高速原子力显微术微悬臂形变的光学检测方法

高速原子力显微术微悬臂形变的光学检测方法公为涛，*商广义（北京航空航天大学应用物理系，北京100191）摘要：本文主要介绍了高速原子力显微术微悬臂形变的光学检测方法，重点介绍了利用激光束形变的方法来检测微悬臂的形变，分析了微悬臂的机械性能，激光束形变法的基本原理，该方法与其他方法相比的优点。同时介绍了一种可行的激光光斑减小的方法和利用PSD（位置灵敏检测器）检测悬臂偏转大小的原理，简单介绍了其他的光学检测方法。关键字：高速原子力显微镜微悬臂激光束形变PSD质量的好坏。目前常用的微悬臂形变的光学检测质量的好坏。目前常用的微悬臂形变的光学检测1982年，G.Binning等人发明了扫描隧道显微镜（STM）。但是，由于STM工作时监测的是针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构，这使STM在应用上就有很大的局限性。为此，Binning等人1986年在STM的基础上发明了原子力显微镜（AFM），AFM不仅具有很高的分辨率（横向分辨率达到1nm，纵向分辨率达到0.01nm），而且对工作环境、样品性质等方面的要求也非常低，因此，AFM在表面分析、材料和生物科学有了广泛的应用。然而，由于原子力显微镜固有的机械性质，限制了显微镜的最大扫描速度。收集一幅典型的图像需要超过30s的时间，这比清楚的呈现生物大分子过程所需要的毫秒级的分辨率要慢的多，同时也限制了像纳米光刻和数据存储等非成像的应用。所以近年来，如何提高原子力显微镜的扫描速度，成为了研究的热点。在高速原子力显微镜中，对微悬臂形变的测量是一个很重要的工作，这直接影响到图像成像主要是应用激光束形变的方法。下面将对该方法做详细介绍。1、微悬臂形变的检测如图1所示，是最常见的原子力显微镜的工作原理图。微悬臂的偏转是用光杠杆技术来检测的。图1原子力显微镜的基本原理图当一束从激光器或激光二极管发出的激光聚焦到微悬臂的末端，然后反射光束的位置由PSD（位置灵敏度检测器）来检测。在通常的情况下，微悬臂的背面覆盖一层薄膜（一般为金膜）来提高微悬臂的反射率。当有力作用在探针上时，微悬臂发生弯曲，同时反射光束移动过一个角度，该角度微悬臂末端坡度变化HZ/dX的两倍。

对于一个矩形截面的微悬臂，其宽度为W，长度为L，厚度为tc，如图2所示，其坡度的变化有如下的公式:dZ_6FLdX=Ewt3c(1)在该公式中，E(1)是作用在微悬臂末端法向的力。图2末端受力悬臂侧视原理图有：①悬臂重量（分布力）；②装在微悬臂自由段的探针重量（集中力）；③作用在悬臂上的驱动力（也起集中力的作用）。实际上，微悬臂是原子力显微镜的一个重要组成部分，它的机械特性对它的性能有很大的影响。典型的商用的微悬臂是有硅和氮化硅制造，这两种都用厚度为1~2nm的天然氧化物覆盖。微悬臂的机械特性主要是它的弹性系数k和共振c频率V。在理论上讲，两者均可由悬臂的材料0利用光杠杆技术检测到的信号和微悬臂的坡度是成比例的。悬臂的偏转量Zc有如下公式:F_Ewt3c一~Z-4L3Cc（3）一个好的微悬臂应该有一个高的灵敏度。对（2）因此，偏转和该信号是成正比的。然而，有一点要注意，这些关系是只有在平衡的条件下才成立。如果微悬臂振动频率明显的比它所允许的共振频率快，公式（1）和公式（2）将不再成立，利用光杠杆技术检测到的信号和微悬臂的坡度是成比例的。悬臂的偏转量Zc有如下公式:F_Ewt3c一~Z-4L3Cc（3）一个好的微悬臂应该有一个高的灵敏度。对（2）因此，偏转和该信号是成正比的。然而，有一点要注意，这些关系是只有在平衡的条件下才成立。如果微悬臂振动频率明显的比它所允许的共振频率快，公式（1）和公式（2）将不再成立，并且信号和偏转也不在成比例。