微納測試技術(shù)

1、1、試分析原子間力有哪些種類？哪些對于原子力顯微鏡有貢獻(xiàn)？ 原子間力包括： 離子鍵、共價鍵、排斥力、金屬黏附力、范德華力 其中： 離子鍵是庫侖力形成粒子之間吸引構(gòu)成離子晶體結(jié)構(gòu)； 共價鍵是兩個原子的電子云相互重疊形成吸引力，并且在幾個埃內(nèi)有較 強的方向性和衰減性；排斥力來自庫侖排斥力和泡利不相容原理形成的排斥力； 金屬黏附力來自自由共價電子形成的較強的金屬鍵。 范德華力，其作用力較強，存在于各種原子和分子之間，有效距離為幾 個埃到幾百個埃； 原子力顯微鏡中掃描探針和樣品之間存在多種相互作用力， 例如范德華力、 庫侖 力、磁力、靜電力。2、調(diào)研新型的探針技術(shù)？四探針法是材料學(xué)及半導(dǎo)體行業(yè)電學(xué)表征

2、較常用的方法,其原理簡單 ,能消除接觸電阻影響 ,具有較高的測試精度。由厚塊原理和薄層原理推導(dǎo)出計算公式,并經(jīng)厚度、邊緣效應(yīng)和測試溫度的修正即可得到精確測量值。據(jù)測試結(jié)構(gòu)不同,四探針法可分為直線形、方形、范德堡和改進四探針法,其中直線四探針法最為常用,方形四探針多用于微區(qū)電阻測量。四探針法是材料學(xué)及半導(dǎo)體行業(yè)電學(xué)表征的常用方法。隨著微電子器件尺度 持續(xù)減小 ,新型納米材料研究不斷深入 ,須將探針間距控制到亞微米及其以下范疇 才能獲得更高的空間分辨率和表面靈敏度。 近年來研究人員借助顯微技術(shù)開發(fā)出 兩類微觀四點探針測試系統(tǒng) ,即整體式微觀四點探針和獨立四點掃描隧道顯微鏡 探針系統(tǒng) ,隨著現(xiàn)代微加

3、工技術(shù)的發(fā)展 ,當(dāng)前探針間距已縮小到幾十納米范圍。本 文綜述了微觀四點探針技術(shù)近年來的研究進展,主要包括測試?yán)碚摗⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)與探針制備。其中 ,特別詳述了涉及探針制備的方法、技術(shù)及所面臨問題,并展望了微觀四點探針研究的發(fā)展方向 ,并給出了一些具體建議。參考文獻(xiàn) ：李建昌 ,王永,簡曉慧 ,巴德純.半導(dǎo)體表面電學(xué)特性微觀四點探針測 試技術(shù)研究進展J.真空.2011(01)3、原子力顯微鏡的快速掃描技術(shù)？與其他表面分析技術(shù)相比， 原子力顯微鏡具有一些獨特的優(yōu)點。 它可以實時 獲得具有原子力分辨級的樣品表面三維圖像， 并且可在真空、 大氣、液體等多種 條件下工作，并不需要特殊的樣品制備技術(shù)。 然而就原

4、子力顯微鏡儀器本身來說， 由于它在輕敲模式下掃描速度較慢，限制了 AFM 對動態(tài)過程的觀測能力，這 制約了原子力顯微鏡在生物等其他領(lǐng)域的發(fā)展。原理 ：在進行樣品成像時，輕敲模式下 AFM 的掃描速度常常只有每秒幾 十微米。在這一速度下，對一個像素為512X 512的圖像成像需要幾分鐘。在不 破壞樣品表面的情況下提高 AFM 在輕敲模式下的成像速度，在研究生物表面 動態(tài)變化等實際應(yīng)用中非常重要。在輕敲模式下，多種因素制約著 AFM 的成 像速度。 AFM 一方面要動態(tài)地調(diào)節(jié)探針樣品間的距離，另一方面要使探針在諧 振頻率下維持高頻機械振動。影響 AFM 成像速度的因素主要有： 1、探針機械 振動瞬

5、時響應(yīng)較慢； 2、探針高頻振動的不穩(wěn)定性； 3、反饋系統(tǒng)成像帶寬； 4、 誤差信號飽和現(xiàn)象； 5、探針振幅至電壓信號轉(zhuǎn)換； 6、AFM 掃描參數(shù)的影響。 在使用輕敲模式下原子力顯微鏡對樣品進行表面分析時， AFM 本身參數(shù)會 隨系統(tǒng)而變化， 這些參數(shù)的設(shè)置會影響 AFM 成像速度， 如 Scan Rate， Setpoint， Integra1 gain, Proportion gain等都對掃描速度有很大影響。 Scan Rate值直接決定針尖掃描速度，設(shè)置較高時可明顯提高成像速度，但一般只在樣品表面特征不 明顯且掃描范圍較小時可適當(dāng)增加掃描速度值，否則會因探針響應(yīng)跟不上而導(dǎo)致 成像出現(xiàn)條紋

