，!$(-.,/01 2!$，3448，68：678-36RHY(%H 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and sensor 1997(03)17.曾灵丹 扫描近场声显微镜及其模块化研究学位论文 199918.王生.张鸿海 基于微力传感器的扫描近场声显微镜期刊论文-工具技术 2000(04)19.汪学方.张鸿海 基于针式传感器的多功能扫描探针显微镜期刊论文-华中理工大学学报(自然科学版)2000(05)20.Barrett R C.Quate C F Charge storage in a nitride-oxide-sillcon medium by scanningcapacitance microscopy 1991(05)21.Barrett R C.Quate C F 查看详情 199222.Jones J T.Bridger P M.Marsh O J.McGill T C Charge storage in CeO2/Si/CeO2/Si(111)structures by electrostatic force microscopy 199923.Schaadt D M.Yu E T.Sankar S.Berkowitz A E Charge storage in Co nanoclusters embeded inSiO2 by scanning force microscopy 1998 相似文献(7条)相似文献(7条)1.学位论文 张建利 基于微力传感的多功能、模块式、宽范围扫描探针显微镜的研究 1997 该文针对工程上对超精表面纳米级形貌的检测问题,在对国内外研究现状分析的基础上,系统地研究了原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)等检测的原理及技术,成功地研制开发了一台集AFM、EFM、MFM,引力模式扫描力显微镜(AC-SFM)于一身的宽范围扫描探针显微镜(SPM).2.学位论文 侯茂盛 基于PVDF薄膜振动梁式测头的新型轻敲式扫描探针显微系统研制 2009 扫描探针显微镜(SPM)是一系列分辨率可达原子量级的表面性质探测仪器的总称，这类仪器在计量学、微机电学、化学和生物医学等领域具有广泛应用前景。文中在研究扫描力显微镜(SFM)工作原理的基础上，开发出一种新型的由聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜振动梁式测头构成的轻敲扫描探针显微系统。文中完成的研制工作主要为以下几部分：微针尖制备部分中，介绍和比较了多种电化学研磨的原理和优缺点并做出针对性改进，提出了改进的直流电化学研磨法，并运用该方法制备了一系列微针尖并分析了影响探针成型质量的各因素。在扫描力测头方面，阐述了所研制的新型轻敲扫描测头的构成及工作原理。通过系列实验，分析并优化了影响测头性能的各项参数。最后测定出轻敲扫描测头的共振频率、电信号振幅、机械弹性常数和品质因数等核心性能。微小形变的检测和处理部分中，根据系统中信号的特点，制作并调试了电荷型前置放大、电压放大、真有效值转换和滤波等检测、处理电路。在反馈控制方面，搭接系统各部分使之形成电压振幅反馈型控制回路，并为适合这一反馈特征改进了已有控制程序。在整系统的性能测试中，确定了扫描试样时所需设置的电压比较值、比例和积分常数、扫描速度等参数。然后进行了多组实际试样的扫描并做出三维形貌图像，再根据实测效果改善了试样扫描时的各参数设置；最后对文中所设计系统所能达到的性能指标做出分析和评定。文中叙述的各研究结果表明，所研制的新型扫描探针显微系统可以实现高空间分辨率、低测量力、适合各种材料、满足亚毫米微观高度差的表面形貌的测量，而这也符合了研制该仪器的初衷。3.期刊论文 张波.怡兰.程茜.陈瑶.陈明.ZHANG Bo.YI Lan.CHENG Qian.CHEN Yao.CHEN Ming 原子力显微镜在细胞生物学的应用进展-上海医学影像2010,19(1)原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM),又称扫描力显微镜(Scanning Force Microscopy,SFM),是扫描探针显微镜(Scanningprobe microscopy,SPM)的一种.原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德宾宁与斯坦福大学的Calvin Quate于一九八五年所发明.它与传统的光学显微镜不同,AFM是利用尖锐的带有传感器的扫描探针通过检测与样品原子之间的接触,原子键合,范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性.