摘要：研制了一种大扫描范围原子力显微镜(AFM)。设计了新的扫描驱动电路，使单幅图像的扫描范围大幅度提高;用步进电机和扫描器配合扫描，得到序列图像，序列图像拼接后获得大范围样品图像。实验结果表明，采用这一方法，在±150V 的电压驱动下，AFM 的扫描范围可增大到10 ìm 1 mm 的量级，同时保持 1 nm 量级的测试分辨力。
引 言
纳米技术是二十世纪九十年代出现的一门新兴技术。它在 0.1 至 100 纳米的尺度研究利用原子和分子现象及其结构信息，由此推动科技的发展和社会的进步。扫描探针显微镜(STM)，包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等，是纳米技术领域的重要研究工具。它们可以在真空、大气和液体环境下工作，在纳米量级对各种材料或样品的结构信息和物理性质进行检测，也可用于原子操纵和纳米加工，因而在物理学，化学，生物学，医学，微电子学，微机械等领域得到了广泛应用。AFM 的主要性能指标包括其最大扫描范围和测试分辨力等。扫描范围一般在几微米至几十微米量级，有时无法满足某些特定场合(如工业上)的需求。要增大扫描范围，可采用加大压电陶瓷的长度，提高压电陶瓷的电压等方法，但都存在一定的局限性。如要加大压电陶瓷的长度，一方面其制作比较困难，很难做到质地均匀，另一方面也不利于扫描器的小型化。而增大扫描电压，压电陶瓷的非线性效应将十分明显，严重影响图像质量和扫描精度;另外，电压太大时有可能导致压电陶瓷的击穿。为解决上述问题，我们研制了一种新型的大扫描范围 AFM。本文介绍了该 AFM 的原理、方法及其控制系统，进行了保持纳米级分辨力的大范围扫描实验，得到理想的结果。
1 原理与系统
AFM 是通过探测原子间的相互作用力大小来探测物体的表面形貌的。在 AFM 中，当对力敏感的微悬臂上的探针充分逼近物体时，探针针尖的原子与物体表面原子间就会产生原子间的作用力，原子力的大小与针尖到物体表面的距离存在一定的关系，通过探测微悬臂的偏转程度，即原子力的大小，即可得到物体表面的形貌图。
AFM 采用压电陶瓷构成的扫描器对样品进行扫描。根据压电陶瓷的逆压电效应，在一定的电场 E 的作用下，压电陶瓷会产生一定的形变，形变的大小和方向与所加电场 E 有关。由于许多驱动控制电路都只提供一路单极性电压信号，这样压电陶瓷就只能伸长(或缩短)。 而压电陶瓷所承受的电压不宜过大，所以用这种方式驱动，扫描范围一般较小。我们设计了一种可提供正负变化的扫描电压的控制电路，将电压分别施加在压电陶瓷管的外壁电极和内壁电极上，如图1 所示。当外壁加负电压-U、内壁加正电压+U 时，压电陶瓷管缩短;反之，当外壁加正电压+U、内壁加负电压-U 时，压电陶瓷伸长。伸长量和缩短量之差，即为压电陶瓷的扫描范围。显然，此时的扫描范围是内壁加 0V 电压、外壁加+U 电压时伸长量的 4倍，即扫描范围提高到了原来的4 倍。为进一步扩大 AFM 的扫描范围，我们使用了图像拼接的方法，其扫描原理如图 2 所示：将样品置于步进电机驱动的 XY 移动台上，如图2(a)所示。移动台和样品，在 X 方向每移动一定距离，就由扫描器扫描获得一幅样品图像，由此获得一系列连续的序列图像如图 2(b)所示。图像序列中后一幅图像的左端和前一幅图像的右端相同。根据相邻图像象素点之间的对应关系，可拼接得到一幅大范围的样品图像，如图2(c)所示。如此，可按需求大幅度地扩大扫描范围。
本文采用的探测原子力的方法是光束偏转法，如图2(a)中所示。扫描过程中，由于样品表面的微小起伏，探针将会随之推动微悬臂产生形变。激光器所发出的激光经微悬臂反射后，打在位置敏感元件(PSD)上。由于微悬臂的形变，PSD 接收到的光斑位置将发生改变。设探针起伏的高度为 a，微悬臂的长度为 l，探针到 PSD 的光程为L，光斑在 PSD 上的位移为 A，则 A=(2L/l)a，即把探针的起伏高度放大了 2L/l 倍。
我们设计的大扫描范围 AFM 的系统框图如图3 所示。由电脑输出 XY 方向的扫描信号，经放大电路放大后，驱动扫描器进行扫描。扫描过程中 PSD 接收到的光斑位置将产生，PSD将获得的光斑位置信号转化为电信号输出，一路由电脑通过A/D 卡接收，绘出图像，另一路通过比例积分微分(PID)反馈电路、高压放大电路后驱动 Z 向压电陶瓷做反馈补偿。当扫描器扫描完一幅图像后，由电脑控制步进电机推动样品台移动一段距离，再扫描下一幅图像，从而得到一系列样品图像。