2、微悬臂的机械性能原子力显微镜的核心是一个尖锐探针与样品表面的相互作用。因此，探针必须具有决定这种相互作用强度的材料特性。探针装在一个弹性的微悬臂上，该悬臂所具有的几何形状和材料特性使其能够高度敏感地探测作用力。弹性臂的作用就是把作用在探针上的力转化为可用不同方法来检测的位置偏移。作用在微悬臂上的力主要于Zc,高的分辨率可以通过小的弹性系数或者低的比值t/L来实现。因此，为了在一个微小c的力情况下获得大的偏转，微悬臂应该又长又细。另外，一个好的微悬臂的设计还有以下因素的影响:①当悬臂的共振频率tEV0=0.1615玖p （4）足够的高，外部的振动，比如建筑物、实验台或噪声的振动，这些振动通常在一个低频的状态，不会传递到微悬臂上。在这里，P是悬臂材料的密度。这个等式是针对的矩形悬臂而言。一个高的共振频率对于快速扫描是很重要的，因为共振频率限制着时间分辨率。4L^AsZ^ （5）cEt2 （5）c实际上，这些表面应力的变化，会导致悬臂的偏转发生不可预测的漂移，最终会影响到力的测量。一般情况下，为了减少漂移，比值t/L应该比c较高。综上可知，悬臂应当很小，只有短的、细的悬臂是柔和的，才会有高的灵敏度和高的共振频率。因此，一些研究者就致力于制作有高共振频率的更小的悬臂。最小的悬臂大约有10Mm长，0.1~0.3网厚，3~5Nm宽，由铝或者氮化硅制造，在空气中可以达到2MHz的共振频率。悬臂的大小不能再进一步的变小，因为在这样小的悬臂上制造针尖和聚焦激光变得越来越困难。另外，在入射激光光路上的透镜的尺寸也要随着悬臂的大小做相应的调整来获得一个最佳的信噪比。最近，GeorgE，Fantner等人在抗菌活性肽的动力学研究中使用的悬臂的宽度约为10〃m，厚度为100~350nm，长度为20~30Mm，该悬臂在空气中的共振频率约为350kHz，在水环境中的共振频率约为100~200kHz。3、激光光斑的减小激光器或激光二极管发出的激光要经悬臂背面反射到PSD（位置灵敏度检测器）上，因此要求悬臂必须是大的，而且足够用来反射激光束。但如果悬臂太大，会使得悬臂的共振频率减小，从而会影响到原子力显微镜的扫描速度。所以，在使用微小悬臂的情况下，可以考虑如何来减小激光束光斑的大小。ToshioAndo等人在研究生物大分子实验时，利用实验装置，成功地实现了激光光斑的减小，使得从激光二极管中发出的激光最终打到悬臂上时直径只有2网。如图3所示，是该实验的装置图。在该实验中，使用的是一个倒置的光学显微镜。从激光二极管g中发出的激光，经过准直透镜f，然后经过偏振分束器c，分色镜b，再经过1/4波片a，最后经物镜n，垂直打到悬臂上，成功实现了激光光斑的减小。在该实验中，照明灯h、半反射镜j组成照明系统，通过光学显微镜的视觉系统k查看该过程。垂直打到悬臂上的激光经反射后沿原光路返回，最后由分离光电二极管检测悬臂的偏转。图3倒置光学显微镜AFM原理图在实验中，物镜的作用主要有两个方面，一个是汇聚激光束的作用，另一个的作用当光束从偏离物镜中心的位置入射时，使激光发生10。的偏转，刚好补偿悬臂与水平方向10。的夹角。4、PSD（位置灵敏度检测器）4.1、 PSD简介PSD（PositionSensitiveDetector）即位置敏感探测器，是一种能将入射光点位置转换为电流信号的半导体光电检测元件。1957年Wallmark^U用载流子传输理论解释了半导体材料上产生的横向光电效应现象，并提出可用于检测光点位置，开始了对PSD的研究。随着半导体材料、制造工艺的发展，PSD在灵敏度、体积、响应速度及线性度等方面有了很大的提高。相对于另一种常用的光电位置检测元件CCD（电荷耦合器件）来说，PSD的输出只对入射光斑重心敏感，并且为电流信号，所以其后续测量电路简单、使用方便。