陈建超, 安小广, 冯世绪, 王加春

(1.燕山大学 机械工程学院,河北 秦皇岛 066004;2.河北省重型智能制造装备技术创新中心,河北 秦皇岛 066004)

1 引 言

随着微/纳米技术的发展,原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)已被广泛地用于表征微纳结构(微裂纹、微沟槽)和表面的微观几何形貌等[1～10]。虽然原子力显微镜最高能达到纳米级的纵横向分辨率,但不合理的扫描参数(如扫描频率、积分增益、扫描振幅等)设置会引入反馈系统控制误差,从而降低测量精度[11]。

近年来,相关学者已开展了轻敲模式下扫描参数对成像质量的影响研究。Sulchek T等[12]通过推导得出探针扫描上升沿的幅值误差与扫描频率呈线性关系;Kodera N等[13]发现减小幅值设定点有助于增大反馈带宽;Su等[14]发现减小幅值设定点可以提高探针误差增长率;薛勃等[15]研究了扫描频率、积分增益、扫描振幅分别对成像质量的影响规律,得出扫描频率、积分增益及扫描振幅三者决定了AFM闭环系统在工作时对输入信号响应的程度。但这些研究均局限于单一扫描参数对成像质量的影响分析,没有考虑扫描参数之间是否存在耦合影响。而AFM作为一个误差驱动的闭环控制系统,其反馈增益(积分增益、比例增益)的优化依赖于幅值误差(幅值设定点与探针幅值的差值)的大小,而探针幅值又受反馈增益的影响。由此可见AFM扫描参数之间存在明显的耦合效应。

因此,本文在确立合理的AFM成像质量评价指标的基础上,研究了扫描参数对成像质量的影响规律以及对成像质量的耦合作用,为AFM扫描参数的合理选择提供重要的参考依据。……