扫描探针显微镜(SPM)是当代纳米测量和纳米操纵加工的有效工具,推动着纳米行业的快速发展。其中扫描器是SPM的关键部件,可带动样品实现纳米级扫描成像,分为压电陶瓷管式扫描器和高精度定位平台式扫描器。管式扫描器因其价格低廉、制作简单受到许多厂家的使用,但是其移动范围受压电陶瓷管伸长的限制只能达到微米级,若要测量其他不在此范围内的目标,就需要用CCD摄像头在微米量级的视场内搜索并用高精度样品移动平台把被测区域移动、定位到针尖下方,以便于探针扫描、操纵。
1 基于管式扫描器的样品移动平台种类及缺陷
当前基于压电陶瓷管式扫描器的样品移动平台主要包括以下两种:一是手动样品移动平台,其通过手动旋转精密螺杆来移动样品,精度可达到2μm,但若要达到0.1μm精度,则必须使用价格昂贵的差动螺纹丝杆,且若需移动1mm,必须转动旋钮80多圈,操纵繁琐。二是高精度电控样品移动平台,借助计算机自动控制,配合光学显微系统进行样品移动、定位,定位精度可达纳米级,但设计较复杂,且增加了仪器的成本。
2 样品移动平台装置与样品定位原理
基于对以上两种平台的思考,设计了基于压电陶瓷管扫描器的样品移动平台来实现样品在X-Y二维大范围纳米级移动、定位,装置设计简单,并基于扫描探针显微镜控制箱中现有的DSP控制器和高精度D/A转换器来控制,可通过上位机软件操作实现。
2.1 样品移动平台装置
利用压电陶瓷的逆压电特性,对其施加电压,会使其产生形变。样品移动平台装置如图1(a),压电陶瓷扫描器A中的压电陶瓷管外壁沿轴线方向被均分为四部分,分别对对称的一组加正负电压,通过改变所加电压大小,可以得到扫描器带动样品在X-Y平面不同方向的位移,这样就形成了扫描管的X-Y二维运动。样品板C和底座板D均由铁质材料制成,样品B通过胶固定在C上,其中C和D的接触面均为精加工的光滑面,以减小相对摩擦力,D的另一面为粗造面,在柱状磁粒E的磁吸引力作用下固定在A的顶端。
2.2 样品在X-Y二维大范围纳米级移动、定位原理
由于压电陶瓷管伸长范围的限制, SPM的扫描范围一般可以达到微米级。对于样品B,在某一时刻探针所能扫描的范围为图1(c)中的F区,若要观察G区中的图像,就需要在X方向移动样品使G区移到F区,即使探针进入G区,因SPM一般是探针固定,通过扫描管带动样品移动来成像的。
根据压电陶瓷冲击驱动结构的原理可知,样品板C在摩擦力和惯性作用下可以获得一定的位移,如图1(b)压电陶瓷管扫描器带动样品在X方向移动示意图。现以图2(a)所示的电压波形作为压电陶瓷扫描器X方向的驱动电压来分析其工作原理,其他方向工作原理类似。首先给扫描器控制X方向运动的一对电极加上一缓慢上升电压,利用底座板D和样品板C间的静摩擦力带动C和B向探针方向移动,直到驱动电压达到最大值;然后令驱动电压迅速下降,由于惯性,C和B不会立即跟随D做反方向运动,而是在一段时间内会保持原来的运动方向,因此样品板C与底座板D就产生了一定的相对位移。如此反复执行便可使B从G区移动到F区位置,即到达探针的扫描区域,实现探针-样品间的定位。
根据惯性原理,当电压下降,即扫描器A的顶端带动D向X负方向移动时,C和B在X正方向作减速运动,直至v1= 0m/s再向X负方向移动;假设C和B的速度从v1减至零的过程所需要的时间是(t1-τ),而扫描器A恢复为原态所需要的时间是(t2-τ),倘若t2≤t1,则C和B一直向X正方向运动。因此,应使t1尽可能大,尽量接近t2。要使t1尽可能大,一是要使v1尽可能大,即所加驱动电压最大值尽可能大;二是要使摩擦系数μ尽可能小即C和D间接触面尽可能光滑,以减小C做减速运动时的摩擦阻力。
考虑到压电陶瓷的非线性、蠕变和滞后等特性,在实验的过程中对波形进行不断改进,最后纠正得到驱动扫描器的电压波形如图2(b)所示。图中曲线的效果是通过控制箱中的DSP控制器控制高精度D/A转换器输出点的延迟时间长短来实现的。
