原子力显微镜

原子力显微镜

晶体扫描仪(Crystal Scanner TM)是美国PNI公司开发的一种新颖的扫描仪。使用该扫描仪，无需知道更多扫描探针显微学(SPM)知识的人士便可获得纳米范围的形貌像。晶体扫描仪的核心是一种新型的无需复杂光路调整(Alignment)过程的力传感器。它能够进行纳米结构的成像和分析。
使用装有晶体扫描仪的Nano-R TM原子力显微镜(AFM)，工程师和科学工作者无需等候获得扫描的纳米结构图像，而是直接测量物体的形貌像。公司和研究机构也不用雇佣AFM专家，这样可为纳米技术的研究、发展和工艺控制节省大量的成本。
晶体扫描仪在纳米牛顿力测量领域内注入了新的设计理念。将该扫描仪与Nano-R TM型AFM的测试台和软件相结合，便可以得到一个新的用户友好接口的纳米成像仪器。尤其是，当配合点和扫描(Point & Scan TM)技术，将大大简化仪器的操作过程。

原子力显微镜

点和扫描技术
点和扫描技术大大减少了传统系统软件的复杂性，只要按照屏幕上的操作提示便可完成测试。几步操作后，实验人员便可以在计算机屏幕上看到图像。
点和扫描技术使用标准的纳米成像操作步骤。步骤如下：

• 选择样品类型；

• 将样品放置于显微镜下；

• 如有必要，更换晶体传感器(只需几分钟)；

• 选择要扫描的样品区域；

• 成像操作。

上述的纳米成像过程同样可以分析DVD和半导体器件结构以及对纳米管、纳米粒子和纳米晶体进行高分辨的纳米成像。
点和扫描技术包括3个方面的创新性：晶体传感器，测试台的自动化和高级软件。

• 晶体传感器

晶体扫描仪里的力传感器是一种非常小的晶体振荡器，在其晶体的末端装有针尖，如图1和2所示。当探针靠近样品表面时，其振荡的振幅将衰减。衰减的幅度取决于探针和样品之间的作用力。扫描时，使用软件可以优化振荡频率和力的大小。使用时，晶体传感器无需任何力的调整。

图1晶体扫描仪中的石英交叉晶体 图2晶体传感器安装在零插入力模块上

• 测试台自动化

先进的测试台自动化大大简化了装有晶体传感器的Nano-R TM型AFM的操作过程。结合马达驱动的光学系统、样品定位和探针-样品控制，无需任何手动调整。因此，便可以实现“放置样品-设定扫描区域-开始扫描”的简单操作过程。

• 晶体扫描软件

晶体扫描软件(CSS)大大简化了晶体扫描仪的操作。安装CSS后，实验人员便可以从窗口菜单上选择需要成像的样品类型。有关样品类型的信息可存储在计算机内，需要时可调用。例如，CSS可以使用设置的扫描参数。CSS与测试台自动化的相结合是一个强有力的工具。举例来说，当运行CSS时，样品台会自动移动到样品适于成像的位置。CSS也可以将样品进一步设置成适于视频光学记录的位置。
实验人员必须更换样品和探针。为了简化操作过程，几个视频系统集成于CSS中。这些配置有利于示意如何更换探针以及放置样品到成像的位置。软件接口如图3所示。
图3软件接口

CSS软件的高级算法可用来判断探针的成像质量和优化扫描参数。对某些特殊的样品，这些高级算法的运用可设计成样品信息文件。

先进的扫描仪设计
使用移动探针的先进弯曲压电扫描仪设计可确保精确测量。这样，在x-y-z轴和图像间可测量最小的色度亮度干扰，以表明没有背底弯曲。
外置的x、y、z轴校准传感器可监视弯曲扫描仪的动作。这种传感器在x、y、z轴线性化和校准扫描仪显得非常必要。这些传感器对于点和位置测量也很有必要，对于图像中某个特殊形貌的放大应用也显得非常必要。晶体扫描仪的技术参数如表1。
表1? 晶体扫描仪的技术参数

与光杠杆传感器的切换
常规的AFM使用光杠杆(Light Lever)来测量探针与样品之间的作用力。尽管光杠杆机构较为复杂且需要调光路，但也有一些优点。其主要优点是：可以进行材料敏感模式的测量，如侧向力或摩擦力像和相位移成像；另外，还可进行磁力和静电力成像。
Nano-R TM型AFM测试台可与光杠杆传感器兼容。只需几分钟便可切换光杠杆传感器和晶体传感器。切换安装后，光杠杆式AFM便可以进行接触或振荡模式的形貌像测量。

应用
使用晶体扫描仪的Nano-R TM型AFM可测量各种样品如工业样品和需要高分辨成像的纳米结构的形貌像。工业样品包括DVD、显微镜头、纸张、光栅和图形化的芯片。高分辨成像的纳米结构包括晶粒、纳米粒子、纳米晶体和纳米管。图4示出了一些使用晶体扫描仪的AFM形貌像。