2 实验结果
我们进行了大范围扫描的可行性实验，采用的 Z 向压电陶瓷管长度 15mm，内径和外径分别为 4.5mm和 5.0mm，X 向和 Y 向压电陶瓷管长度均为 25mm，内径和外径分别为 5.5mm 和 6.0mm;采用 DigitalInstruments 公司生产的 NP-S 型氮化硅微探针，其微悬臂有效长度为 200μm，弹性系数为 0.12N/m;选用输出功率为 10 mW，波长为 650nm 的半导体激光器作为光源;扫描驱动电路的电源为±150V 的高压稳压电源;以 2000 线/mm 的光栅(即光栅周期为 500nm)为测试样品。实验在室温，大气开放的环境下进行。扫描过程中，我们可以通过软件人为地根据需要控制扫描范围。我们先设定扫描器在X 方向为满量程工作，Y 方向为半量程工作，进行扫描实验，得到了一系列样品图像，图4 是其中相邻的两幅。先由扫描器扫描得到图4(a)，而后由步进电机驱动样品台在X 方向上移动 8μm，扫描器再扫描得到图 4(b)。通过计算图中的光栅周期数，我们可知其扫描范围是9.5μm×5μm。可见扫描器单独工作时量程最大可达9.5μm×9.5μm。对比这两幅图像，我们可以看出图 4(b)中的 B′点与图4(a)中的 B 点所示的是同一位置;图4(b)比图 4(a)左移了大约 7.7μm(约 15 个光栅周期)，与样品台的预期进给量8μm 略有差别，这个误差可能是由于步进电机的步进精度不足导致的，但由于步进电机移动时并不获取图像，所以这个误差对整体扫描分辨力并没有影响。根据两幅图像中相对应的象素点(如 B 和 B′)，将两幅图像拼接成如图5 所示，可以看出两幅图像衔接很好(由于篇幅原因，图像被等比例缩小)。用此图像拼接的方法，可以把 X 方向的扫描范围扩大到 10μm-1mm 的量级;Y 方向用此方法亦可达到相同的扫描范围，从而使得扫描范围在整个平面内得到大幅度的提高。图像序列中的每一幅图像都由扫描器单独扫描完成，所以分辨力仍然很高，横向可达 1nm，纵向可达 0.1nm。在图5 中，除了规则的光栅图像外，我们还可以看见一些略微模糊的块状图像。这并不是由于AFM的测量精度不够造成的，而是因为用来扫描的光栅样品的形貌就是如此。实验中用的光栅由于使用时间比较长，光栅表面上沉积了一些尘埃之类的杂质，使得光栅表面的形貌被破坏，产生了一些块状的突起。扫描完美的光栅得到的图像周期性太强，即使在不同位置扫描得到的图像差别也很小，很难说明相邻两幅图像可拼接在一起。所以实验中，为了有效说明本文所阐述的方法是可行的，我们特意找到一些有明显块状杂质的地方进行扫描，这样得到的样品图像上就有了除光栅外的其他明显形貌特征(如图4 中的 B 和 B′点)。
3 结 论
以上实验结果表明，用图像拼接的方法是可行的，扫描范围得到了大幅度的提高，可增大到10ìm-1mm。整个扫描过程中，压电陶瓷承受的电压最大为±150V，所以单幅图像的非线性扭曲小，校正容易，单幅图像的分辨力很高。而移动台移动时并不获取图像，所以拼接后的大范围样品图像与单幅图像具有相同的高分辨力，其分辨力可达横向 1nm，纵向 0.1nm。这将使得 AFM 同时具有大扫描范围和高分辨力，其应用将更加广泛。
这种扫描方法也存在着一些问题：由于移动台的 X(Y)方向与扫描器的 X(Y)方向没有完全重合，存在一定的偏角，所以移动台在 X(Y)方向移动的同时，样品相对于扫描器会在 Y(X)方向上做一段微小的位移，从而使得前后扫描得到的图像有位置上的偏差。但是运用比较高精度的定位方法，可以把这个偏角控制到很小，所以由于这个偏角产生的误差对图像质量影响很小。
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基金项目：国家教育部博士点基金资助项目(2000033516)
作者简介：施洋(1983-)，男(汉族)，江苏吴江人，硕士生，主要从事纳米测量及检测技术的研究。E-mall:oldsheep007@tom.com。
