【文章內(nèi)容簡介】 ace和 retrace的形貌像 (a)和橫截面 (b)。 ? 弓形 （ Bow） 效應(yīng) ：掃描頭一端固定，附加針尖的一端自由 。 當(dāng) 掃描頭進(jìn)行 光柵式掃描時(shí)， 在整個(gè)掃描 范圍內(nèi) ， 掃描頭的自由端以弓形（替代平直的線）運(yùn)動。這種不利的效應(yīng)稱為弓形 效應(yīng) ，如下圖 、 。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 18 圖 在掃描過程中，掃描頭的自由端按弧形運(yùn)動，產(chǎn)生一個(gè)弓形圖像。 該效應(yīng)在平滑的表面作大范圍掃描時(shí)尤為明顯。 圖 通過形貌像（ 上 ）獲得橫斷面曲線 (下 )顯示出掃描頭的弓形效應(yīng) 。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 19 ? 在成像過程中，部分弓形效應(yīng)可以通過軟件進(jìn)行消除，如圖 。 通過對一個(gè) buffer（顯示為黃色）數(shù)據(jù) 進(jìn)行 不同階數(shù) （ order） 9處理 。 與其它 buffer（顯示黑色）相比，弓形效應(yīng)可以被去除。 然而，如果選擇的 order不恰當(dāng)，可能在圖像中引入假象 從 而導(dǎo)致錯(cuò)誤。 圖 經(jīng)圖像處理后消除弓形（黃線）的橫截面。 ? 交叉耦合 （ Cross coupling）效應(yīng) 是指掃描頭 沿某一個(gè)軸（通常為 X或 Y軸）移動 導(dǎo)致 在 其它軸 向上 （通常為 Z軸）一些不必要的移動 ，如圖 。管狀掃描頭對幾何學(xué)上的交叉耦合更加敏感，主要是由于 一個(gè)單一的四象限管可以在三個(gè)軸方向上提供運(yùn)動。 安捷倫專利掃描頭在 XY方向的運(yùn)動采用獨(dú)立的兩對陶瓷片， 在 Z方向的運(yùn)動由陶瓷管提供。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于減少不同軸之間的交叉耦合。 圖 掃描頭的交叉耦合效應(yīng)。 ? 老化 （ Aging）效應(yīng) 是指壓電陶瓷依賴時(shí)間的效應(yīng)， 即 在一段時(shí)間內(nèi)，掃描頭靈敏度（單位電場 壓電陶瓷的伸長） 隨 時(shí)間的 衰減 過程， 一般為指數(shù)關(guān)系 。 在開始的安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 20 幾小時(shí)內(nèi)，掃描頭衰減較大。因此，安捷倫 掃描頭在校準(zhǔn)之前，在工廠已經(jīng)經(jīng)過充分 的 時(shí)間 鍛煉。在此之后，掃描頭的老化速率相當(dāng)?shù)穆?，同時(shí)與使用的時(shí)間有關(guān)系。 在一個(gè)相當(dāng)長的周期內(nèi)，采用校準(zhǔn)是完全可行的。 為了獲得正確的 圖 像，經(jīng)過 長時(shí)間的使用， 掃描頭 需要進(jìn)行 校準(zhǔn)。 圖 掃描頭的 老化 效應(yīng) 示意圖 。 ? 蠕變 （ Creep）效應(yīng) 是指 在 掃描頭掃描過程中，掃描頭電壓偏移量 有 一個(gè) 突變 ，導(dǎo)致掃描頭產(chǎn)生一個(gè)延時(shí) 的 位移 現(xiàn)象 ，如圖 。由于蠕變 效應(yīng)的存在 ，在 一個(gè)突變 電壓偏移之后， 同步 的 掃描頭 僅 僅獲得部分 位移量 ， 通常為 98%， 甚至更多 。剩余的位移量通常移動的很慢，一般大約需要 10 100秒。 由于 剩余 移動 量移動 的很慢，蠕變經(jīng)常出現(xiàn)在某個(gè)方向偏移量出現(xiàn)伸長的特征。這可能在執(zhí)行 某些功 能時(shí)導(dǎo)致一些困難，例如在平面內(nèi)放大或者重新設(shè)置掃描中心，這 些 皆存在 偏移 量 。 圖 掃描頭在垂直方向上的蠕變效應(yīng)：在臺階的邊界處過調(diào)節(jié) 。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 21 圖 。 ? 壓電材料自身固有的非理想性能，例如非線性 (nonlinearity)，滯 后 現(xiàn)象 (hysteresis), 弓形 (bow), 蠕變 (creep), 老化 (aging), 交叉耦合 (crosscoupling) 等。 它 們彼此之間并非 是 相互獨(dú)立的。 圖 掃描頭在臺階處滯后效用、蠕變以及交叉耦合效應(yīng)的綜合作用結(jié)果。 9 關(guān)于階數(shù)更多的信息，請參閱第五部分：圖像處理。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 22 3. 反饋（ Servo or Feedback）控制 ? 圖像的質(zhì)量依賴于 相關(guān)的掃描參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。用戶需要優(yōu)化掃描參數(shù)進(jìn)而獲得所 期望的高質(zhì)量圖像。 ? 一些經(jīng)常用到的參數(shù)主要位于 ‘Servo Control’ 和 ‘Scan and Approach Control’菜單下。 ? 