样品的移动、定位过程描述如下:首先,给扫描器施加一个加速度不断增加的加速上升电压,这里的加速度由小到大不断增加是为了保证扫描器能有效地带动B、C和D随之运动,而加速上升是为了驱动电压增加到最大时,扫描器A的顶端和D运动速度尽可能大,此过程中B和C会随D向X正方向移动一定步长;接着驱动电压迅速降低,使(t2-τ)的时间尽可能短,扫描器A快速恢复原态,而B和C由于惯性继续向X正方向移动;最后考虑到压电陶瓷的蠕变和滞后等特性,在驱动电压快降到零值时,电压波形变得很缓慢,以使扫描器有足够的时间来处理由压电陶瓷蠕变和滞后所带来的问题,并在一定程度上可稳定B和C的运动状态,减少对下一个运动周期的影响。此装置设计简单,软件操纵、控制方便,步长可达到纳米级,样品板C和底座板D的相对位移理论上不受限制。由上述分析可知,该基于压电陶瓷管扫描器的X-Y二维大范围纳米级定位系统可应用到扫描隧道显微镜(STM)及原子力显微镜(AFM)等精密仪器中作为样品移动、定位平台。
3 实验
3.1 新型样品移动、定位系统在AFM中的应用
将设计的新型样品移动、定位系统安置在上海海兹思光电科技有限公司研制的Nanofirst-3100型AFM上做实验。扫描器A内部的压电陶瓷管长50mm、外径7.2mm,磁粒E为直径2mm、高3mm的圆柱体,样品为硅片,样品板C和底座板D均为直径15mm、厚度0.62mm的圆形;陶瓷管的外壁沿轴向方向分为对称的两组电极,分别控制X和Y方向。在实验中,可以通过改变驱动电压的幅度和周期数来选择符合实验要求的移动步长。由移动步长=位移/移动次数,可求得样品平台的移动步长。样品移动软件操作界面如图3,下部的“样品移动”框中包含8个方向的单步和多步执行按键,单步执行表示施加一个电压周期,“步距”是通过调节电压幅值(50V~200V)获得不同步距。此实验选择X正方向移动操作,其他方向操作类似。
首先扫描一幅样品的图像,如图4扫描范围为20μm,然后在图像中寻找一特征标记,此处选择以黑色折线上的拐点为特征点;接着启动样品平台移动、定位软件,设置不同电压幅度及执行次数进行操作,并再次扫描成像,通过对比移动前后两幅图像,利用AFM上位机操作软件自带的标尺测量出特征点移动的位移,并将操作参数及测试结果纪录在表1中。
3.2 数据分析
在实验中选择驱动电压幅度为50V,观察样品移动平台运动,当连续执行3次单步操作时,其移动步长为816.17nm,与执行1次单步移动步长785.15nm相差31.02nm。当选择驱动电压幅度为200V时,连续执行3次单步操作,其移动步长为1394.20nm,与执行1次单步移动步长1335.00nm相差59.20nm。说明样品在X-Y二维平面内可以达到纳米级移动、定位,且执行多次操作的移动步长与单次的移动步长差别不大,如需要大范围移动、定位样品,只需增加样品移动的执行次数并选择合适的驱动电压即可。实验说明此定位系统比较稳定可靠,实验操作过程方便、简单。
4 结论
通过对所设计的基于压电陶瓷管扫描器的X-Y二维大范围纳米定位系统在AFM实验中的性能测试,证明其是一种结构简单、操作方便、步长可调,可在大范围内对样品进行移动来实现探针-样品间定位。特别适用于STM和AFM等精密仪器中对探针-样品间距作微/纳米级的定位控制。改变驱动电压的幅度和周期数,可实现所需要的不同步长的微位移。实验表明,利用该系统,可有效地实现AFM中探针-样品间的精确定位,简化了AFM系统装置,方便了实验的操作。
参考文献:
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基金项目:上海科委资助项目(0852nm06800)
作者简介:孙鑫(1973—),女,副教授,博士,研究方向为纳米技术、智能控制、过程控制等。
(收稿日期:2008-10)