由于探针的针尖尺寸只有原子大小,因而其分辨率可以达到纳米级,能对从原子到分子尺寸的结构进行三维成像和测量,分辨率极高.4.期刊论文 陈晓梅.马晓苏.朱振宇.杨德良.Chen Xiaomei.Ma Xiaosu.Zhu Zhenyu.Yang Deliang 一种探测传感器式的扫描力显微镜的研制-电子测量与仪器学报2008,22(z2)本文主要介绍了用于扫描力显微镜并带动探针运动的扫描器的研制.利用该扫描器,研制了能安装在纳米测量机上作为探测传感器的上扫描力显微镜.扫描力显微镜与中科院化学所本原纳米仪器公司的扫描探针显微镜控制器联接进行实验测试,在23m23m5m的扫描范围对样品进行了扫描成像.经测试、分析和计算,在全量程扫描范围内横向和纵向分辨力分别为O.35nm和0.1m、在未有任何软件和硬件补偿的情况下横向满量程扫描范围内精度为5%.5.学位论文 李磊 基于压电悬臂梁的SFM反馈控制与信号检测系统研制 2004 扫描力显微镜(SFM)是扫描探针显微镜(SPM)家族中一组重要的成员,是测试物质表面形貌和特性的重要工具.传统的利用光学偏转法对悬臂梁的变形进行检测的SFM仪器由于需要精确的光学对准机构从而使仪器结构复杂、体积较大、操作过程繁琐;另外由于悬臂梁不能进行自激励和自调整,因而无法在一些场合下应用.基于压电悬臂梁的SFM能够弥补传统光学方法检测的SFM的上述不足,在微观形貌检测尤其是并行加工和信息存储方面有着广阔的应用前景.该文针对基于压电悬臂梁的SFM反馈控制和信号检测系统进行了设计、仿真和试验.基于压电薄膜的压电效应和逆压电效应原理提出了压电悬臂梁的在外激励条件下的等效电路,并设计了差动电荷和差动电流放大电路,对设计进行了模拟.针对待测信号,设计了带通滤波电路,用以虑除信号中的干扰噪声,提高信噪比.对基于压电悬臂梁的SFM反馈控制系统性能提出了要求,根据性能要求设计了反馈控制系统的整体结构和基于DSP的实现方案.DSP板卡作为硬件控制和计算单元,基于DSP卡构造多级子卡结构,包括ADC通道子卡、DAC与通信子卡.完成了多级子卡以及其他硬件部分的设计和仿真和测试.根据系统性能要求和所设计的硬件结构,设计了反馈控制系统的软件结构.完成了反馈控制系统软件部分中的各层程序的算法设计和代码设计.针对所要测量的压电悬臂梁的压电信号中存在大量干扰噪声的情况,采用数字锁相计算的方法对所采集的信号进行计算和信息提取.针对压电陶瓷薄膜介电性能检测中的问题,设计了基于数字锁相计算的介电性能测试方法.对该方法的原理和精度进行了分析.根据所提出的测试算法,采用SFM反馈控制系统同时作为压电陶瓷薄膜的介电性能测试系统.对所完成的反馈控制系统的软硬件进行了模拟和试验.对前置放大电路的试验表明所设计的电路满足设计功能,信号检测系统能检测出压电悬臂梁的压电振动信号.对SFM反馈控制系统硬件和软件部分的模拟和测试表明系统的功能和性能满足设计要求.6.期刊论文 丁雷.徐平.蔡微.钱建强.DING Lei.XU Ping.CAI Wei.QIAN Jian-qiang 迈克耳孙干涉仪用于SFM/SNOM实验-物理实验2006,26(11)以迈克耳孙干涉仪作为基本操作平台建立了扫描力显微镜/扫描近场光学显微镜(SFM/SNOM)实验系统.该系统可以用于扫描力显微镜和近场光学显微镜的原理性实验,有助于学生深入了解扫描探针显微镜的基本结构和工作原理.7.学位论文 刘金 使用微石英晶振的磁力显微镜的研究 2002 磁力显微镜(MFM)是扫描力显微镜(SFM)的一个分支,它适用于各种磁性材料磁结构的测量和研究.该文对基于微石英晶振的磁力显微镜的工作机理、磁探针的制备原理、技术和影响因素等进行了深入的研究.文中首先介绍了磁力显微镜的发展历程、工作过程、主要应用和存在的问题,并对基于晶振的微力传感器的起源、发展和国内外的研究情况做了详细的说明.详细描述了晶振作为扫描探针显微镜(SPM)的传感器的物理和电气特性,探讨了其与样品表面相逼近时相互作用的原理,建立了物理模型来对其动力学特性进行解释.并对影响晶振振动的关键因素进行了分析.介绍了磁力显微镜的工作原理,详细分析了磁针在与磁性样品表面之间的相互作用机理、磁力测量技术和图像模拟,并对影响图像分辨率的因素进行了分析.说明了磁针尖的制备原理和技术,详细讨论了影响其质量的几个关键因素,改进了其控制电路,进行了相应的实验验证,并对其结果给予了理论上的解释,分析了针尖形状对图像分辨率的影响.全面、系统地介绍了我们实验室开发的多功能、模块化的SPM系统.引证文献(2条)引证文献(2条)1.吴世春 扫描隧道显微镜隧道谱的测量和分析软件研制学位论文硕士 20052.王志勇.鲍剑斌.张鸿海.郭文明 基于微石英晶振的动态非接触静电力显微测量(EFM)技术期刊论文-电子显微学报 2001(5)本文链接：http:/