6、等失真現(xiàn)象。對于表面較軟的樣品成像，setpoint值設(shè)置時不可降低，那樣可能會損壞樣品表面。而對于表面相對較硬的樣品可適當(dāng)降低setpoi nt值，以免在經(jīng)過表面下降沿時過早形成誤差信號飽和，限制反饋速度，且會造成樣品成像不完整。反饋系統(tǒng)的兩個增益值主要用來設(shè)定探針的反饋能力。適當(dāng)提 高I gain和Pgain的值以提高系統(tǒng)的響應(yīng)性，但是這兩個參數(shù)不宜過高，否則會 使掃描器振蕩，致使圖像出現(xiàn)失真。因此，提高原子力顯微鏡在輕敲模式下的掃 描速度，則必須對這幾個儀器參數(shù)進行合理的設(shè)置。具體的實施方案：采用積分式激勵的探針以提高諧振頻率增大掃描驅(qū)動器的 激勵帶寬是提高AFM的掃描速度并減小由于壓電

7、掃描管較低的響應(yīng)帶寬造成 的相位變化的一個有效方法。通常，原子力顯微鏡使用一個較大的陶瓷管或者是 采用壓電堆材料裝在AFM測量頭作為探針的驅(qū)動器。在和反饋環(huán)節(jié)相結(jié)合時， 這種壓電材料就用來使探針上下移動實現(xiàn)表征樣品表面高度的變化。快速、積分式的驅(qū)動器可以通過把一個由ZnO制作而成的積分式壓電薄片作為探針的驅(qū)動器來實現(xiàn)。在這種積分式壓電驅(qū)動器的激勵下，探針的諧振頻率在空氣中能達(dá) 到50kHz，在液體中也能達(dá)到15kHz。使用這種激勵不僅能夠增加掃描速度， 同時還實現(xiàn)了在液體中的高速接觸模式測量。 在快速掃描設(shè)計中，探針表面集成 了一個ZnO壓電薄膜來代替諧振頻率較低的z向驅(qū)動器，并采用光學(xué)杠桿傳

8、感器來測量探針壓力，該系統(tǒng)成像帶寬達(dá)到33kHz。如圖所示：設(shè)定值例-V sin(wt+02)V sin(wt+o-|)參考文獻(xiàn)：蘇琪，輕敲模式下 AFM快速掃描技術(shù)的研究，碩士學(xué)位論文, 天津大學(xué)，20084、如何實現(xiàn)大范圍掃描技術(shù)？普通國產(chǎn)原子力顯微鏡使用壓電掃描管掃描樣品，因而掃描范圍偏小， 不能很好的滿足一些研究要求。根據(jù)原子力顯微鏡相關(guān)的基本理論，了解到 擴大掃描范圍的方法關(guān)鍵在于兩點：提高壓電掃描器的性能，在掃描器性能 改進方面，采用堆形結(jié)構(gòu)的壓電掃描器；調(diào)整掃描探頭的結(jié)構(gòu)，在探頭結(jié)構(gòu)改善方面，分離XY與Z向壓電掃描器，并重新設(shè)計了微偏轉(zhuǎn)激光檢測結(jié)構(gòu)。 原理：擴大掃描范圍的最直接的

9、辦法是采用足夠長的壓電掃描管，但隨 著管子長度的增加，管型掃描器的非線性誤差會相應(yīng)增大，掃描圖像的畸變 會增加，因而這種原理不可行。通過深入分析國外典型AFM產(chǎn)品，主要有三種掃描探頭結(jié)構(gòu)類型：“下掃描”、“上掃描”和“XY與Z分離”。其中，“XY 與Z分離”這類的原子力顯微鏡采用分離的 XY與Z向壓電掃描器代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的管型掃描器，用XY向掃描器帶動樣品進行水平移動，用 Z向掃描器帶動 樣品進行水平移動，用Z向掃描器帶動微懸臂自上而下檢測樣品。這種設(shè)計 的優(yōu)點在于：一方面可以通過選用共振頻率高的 Z向壓電掃描器來提高掃描 速度；另一方面可以通過選用大位移量的 XY向壓電掃描器平臺來增大掃描 范圍。此外，XY向壓電掃描器做成便于放置樣品的掃描平臺還能減少對被 測樣品形狀和尺寸的限制。具體的實施方案：“XY與Z分離”型探頭適合掃描生物樣品，研制成本 適中，所以采用“ XY與Z分離”的掃描探頭設(shè)計方案，具體包括：