平台上开发特殊功能扫描探针显微镜

接口和扩展接口&在通用平 台上搭配不同的特征部分"就组装成了各种类型的 8;V仪器&或者针对一些应用比较专业而且生僻的 8;V"由用户按照公开的标准接口和扩展接口定义"自 己开发所需的特 收稿日期!"$$B’$W’!W 基金项目!上海市科委纳米专项基金资助项目 !.%!"#$%&’&%()(#*$%&"#+(#,&%)%-.(!"#$"%"&"’()**+!!!!!!!!!!!! 微纳电子技术!"##$年第%$&期 征部分!如此"就可以在8;V通用平台上开发组装出 各种8;V仪器"以充实国产8;V仪器种类"促进8;V 在多专业领域的应用! 由于8;V通用平台的模块化设计#标准的接 口版本定义和软件的用户级开发和程序封装技 术"使得8;V仪器也可以像;E机一样"拥有很强的兼 容性!各种类间的升级换代#新功能的二次开发及软 件的资源共享"都可以像;E机一样方便!这些特点已 在我公司的产品系列中得到验证! "!8;V通用平台基本原理!技术指标及 功能扩展 "#!!基本原理及组成 8;V的工作原理是基于微观或介观范围的各种 物理特性"通过原子线度的极细探针在被研究物质的 表面上方扫描"检测两者之间的相互作用"以得到被研 究物质的表面特性! 因此"不同类型的8;V之间的主要区别在于它们 的针尖特性及其相应的针尖$样品相互作用方式的不 同%以及相应的前置信号处理&放大电路!根据这一 点"我们设计了8;V通用平台"其核心思想是将8;V 仪器分解成两个大部分"即8;V通用平台和特征部 分!通用平台包括扫描驱动系统#马达驱进系统#环境 减震机构#反馈控制系统#6‘&‘6转换系统#‘G:等计 算机接口#通用的图像处理软件七个部分"是各种8;V 仪器所共有的功能部分’特征部分包括各种8;V探针 结构#相应的信号前置放大器及相应的软件控制模型! 将通用平台划分成几个独立的模块$模块之间有标准 接口"通用平台与特征部分之间也有标准接口和扩展 接口%"并且开放这些接口的定义"这样就构成了8;V 仪器的通用平台! 根据不同种类的8;V"在通用平台上搭配不同的 特征部分"就可以组装开发各种8;V仪器! "#"!技术指标 以下是V*5M.7)/.Cd’G型8;V通用平台的特性 和技术指标! "#"#!!硬件可扩展性 (设定统一软硬件接口"便于二次开发和产品升 级’ (在采集&控制接口部分采用&;;模式并行口采 集&控制系统"共提供!A路6‘#!A路‘6#B"路‘G#B" 路‘:和一个可编程三输出时钟信号源’ (与特征部分之间采用%线标准接口和可由用户 自己定义的扩展接口’ (在主板上提供%路高压信号接口#功能模块扩 展接口及%路高精度马达控制接口! "#"#"!用户级软件可扩展性 用户级可扩展性不同于普通意义的二次开发"通 常的二次开发只提供一些动态库接口"开发方必须全 部重新编制一套完整的软件"包括界面#文件系统#数 据处理算法#软硬件接口等"而我们独创的用户级软件 可扩展性"可以在系统运转的同时"直接在我们的软件 基础上进行功能模块的添加#修改和扩充"而不必重新 编制一套完整软件"方便而可行! 对于较复杂的部分"我们采用封装和自动模板技 术"大大降低对用户软件水平的要求!同时"每一个模 块都是独立的"接口采用我们制定的标准接口方式"而 不必开放太多的技术内容"如此就可以妥善保护各方 面的知识产权! "#"#B!速度与精度 3双6‘$!"位"可扩展为!A位%同步采集"采集速 度大于!$$U@L’ 3双‘6$!"