原子力顯微鏡

晶體掃描儀(Crystal Scanner TM)是美國(guó)PNI公司開發(fā)的一種新穎的掃描儀。使用該掃描儀，無(wú)需知道更多掃描探針顯微學(xué)(SPM)知識(shí)的人士便可獲得納米范圍的形貌像。晶體掃描儀的核心是一種新型的無(wú)需復(fù)雜光路調(diào)整(Alignment)過(guò)程的力傳感器。它能夠進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的成像和分析。
使用裝有晶體掃描儀的Nano-R TM原子力顯微鏡(AFM)，工程師和科學(xué)工作者無(wú)需等候獲得掃描的納米結(jié)構(gòu)圖像，而是直接測(cè)量物體的形貌像。公司和研究機(jī)構(gòu)也不用雇傭AFM專家，這樣可為納米技術(shù)的研究、發(fā)展和工藝控制節(jié)省大量的成本。
晶體掃描儀在納米牛頓力測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)注入了新的設(shè)計(jì)理念。將該掃描儀與Nano-R TM型AFM的測(cè)試臺(tái)和軟件相結(jié)合，便可以得到一個(gè)新的用戶友好接口的納米成像儀器。尤其是，當(dāng)配合點(diǎn)和掃描(Point & Scan TM)技術(shù)，將大大簡(jiǎn)化儀器的操作過(guò)程。

點(diǎn)和掃描技術(shù)
點(diǎn)和掃描技術(shù)大大減少了傳統(tǒng)系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性，只要按照屏幕上的操作提示便可完成測(cè)試。幾步操作后，實(shí)驗(yàn)人員便可以在計(jì)算機(jī)屏幕上看到圖像。
點(diǎn)和掃描技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的納米成像操作步驟。步驟如下：

• 選擇樣品類型；

• 將樣品放置于顯微鏡下；

• 如有必要，更換晶體傳感器(只需幾分鐘)；

• 選擇要掃描的樣品區(qū)域；

• 成像操作。

上述的納米成像過(guò)程同樣可以分析DVD和半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)以及對(duì)納米管、納米粒子和納米晶體進(jìn)行高分辨的納米成像。
點(diǎn)和掃描技術(shù)包括3個(gè)方面的創(chuàng)新性：晶體傳感器，測(cè)試臺(tái)的自動(dòng)化和高級(jí)軟件。

• 晶體傳感器

晶體掃描儀里的力傳感器是一種非常小的晶體振蕩器，在其晶體的末端裝有針尖，如圖1和2所示。當(dāng)探針靠近樣品表面時(shí)，其振蕩的振幅將衰減。衰減的幅度取決于探針和樣品之間的作用力。掃描時(shí)，使用軟件可以優(yōu)化振蕩頻率和力的大小。使用時(shí)，晶體傳感器無(wú)需任何力的調(diào)整。

圖1晶體掃描儀中的石英交叉晶體 圖2晶體傳感器安裝在零插入力模塊上

• 測(cè)試臺(tái)自動(dòng)化

*的測(cè)試臺(tái)自動(dòng)化大大簡(jiǎn)化了裝有晶體傳感器的Nano-R TM型AFM的操作過(guò)程。結(jié)合馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的光學(xué)系統(tǒng)、樣品定位和探針-樣品控制，無(wú)需任何手動(dòng)調(diào)整。因此，便可以實(shí)現(xiàn)“放置樣品-設(shè)定掃描區(qū)域-開始掃描”的簡(jiǎn)單操作過(guò)程。

• 晶體掃描軟件

晶體掃描軟件(CSS)大大簡(jiǎn)化了晶體掃描儀的操作。安裝CSS后，實(shí)驗(yàn)人員便可以從窗口菜單上選擇需要成像的樣品類型。有關(guān)樣品類型的信息可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，需要時(shí)可調(diào)用。例如，CSS可以使用設(shè)置的掃描參數(shù)。CSS與測(cè)試臺(tái)自動(dòng)化的相結(jié)合是一個(gè)強(qiáng)有力的工具。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)運(yùn)行CSS時(shí)，樣品臺(tái)會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到樣品適于成像的位置。CSS也可以將樣品進(jìn)一步設(shè)置成適于視頻光學(xué)記錄的位置。
實(shí)驗(yàn)人員必須更換樣品和探針。為了簡(jiǎn)化操作過(guò)程，幾個(gè)視頻系統(tǒng)集成于CSS中。這些配置有利于示意如何更換探針以及放置樣品到成像的位置。軟件接口如圖3所示。
圖3軟件接口

CSS軟件的高級(jí)算法可用來(lái)判斷探針的成像質(zhì)量和優(yōu)化掃描參數(shù)。對(duì)某些特殊的樣品，這些高級(jí)算法的運(yùn)用可設(shè)計(jì)成樣品信息文件。

*的掃描儀設(shè)計(jì)
使用移動(dòng)探針的*彎曲壓電掃描儀設(shè)計(jì)可確保精確測(cè)量。這樣，在x-y-z軸和圖像間可測(cè)量zui小的色度亮度干擾，以表明沒有背底彎曲。
外置的x、y、z軸校準(zhǔn)傳感器可監(jiān)視彎曲掃描儀的動(dòng)作。這種傳感器在x、y、z軸線性化和校準(zhǔn)掃描儀顯得非常必要。這些傳感器對(duì)于點(diǎn)和位置測(cè)量也很有必要，對(duì)于圖像中某個(gè)特殊形貌的放大應(yīng)用也顯得非常必要。晶體掃描儀的技術(shù)參數(shù)如表1。
表1? 晶體掃描儀的技術(shù)參數(shù)

與光杠桿傳感器的切換
常規(guī)的AFM使用光杠桿(Light Lever)來(lái)測(cè)量探針與樣品之間的作用力。盡管光杠桿機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜且需要調(diào)光路，但也有一些優(yōu)點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：可以進(jìn)行材料敏感模式的測(cè)量，如側(cè)向力或摩擦力像和相位移成像；另外，還可進(jìn)行磁力和靜電力成像。
Nano-R TM型AFM測(cè)試臺(tái)可與光杠桿傳感器兼容。只需幾分鐘便可切換光杠桿傳感器和晶體傳感器。切換安裝后，光杠桿式AFM便可以進(jìn)行接觸或振蕩模式的形貌像測(cè)量。

應(yīng)用
使用晶體掃描儀的Nano-R TM型AFM可測(cè)量各種樣品如工業(yè)樣品和需要高分辨成像的納米結(jié)構(gòu)的形貌像。工業(yè)樣品包括DVD、顯微鏡頭、紙張、光柵和圖形化的芯片。高分辨成像的納米結(jié)構(gòu)包括晶粒、納米粒子、納米晶體和納米管。圖4示出了一些使用晶體掃描儀的AFM形貌像。