纳米计量的新方法研究及双成像单元原子力显微镜系统的研制

纳米科技是二十世纪90年代发展起来的一门新兴学科。扫描探针显微镜(SPM),特别是原子力显微镜(AFM),是纳米科技研究的重要工具。利用AFM既可直接观察物质表面的纳米级形貌,也能进行一定程度的纳米加工。随着纳米技术的发展,对AFM等也提出了更新更高的要求,传统的观察型或检测型AFM向计量型AFM发展将成为必然趋势。本文提出双成像单元原子力显微镜(DIU—AFM)的新思想,对其原理和方法进行系统的理论研究,在国内外率先研制DIU—AFM系统,发展了纳米计量的新方法,拓展和提升了AFM的性能和应用范畴,不仅具有重要的理论意义和科学价值,而且在纳米技术的诸多领域具有广阔的实际应用前景。 本文阐述了SPM及几种计量化技术的国内外研究发展现状,介绍了SPM特别是AFM的工作原理及其在纳米计量方面的局限性。以AFM为例,常规的AFM系统虽然都事先进行过必要的校正,但是从计量的角度而言,采用不同方法设计和生产出来的AFM系统,再用不同的方法进行校正后,它们的性能和精度仍然是不同的。即使是同一台经过校正的AFM,随着环境条件的变化和时间的推移,其性能和测量精度也仍会发生变化。因此,普通AFM系统的测量结果缺乏计量意义。为此迫切需要发展新的计量型AFM系统,以实现真正意义上的纳米计量 本文首次提出和发展了基于DIU-AFM系统的纳米计量新思想和新方法。这一方法的核心是用两个并行设置而又互相独立的AFM成像单元,对放置于同一个XY扫描器上的标准样品和待测样品同时扫描成像,得到两幅具有相同横向尺度的样品表面形貌图。由于标准样品具有周期性结构,并且其已知的周期长度可以作为计量标准,因此,比较待测样品与标准样品的AFM图像,就可以精确获得待测样品的具有可溯源到计量标准的尺度值,从而实现严格的纳米计量。 基于上述原理和方法,我们在国内外率先研制了双成像单元原子力显微镜系统,其中特有的DIU-AFM探头,由参考单元和待测单元组成,包括一个共用XY扫描器、两个独立的AFM微探针(各自安装在Z向反馈控制器上)、两路独特的基于光束偏转法的检测光路,以及两套微探针一样品逼近机构。其次,研制了高性能、高精度、高速度的微纳米扫描、检测与PID反馈控制电路系统,系统采用高精度和高速度的A/D&D/A接口卡实现扫描控制信号的输出和AFM形貌信息的读入。此外,研制开发了功能完善的