位"可扩展为!A位%同步发送"发送速 度 大于"$$U@L’ 3高压输出Y!W$" Z!W$e"纹波!#W(e’ 3由于低噪声6‘&‘6技术的实现"使得我们独 立知识产权的平衡差分放大技术成为可行!有效信号 采样精度基本达到"$位的精度"同时双通道同步转换 速度达到"$$U@L! "#$!功能扩展 8;V通用平台的最大特点就是为8;V家族中众 多种类仪器的开发提供了一个高精度#开放接口#便于 升级和扩展的软硬件基础!我们目前所有的产品系列 包括8?V#6]V#轻敲模式6]V#V]V和其它几个纳 米级定位应用系统"都是在8;V通用平台的基础上开 发完成的! 在8;V通用平台上进行功能扩展有三种方法)一 是选购现有的功能模块进行组装"实现产品升级换代’ 二是针对一些特殊应用的8;V"由用户按照公开的标 准接口和扩展接口定义以及软件开发模板"自己开发 所需的特征功能部分"装载到8;V通用平台上’三是 软件功能扩展"我们所有的软件都是模块化设计"当有 新的功能模块开发完成后"您可以从我们的网站上下 载软件模块"直接安装到计算机上"使您的软件应用系 统始终处于最先进的状态! "/’!智能型+5<通用平台 在V*5M.7)/.Cd’G型8;V通用平台的基础上" 我们继续开发GG型$智能型%通用平台!GG型通用平台 根据人体神经系统控制原理"采用分级控制方法"对整 个系统进行状态检测#数据采集和行为控制!整个控 !.&微纳电子技术!"##$年第%!&期!!!!!!!!!!!! !"#$%&’&%()(#*$%&"#+(#,&%)%-.!!"#$!%"&"’()**+ 制体系分为计算机!中枢控制器和前置控制器三级" 中枢控制器为VEF#有两种类型$一种使用‘8;# 它除了作为中枢控制器外#还可以承担系统的数据信 号处理任务%另一种使用6eb 单片机#一般只作为中 枢控制器"这两种VEF都具有在线下载功能#其中的 控制程序都可由计算机通过&;;下载"一台计算机可 以同时控制"WA个中枢控制器" 前置控制器也有两种#一种使用带 VEF的智能 控制器件#控制程序可由中枢控制器下载%另一种为 ;_‘器件"中枢控制器和前置控制器间通过G"E总线 进行通讯"每个中枢控制器可以同时控制若干个前置 控制器" 如此就构成了全智能!现场可升级修改的通用控 制平台"针对不同的应用#只需编制不同的中枢控制 器软件和前置控制器软件#现场下载到中枢控制器和 前置控制器中即可#而且除了最前端的执行器外#整个 硬件控制系统都不必作任何改动#这样就可以极大地 加快大型智能型计算机控制系统的开发和改造速度" B!结束语 通用!开放!兼容是我们开发8;V仪器的指导思 想和核心理念"8;V是一种极具潜力的检测分析仪 器#甚至可以说是一种微加工设备#其种类和功能在今 后将有长足的发展和突破"然而#各家关起门来打造 各成体系的仪器#是不利于其发展的"目前的8;V产 品种类单调#功能也有很大的局限#这从很大程度上延 滞了8;V市场的成长"只有规范通用标准的软硬件 接口#并且开放接口#使其兼容#才能够使各家集中精 力发展自己的优势#并为优势的互相整合提供可行的 途径#最终打造出整体品质优良!功能强大的8;V仪 器#以适应市场发展的需要" 技术的快速发展需要开放#这是必然的趋势#而开 放又需要保护和规范做前提#这看似矛盾#但;E机的 发展史已经为"!世纪技术发展提供了一个成功的典 范"8;V通用平台是我们为此所做的一些尝试和努 力#希望引起整个行业对8;V仪器通用!开放!