原子力显微镜的主要构件和性能

2016-04-18技术资料

AFM主要由为反馈光路提供光源的激光系统(Laser)、进行力-距离反馈的微悬臂系统(Cantilever)、执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描器(x,y,zPiezo-scanner)、接收光反馈信号的光电探测器(Detector)、反馈电子线路(CurrentCircle)、粗略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统数据处理软件、样品探测环境控制系统(湿控、控、气环境控制等)、监控激光-悬臂-样品相对置的显微及CCD摄像系统等构成(见图1)。其中,四大系统是该仪器的核心部件。


2.1激光器单元
激光器是光反馈通路的信号源。由于悬臂尖端的空间有限性,就对照射器上的光束宽度提出了一定要求:足够细、单色性好、发散程度弱;同时也要求光源的稳定性高,可持续运行时间久,工作寿命长。而激光正是能够很好地满足上述条件的光源。
2.2微悬臂单元
微悬臂是探测样品的直接工具,它的属性直接关系到仪器的精度和使用范围。微悬臂必须有足够高的力反应能力,这就要求悬臂必须容易弯曲,也易于复位,具有合适的弹性系数,使得零点几个纳牛(nN)甚至更小的力的变化都可以被探测到;同时也要求悬臂有足够高的时间分辨能力,因而要求悬臂的共振频率应该足够高,可以追随表面高低起伏的变化。根据上述两个要求,微悬臂的尺寸必须在微米的范围,而位于微悬臂末端的探针则在10nm左右[4],而其上针尖的曲率半径约为30nm,悬臂的固有频率则必须高于10kHz。通常使用的微悬臂材料是Si3N4。其弹性系数k=3EI/L3=9.57mf2,其中E,I分别为杨氏模量、转动惯量,L,m,f分别是微悬臂的长度、质量和共振频率。微悬臂的劲度常数一般为4×10-3-2.0N/m。
2.3压电扫描单元
要探测样品表面的精细结构,除了高性能的微悬臂以外,压电扫描器(压电换能器)的精确扫描和灵敏反应也是同样重要的。压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使样品在XY扫描平面内精确地移动,也能灵敏地感受样品与探针间的作用,同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位移,进而灵敏地控制样品和探针间的距离(力),并记录因扫描位置的改变而引起的Z向伸缩量Δh(x,y)。这样,压电扫描器就对样品实现了表面扫描[1,3]。常见扫描器的最小分辨率为0.1nm×0.1nm×0.01nm。
2.4光电检测与反馈单元
目前AFM探测悬臂微形变的主要方法是光束偏转法:用一束激光照在微悬臂的尖端,而用位置灵敏光检测器(PSPD)来接收悬臂尖端的反射激光束,并输出反映反射光位置的信号[3]。由于悬臂的形变会引起反射光束的偏移,导致反射光在PSPD上位置的变化,进而产生反应悬臂的形变的电讯号,以供调节压电扫描器的伸缩控制。作为AFM的核心部件,它们是不可或缺的,要得到满意的试验图像,总是要求各个部件的工作状态都达到最佳。因此,AFM中最关键的技术就是高性能激光器的设计、对微弱力作用极其敏感的微悬臂的设计、为获得高分辨率的非常尖细针尖的制备、精确扫描定位的压电换能器和光电检测技术的研究。