在 反饋（ Servo） 系統(tǒng)中的積分增益（ Integral ‘I’）和比例增益（ Proportional ‘P’）直接影響 掃描頭 壓電陶瓷 對 反饋 系統(tǒng)信號做出反應(yīng)，包括 STM的隧穿電流， 接觸模式的誤差信號，輕敲模式的振幅信號 ? 如果增益設(shè)置太低，掃描頭 將 跟 不 上形貌 的起伏變化，圖像變得模糊不清。 (a) (b) 圖 圖顯示出積分增益對形貌圖（上面）和橫截面圖（下面）的影響 (a)增益過低 (b)正確增益。 ? 如果 I太高，掃描頭將出現(xiàn)過調(diào)節(jié)，結(jié)果導(dǎo)致振蕩的出現(xiàn)。如圖 （ 在實(shí)時(shí)的水平橫截面曲線 上 可以觀察到振蕩的出現(xiàn) 。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 23 圖 （上）和橫截面圖（下 ）的影響。 (a) (b) 圖 積分增益 I對誤差信號圖像的影響（ a）增益過低（ b）增益過高 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 24 ? I 值應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)到 形貌像的對比度和細(xì)節(jié)盡可能的達(dá)到我們所期望的，同時(shí)要保持反饋的穩(wěn)定，無振蕩信號。 ? 適當(dāng)?shù)脑黾?I值，可以保證 反饋 系統(tǒng)信號盡可能接近 Setoint值，以保證盡可能低的誤差信號，包括 STM的隧穿電流，接觸模式的誤差信號，輕敲模式的振幅信號 ? 較高的 I值可以提高形貌像的質(zhì)量，但會改變誤差信號圖像的質(zhì)量。這種現(xiàn)象可以在圖 。 ? 一個(gè)最佳的 I值（不 高也不低）要同時(shí)滿足形貌像和誤差信號通道 ，從而 獲得高質(zhì)量的圖像。 ? 伺服系統(tǒng)中的 P部分 是對瞬時(shí) 誤差信號起作用 （ I提供一個(gè) 非 平均效應(yīng)） ，因此 只會影響信號的高頻部分。 I對 反饋 系統(tǒng)比 P更敏感。在增加圖像質(zhì)量時(shí)，優(yōu)先調(diào)整 I，再調(diào)整 P。 ? 反饋 系統(tǒng)范圍（ Servo range）給出了壓電陶瓷 Z向的最大位移范圍。減少 Servo range可以增加垂直方向的分辨率。這對平滑的表面是非常有用的。但必須注意 servo range不能低于掃描范圍的最高值 。 ? Setpoint決定 著 針尖如何 很 好的跟蹤樣品 表面以及針尖和樣品 之間 的相互作用。 因此， Setpoint應(yīng)該給與 適當(dāng) 調(diào)整，原則 上 是讓針尖在材料表面的軌跡盡可能準(zhǔn)確，界面相互作用應(yīng)該盡可能的小。增加界面相互作用（例如 AFM中的力）可能給樣品帶來意想不到的改變，而減小界面相互作用可能使成像變得不穩(wěn)定甚至不能成像。 ?對于 servo而言， 掃描速度（ Scan speed）或針尖速度（ Tip velocity） 可以決定 多少時(shí)間是用來改變樣品和探針的相互作用 而 做出反應(yīng)。 主要依靠兩個(gè)參數(shù)：掃描速度和掃描尺寸。 ? 掃描速率 （ Scan speed） 決定針尖每秒執(zhí)行 Trace / Retrace和線（ line）的數(shù)量。掃描速度的選擇依靠掃描尺寸和樣品形貌高度特征。一個(gè)簡單原則是：粗糙的表面需要更多的反饋跟蹤時(shí)間（ Servo tracking time），因此 需要更慢的掃描速度，反之亦然。 ? 一般 來說，液體中的掃描速度要比空氣中的掃描速度慢。 ? 相同的掃描 尺寸下 增加掃描速率或者相同的掃描速率 下 增加掃描 尺寸皆 可以增加安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 25 探針?biāo)俣取?servo而言，這相當(dāng)于減少反應(yīng)時(shí)間，從而探針對材料表面 跟蹤 相對較差 。如果必須增加掃描速度（或探針?biāo)俣龋?，可以使用更高的 Servo gains來獲得更快的 servo反應(yīng)。 ? 其它 的 ‘Servo’ 和 ‘Scan’ 控制 還 包括 servo offset, scan origin (offset) and rotation, scan tilt (correction), overscan等。關(guān)于這些參數(shù)更 詳細(xì) 的信息 請參閱 PicoScan User’s Manual。 ? 對于某 些 固定的設(shè)置 ， 包括 scanning mode, type of tip, sample, environment等，一組特定 的掃描參數(shù) (servo gains, setpoint, scan rate etc.)可以標(biāo)準(zhǔn)化。 一旦 某 種或多種條件發(fā)生改變，上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置 將 變得不合適。因此， 一個(gè)新的應(yīng)用必須伴隨著一組新的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。也就是說，掃描參數(shù)隨著條件的不同而改變。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 26 4. 探針（ Probes） ? SPM 探針由 AFM探針和 STM探針組成。 AFM探針一般