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    扫描探针显微镜的关键技术

    来宝网2007年4月28日 17:01 点击:1874

    扫描探针显微镜的关键技术


      先进的扫描探针显微镜(SPM)是集精密光学技术、精密机械、电子技术、信号处理技术、图像处理技术、自动控制技术?#22270;?#31639;机技术于一身的系统,无论国内国外的SPM都是由微弱信号检测系统,扫描系统,控制系统组成。这些系统的功能和性能决定了一台商用SPM的性能。

    1. 微弱信号检测系统

    1.1 扫描隧道显微镜(STM)

      当一根极细的金属针尖和导电样品间距离在纳?#20934;?#26102;,在针尖和样品间施加一定的电压,由于隧道效应产生隧道电流,隧道电流与针尖样品间距呈负指数关系。隧道电流一般在纳安和亚纳?#24067;叮?#24494;小电流的检测技术?#32479;?#20026;STM的关键技术之一。

    1.2原子力显微镜(AFM)

      AFM是通过探测极细针尖和样品之间的作用力来检测针尖样品之间的距离。AFM的发展首先得益于能够探测微小力的微悬臂探针的发明,它是一端固定的悬臂梁,在它的自由端有一根极细的针尖,悬臂梁的弹性系数一般为0.03N/m~48N/m,针尖的曲率半径为几个纳米。

      光杠杆技术:光杠杆技术将微悬臂受到原子间作用力而产生的埃级的形变放大几百至一千倍到光电探测器上,放大倍数由杠杆的长度决定。激光光斑在光电探测器上的移动转换成可测量的电信号,从而最终测量针尖样品间的皮牛级的作用力。

    2. 压电扫描器及非线性校正及标定技术

      要实现SPM的XYZ空间的亚纳?#20934;?#30340;分辨,不仅有微悬臂,还要有将针尖和样品精确的定位和移动在亚纳?#20934;?#30340;器件。一般采用四分电极的压电陶瓷管来实现样品和针尖的XYZ三个方向的相对移动。

      但是由于压电材料固有的磁滞性、蠕变性等特性,导致压电扫描器的非线性特性,即扫描器的位移与所加的驱动电压不成线性关系,同时压电材料受温度、湿度等环境因素的影响也会造成系统的漂移。基于上述两点,?#35789;?#36873;用国外进口的高档压电陶瓷管,也要进行筛选测试,和一系列处理才能达到要求。我公司采用独特的工艺技术,制造的高品质的扫描器处于国内领先地位。

      同时,爱建纳米采用先进的非线性校正及标定技术,系统解决了扫描器的非线性蠕变性等问题,使扫描器的全量程范围和?#25105;?#25195;描角度下?#34892;?#28040;除非线性导致的图像扭曲和失真,并且实现高精度的标定,国内领先接近国?#39318;?#39640;水平。

    3. 全数字化电子学控制系统

      在扫描器的XY方向施加特定的电压,使探针在表面作光栅式扫描。同时反馈控制系统控制上下移动样品或针尖,保持检测信号(如:隧道电流、悬臂偏折)在某一特定值(设置点)。针尖样品在X、Y、Z三个方向的空间位置被记录下来,成为样品表面的三维形貌。

      爱建纳米SPM系列产品采用全数字化控制,全数字化技术体现了爱建纳米?#30475;?#30340;SPM研发实力,更重要的是作为SPM的关键技术——数字化控制技术,使SPM控制更加精确和方便。为了实现全数字化,新型电子学控制箱采用了先进的数字处理芯片(DSP),可高达5M采样频率的ADC芯片,同时新增加DSP数?#33268;?#27874;技术,数字化锁相放大技术,改进型数字PID反馈算法。数字化技术使新型控制箱的性能大大提升,功能更加?#30475;螅?#31995;统噪音更低,升级和维护更容易。

    3.1 数字化改进PID反馈技术

      反馈控制系统采用改进的数字PID反馈算法,可以通过软件控?#21697;?#39304;参数,控制更精确,调节更方便,使样品图像更清晰。

    3.2 数字锁相放大技术:

      采用锁相放大技术,精确测量悬臂振动的振幅和相位等其它参数,提供您关于样品表面的粘滞力、硬度、组成等多种信息。锁相放大技术能对设定频率下的信号进行放大处理,具有极强的抗干扰能力,而且中心频率始终跟随检测信号的频率,通过反馈还可以锁定相位,所以具有?#30475;?#30340;能力从噪声中检测出被掩埋的信号。

      相比于模拟实现方法,数字化使相位测量全程(0-360度)线性,而模拟方法的线性区间是±30度。数字化系统还避免了模拟乘法器的谐波失真和热漂移,同时数字化系统还可以实时调节滤波器的参数,以适应不同频率的信号,从而达到更佳的效果。

