【正文】 6 萬立駿著，電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用，北京： 科學(xué)出版社 ， 2020。 2 朱傳鳳 等 著 ，掃描探針顯微術(shù)應(yīng)用進(jìn)展 ， 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020。在掃描（ sweep）過程中，采用這種方式，針尖和樣品受到破壞的程度最小。（ b) 對于 ad 曲線， Shoulder 應(yīng)該在 Y軸 0以上（該點也就是 Setpoint點）， 在 shoulder和 setpoint線之間 的振幅應(yīng)該盡量降低，如圖 ‘Normal operating range’。 圖 Ad 曲線給出了一個 假逼近（ false engage）的事例。 ? Ad 曲線也可以用于檢查 false engage，同時可以獲得一個不錯的運(yùn)行 setpoint。 圖 振幅與距離曲線給出了正常運(yùn)行范圍（ ‘Normal operating range’）。 ? 在 AC模式的 AFM曲線中，振幅與距離 amplitudedistance (ad)的曲線替代 力與距離fd曲線 。 在這種情況下，力與距離曲線的平直線（非接觸部分）位于 y軸 0以上（該點也是setpoint)。 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 39 ? 開環(huán)掃描頭 滯 后 效應(yīng) 使 力與距離曲線 發(fā)生改變 ，即掃描頭的逼近和遠(yuǎn)離部分不能重合，如圖 。 6. 在探針突然跳離表面之前 (position 5)，掃描頭必須收縮超出 position 2。 隨著掃描頭從表面遠(yuǎn)離， 毛細(xì)管力 （ capillary force）會保持針尖與表 面接觸。隨著掃描頭完全伸長 ， 達(dá)到用戶定義最大深長范圍 (position 3)。由于探針沒有接觸材料表面 (position 1)，懸臂沒有偏離。它反映了一組垂直的力與掃描頭 Z向位置的函數(shù)關(guān)系，該力是 AFM探針施加到材料的表面，正比于懸臂的偏差（ deflection） ? 下圖給出了在一個力 距離測量過程 中，原子力懸臂在空氣（圖 )和水中 (圖 )移動的過程。 ? 在 ‘Filter toolbox’菜單中，其它 tools和 filters可以提供 FFT, 算術(shù)運(yùn)算（ arithmetic operations）包括緩沖層運(yùn)算和矩陣運(yùn)算 。因此，當(dāng)圖像已 經(jīng)完全獲得 情況下 ，該修正通常非常好。 ? 對于 平面擬合，平 面擬合系數(shù)可以自動生成。 ? 因此，當(dāng)使用 tilted算法 顯示數(shù)據(jù)時，每一條線修正的坡度相同，每一條線以相同的量上下改變，該變化是基于所選的多項式；而不是對每一條施加一 個偏差量offsetting，以致于其平均高度相同。 1st order flatten 3rd order flatten 圖 橫截面圖顯示出不正確的 order of flattening引入的假象。 也就是說，flattened處理，在 Y方向上有輕微失真。 ? 對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合： 1st order: 線形擬合（ linear fit） 在 X和 Z方向上多項式擬合的最高次數(shù)為 1 2nd order: 二次方程 （拋物線） 擬合（ quadratic fit） 在 X和 Z方向上多項式擬合的最高次數(shù)為 2，依次類推 。 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 33 ? Image rendering的 flatten算法處理是 對 X軸上的每一條 線 進(jìn)行平整。 ? Raw image rendering僅顯示導(dǎo)入時的數(shù)據(jù)，對樣品 傾斜（ slope）沒有進(jìn)行 任何修正。其中 ， Filter Toolbox具有眾 多特點，詳細(xì)的描述 請參閱 PicoScan User’s Manual。請參考說明書，其中包含 MAC針尖更多信息。 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 30 R= 矩形的（ Rectangular） , T=三角形的（ Triangular） , 表格中所有數(shù)值皆為典型數(shù)值，更詳細(xì)的信息請參閱制造商說明書。 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 29 圖 污染針尖對成像的影響示意圖。 帶有垂直錐角的凹槽 帶有針尖錐角的凹槽成像 圖 在成像過程中，針尖錐角對成像影響的示意圖。 