正因为具有这些特点，PSD在精密尺寸测量、机器人技术、导弹制导及航空等许多方面得到广泛的应用。但PSD本身是模拟器件，受环境和处理电路中其他器件性能等因素影响较大，因此需要尽量克服和减少影响PSD性能的各种因素。4.2、 PSD工作原理PSD结构和等效电路见图4。在PSD两边各有一个信号输出电极，基极用来加偏置电压，当光束照射在感光面上某一点时，就会产生横向光电效应，由于光电效应产生一定的光生电流，又由于横向电动势的存在，使光生电流X。和X分别流向两端输出电极。显然，X]+X2=X。，X1和X2的分流关系取决于入射光点位置到两电极的等效电阻。图4PSD结构和等效电路图4.3二维PSD器件二维PSD的工作原理与一维基本相同，但为面结构，具有相互垂直的两对电极，二维PSD器件主要有以下两种:二维方形PSD器件和二维枕形PSD器件。图5和图6分别为二维方形PSD器件的原理示意图和等效电路图。图5二维方形PSD器件的原理示意图图6二维方形PSD器件等效电路图4.4、PSD的优点PSD的光谱范围很宽，在红外附近具有最大的光谱效应，所以很多的PSD的应用使用红外发光二极管、红外半导体激光器会氦氖激光器最为光源。PSD的响应速度很快，S1545为20us，这种快速响应是PSD很突出的优点。PSD的位置分辨率很很高，S3979可达0.1um，这种空间分辨率是CCD等固体摄像器件无法比拟的。另外，PSD电极之间的阻抗不是很大，饱和光电流只达殁级，这就要求外围电路阻抗很小°PSD没有工作死区。可以给出光点在整个光敏面上移动的连续性位置数据，分辨率高，响应速度快，线性较好，不需要扫描，从而简化了外围设备，具有较高的性价比，检测时不受入射光束的形状及光强波动的影响。5、 其它光学检测方法除了利用激光束形变的方法检测AFM微悬臂的形变之外，还有一种光干涉法。1986年Martin等人制成了第一台在零差和外差干涉仪基础上的光学干涉仪，来检测悬臂的弯曲。同隧道SFM相比，其主要优点是：激光束和悬臂间的相互作用可以忽略；由于较大的束直径，光学SFM对悬臂背面的粗糙度不敏感。在吸引力范围内，也可以采用调制技术，测量得到10-13量级的力。该方法主要应用在磁力显微镜中，在高速原子力显微镜中应用很少。6、 总结近年来，用激光束形变的方法（光杠杆技术）来检测悬臂的形变在高速原子力显微镜中得到了广泛的应用。这种方法非常简单、稳定、可靠和耐用，在UHV中也同样适用。参考文献：Hans-JurgenButta,BruneroCappellab,*,MichaelKappl.SurfaceScienceReports59(2005)1-152.TAndo,NKodera,ETakaiProceedingsofthe…，2001-NationalAcadSciences.GEFantner,RJBarbero,DSGray…-NatureNanotechnology,2010-.A.D.L.Humphris,M.J.Miles,andJ.K.Hobbs.APPLIEDPHYSICSLETTERS86,034106(2005).谢清华，王梦珂，谷安.位置敏感探测器(PSD)信号调理电路的改进.青岛科技大学学报(自然科学版).2007白春礼，田芳，罗克，扫描力显微镜,科学出版社.2000.Abstract：ApplicationsofopticaldetectioninthehighspeedAFM

deformationofcantileverAbstract：ApplicationsofopticaldetectioninthehighspeedAFMdeformationofcantileverhavebeenreviewed.IntroducethemethodofLaserbeamdeformationpa