    3.3 直接数?#21046;?#29575;合成(DDS)技术

      采用DDS技术,能产生频率、幅度可调的?#25105;?#27874;形,范围为0.02HZ~10MHZ(可更高),精度可达0.02HZ,输出振幅为0~10V,50MHz的频率更新速率。而且系统还预留一个DDS,实现多种SPM所需的调制功能,?#37096;?#20379;用户使用。

    4. 精密制造技术

      SPM是精密的大型科研仪器,每一个零部件都可能影响系统最终的性能,因此质量可靠、性能优异的SPM还需要有严格科学的生产制造工艺作保证。爱建纳米公司花巨资购进了大量SPM零部件和元器件测试筛选设备,严格按工艺流程组织批量生产,整个生产过程都有严格的质量保证体系,凡出厂的产品都经过严格的内部测试和72小时不间断老化试验,这是家庭作坊式公司和小公司无法也没?#24515;?#21147;做到的。

      由于我们的高水平制造技术和良好的服务,应客户之邀,修复多家国?#25163;?#21517;SPM厂商的头部、扫描器和控制箱等重要部件。

    5. SPM认识误区

    5.1 原子分辨率的误区

      STM空前的原子分辨能力使世界为之震惊,发明者也很快获得了诺贝尔物理学奖。理论上来说,AFM也具有在任何表面获得原子分辨图像的可能。?#27426;?#20107;实上,AFM并不能分辨单个原子,也就是说AFM不具有STM那样真正的原子分辨的能力。相反,AFM一般得到的原子图像是原子的周期结构,并不能观察到表面的原子缺陷。AFM的最终空间的实际分辨能力和所谓原子分辨并不是一回事。实际上AFM的实空间的分辨能力是由针尖的尖锐程度决定的,当所探测的样品空间特征小于针尖的曲率半径时,就会出现针尖造成的假象。受针尖的曲率半径的影响, AFM的所达到的空间分辨率为1nm左右,这一点是国际公认的。

    5.2 DSP的误区

      DSP的水平能否决定仪器的性能?很显然,DSP芯片并不能代表仪器水平的高低,因为它只是实现SPM功能的一种方法。认为选用DSP好,速度快就表示仪器性能优异显然是对SPM认识的又一误区。其实早期的STM、AFM根本就没有使用DSP芯片,随着电子技术的发展,人们?#27426;?#30340;将新的技术应用于SPM产品中,DSP只是其中之一。

      爱建纳米公?#38236;腟PM控制箱选用1.35G/s运算速度的DSP芯片主要是为了实现全数字控制系统、数字化锁相技术,而这些都是SPM的关键技术,所以DSP技术应该为SPM服务的,千万不能本末倒置,一味的追求DSP芯片,却忽视了SPM所需要的关键技术。

    5.3 ADC、DAC的误区

      与DSP芯片一样,ADC、DAC的选用完全也是看SPM系统的需求,主要是考虑信号带宽和采样精度,对于大多数SPM信号,16位的ADC芯片已经足够满足需要。ADC,DAC的技术是电子学中非常成熟的技术,一般用户并不需要考虑这些,SPM厂商也没有必要把这些技术称为自己的技术,这并不能体现SPM仪器本身的制造水平。

      爱建纳米采用主采样通道采用高达5M采样频率的ADC芯片,其它通道为18位ADC,都是当前主流的ADC芯片,4通道24位DAC芯片提供扫描器电压的精确控制。高速ADC和DAC大大增加了仪器的带宽。

    5.4 仪器接口的误区

      仪器的接口是指PC机和电子学控制箱的数据接口,一般包括并口、串口、ISA接口、USB接口等。它的主要作用是将高度、侧向力、相位、振幅等数据传输至PC机,并把PC机发送的命令传给下位机。仪器接口只要满足SPM数据传输和控制的需要,原则上都可以采用,并不能简单的说这样的接口就差,那样的接口就好。事实上,各大仪器制造商的接口也是五花八门,这并不能作为评判仪器的标准。

      爱建纳米选用的USB2.0接口,它的优点在于高速方便、即插即用。

    5.5 仪器性能评判的误区

      各种技术和工具的采用都要归结于仪器的性能,而评判仪器性能不应该根据DSP芯片,ADC、DAC的性能,因为客户购买的并不是里面的DSP、ADC或DAC,而是SPM整机,所以SPM的性能如分辨率、稳定性、功能等才是用户真正关心的。

      各种方法和工具的采用都要为仪器的性能服务。SPM是非常复杂的光机电一体化设备,以偏概全的强调某一部分,尤其是并不是关键技术的部分,会造成大家在SPM领域里的误区。仪器最终是一个整体,评判仪器的优劣也应该从仪器本身的关键技术的解决程度、稳定性、分辨率、功能、最终成像质量等来判断。

    (来源: 来宝网 )


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