左 為 STM，右 為 AFM。鈍的針尖 主要 歸結(jié)于制造過程中的缺陷、臟東西的積累以及成像過程中的磨損。如果樣品特征比探針尖銳，則 圖像 包含著 針尖的形狀。 ? 軟針尖通常用于接觸模式成像，而硬的針尖用于 AC模式成像。 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 27 ? 成像的質(zhì)量依賴于針尖的性能，主要包括彈性常數(shù)（ spring constant）、懸臂的共振頻率（ resonant frequency）和探針的銳度（ sharpness） （ 包括 曲率半徑 radius of curvature和錐角 sidewall angles） 。 ? 通常懸臂的形狀一般為三角形（ triangular or V）和矩形（ rectangular）。 STM針尖材料一般為 Pt/Ir絲或 W絲，通過機(jī)械加工或電化學(xué)刻蝕 方法 獲得。因此， 一個新的應(yīng)用必須伴隨著一組新的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。 ? 其它 的 ‘Servo’ 和 ‘Scan’ 控制 還 包括 servo offset, scan origin (offset) and rotation, scan tilt (correction), overscan等。 ? 一般 來說，液體中的掃描速度要比空氣中的掃描速度慢。 主要依靠兩個參數(shù)：掃描速度和掃描尺寸。 ? 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。 ? 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。 ? 一個最佳的 I值（不 高也不低）要同時滿足形貌像和誤差信號通道 ，從而 獲得高質(zhì)量的圖像。 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。 ? 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。 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 21 圖 。剩余的位移量通常移動的很慢，一般大約需要 10 100秒。 為了獲得正確的 圖 像，經(jīng)過 長時間的使用， 掃描頭 需要進(jìn)行 校準(zhǔn)。 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 幾小時內(nèi)，掃描頭衰減較大。 安捷倫專利掃描頭在 XY方向的運(yùn)動采用獨立的兩對陶瓷片， 在 Z方向的運(yùn)動由陶瓷管提供。 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)致錯誤。 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) 。 當(dāng) 掃描頭進(jìn)行 光柵式掃描時， 在整個掃描 范圍內(nèi) ， 掃描頭的自由端以弓形（替代平直的線）運(yùn)動。 8所有安捷倫掃描頭在工廠皆經(jīng)過校準(zhǔn)。 圖 真實對標(biāo)準(zhǔn)光柵進(jìn) 行 往返 (Trace and Retrace)掃描 的 橫斷面圖 顯示出掃描頭的 滯 后 效應(yīng)。 ? 滯 后 效應(yīng) (hysteresis)效應(yīng) 是指在某個方向上施加電場 ， 掃 描頭的伸長曲線與 另一方向上施加電場掃描頭收縮的曲線不匹配。 ? 非線性 效應(yīng) (nonlinearity)導(dǎo)致 壓電 材料的 三角波形 的 響應(yīng) 發(fā)生 改變 ， 如 圖 示 。 圖 電壓波形圖應(yīng)用在壓電掃描器上。 ? 當(dāng) 探針進(jìn)行 掃描 時 ，它 在 快速掃描方向 上 （一般為 X方向） 沿一條線運(yùn)動而獲得數(shù)據(jù) 。 ? 當(dāng)對壓電 陶瓷 施加一個電場時， 壓電材料會隨著電場的方向而伸長或收縮。 6 AC模式的數(shù)學(xué)處理在用戶手冊的 AC Mode章節(jié) Advanced Theory部分給予 詳細(xì)的描述。 ? 形貌像成像機(jī)理與 AAC一樣，也是在（ X， Y）平面內(nèi)，每一個數(shù)據(jù)點 Z方向的位置形成了材料表面的形貌像。 ? 在（ X， Y）平面內(nèi) 的 每一個數(shù)據(jù)點 ，探針 Z方向的位置 構(gòu)成 了材料表面的形貌像 。 圖 間隙 接觸模式 AFM原理 ： 在掃描過程中，探針與表面接觸時， 探針 的自由 振幅 發(fā)生衰減。 該模式可以在大氣下對柔軟、易碎和粘附性較強(qiáng)的樣品成像，而對它們不會產(chǎn)生破壞。