AFM輕敲模式下掃描參數對成像質量影響的研究

陳建超, 安小廣, 馮世緒, 王加春

(1.燕山大學 機械工程學院,河北 秦皇島 066004;2.河北省重型智能制造裝備技術創新中心,河北 秦皇島 066004)

1 引 言

隨著微/納米技術的發展,原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)已被廣泛地用于表征微納結構(微裂紋、微溝槽)和表面的微觀幾何形貌等[1～10]。雖然原子力顯微鏡最高能達到納米級的縱橫向分辨率,但不合理的掃描參數(如掃描頻率、積分增益、掃描振幅等)設置會引入反饋系統控制誤差,從而降低測量精度[11]。

近年來,相關學者已開展了輕敲模式下掃描參數對成像質量的影響研究。Sulchek T等[12]通過推導得出探針掃描上升沿的幅值誤差與掃描頻率呈線性關系;Kodera N等[13]發現減小幅值設定點有助于增大反饋帶寬;Su等[14]發現減小幅值設定點可以提高探針誤差增長率;薛勃等[15]研究了掃描頻率、積分增益、掃描振幅分別對成像質量的影響規律,得出掃描頻率、積分增益及掃描振幅三者決定了AFM閉環系統在工作時對輸入信號響應的程度。但這些研究均局限于單一掃描參數對成像質量的影響分析,沒有考慮掃描參數之間是否存在耦合影響。而AFM作為一個誤差驅動的閉環控制系統,其反饋增益(積分增益、比例增益)的優化依賴于幅值誤差(幅值設定點與探針幅值的差值)的大小,而探針幅值又受反饋增益的影響。由此可見AFM掃描參數之間存在明顯的耦合效應。

因此,本文在確立合理的AFM成像質量評價指標的基礎上,研究了掃描參數對成像質量的影響規律以及對成像質量的耦合作用,為AFM掃描參數的合理選擇提供重要的參考依據。……