兼容性 发展的重视#并共同努力#为纳米技术大业的发展利其 器#善其事" 作者简介! 赵于勒!男#上海卓伦微纳米设备有限公司总工程师#主持开发了 V*5M.7)/.系列扫描隧道显微镜!原子力显微镜!磁力显微镜等8;V仪 器" !..!"#$%&’&%()(#*$%&"#+(#,&%)%-.&!"#$"%"&"’()**+!!!!!!!!!!!! 微纳电子技术!"##$年第%"&期 在SPM通用平台上开发特殊功能扫描探针显微镜 作者： 赵于勒 作者单位： 上海卓伦微纳米设备有限公司,上海,200125 刊名： 微纳电子技术 英文刊名： MICRONANOELECTRONIC TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2003，40(7) 被引用次数： 0次 相似文献(10条) 1.学位 柯锦玲 扫描探针显微镜在聚合物中的应用研究 2004 以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为例的系列扫描探针显微镜,简称SPM.本文简单介绍了SPM在高分子材料中的一些应用成果,并利用HL-Ⅱ型扫描探 针显微镜探测聚合物共混物的原子级微区结构,为相容性-相态结构-界面结构-材料性能的研究提供一种更直观的表征方法和手段,研究内容如下:1.扫描 探针显微镜用样品的制备方法研究,实验发现利用扫描探针显微镜观察其试样的表面,能得到聚合物共混物熔体表层的聚集态结构信息,反映不同成型加工 方法对聚合物熔体聚集态结构的影响.2.利用HL-Ⅱ型扫描探针显微镜观察聚烯烃观察不同型号聚烯烃树脂在注射成型中的流动取向和吹塑薄膜的拉伸取 向态结构,利用SPM图片,分析树脂的分子结构特性、物理特性以及加工热历史等综合因素对高分子取向结构的影响.结果表明:结构越规整,取向程度越高 ;结晶速率越慢,取向态结构越规整;晶态聚合物的取向包括非晶区的取向,球晶、微晶、片晶以及折叠链等结构的取向.3.利用HL-Ⅱ型扫描探针显微镜观 察120℃的结晶炉里不同的结晶时间,聚丙烯球晶的生长情况,结果发现:结晶时间越长,冷却速度越慢,直径越大;异相成核有助于球晶生长;扫描探针显微 镜所观察到的片晶生长成褶皱状,褶皱的排列方向垂直于球晶中径向纤维晶生长的方向,褶皱片的方向是折叠链晶片扭曲生长的方向.4.利用HL-Ⅱ型扫描 探针显微镜观察观察增韧改性PVC薄片的表面形貌,初步直观地揭示并解释了ACR和CPE对PVC树脂不同的改性机理:SPM图片显示CPE/PVC能形成一种网状结 构,ACR/PVC体系成海岛分布.扫描探针显微镜制样方便,成本低,在聚合物聚集态结构的研究以及聚合物共混改性研究中的应用空间很广阔,本课题经大量 实验,初步建立了聚乙烯聚丙烯树脂拉伸取向态结构形貌、聚丙烯球晶结构形貌以及CPE/PVCACR/PVC增韧体系形貌的SPM图片库. 2.学位论文 胡永康 扫描探针显微镜的研究及应用 2000 原子力显微镜(AFM)是新一代的扫描探针显微镜(SPM),不仅可适用于导体、半导体、绝缘体样品,并且不受样品是否具周期性的限制;还可适用于各种 环境,特别是各种液体环境.该文详细阐述了原子力显微镜的基本概念和基本原理,对原子力显微镜的系统结构进行了详尽的介绍,并用ATM系统研究了在 SiO<,2>衬底上生长GaN缓冲层的工艺.光子扫描隧道显微镜(PSTM)是另一种扫描探针显微镜,它可测样品的折射率,而且适合于激光微切割生物样品方面的 应用.所以研究集成原子力显微镜和光子扫描隧道显微镜与一体的扫描探针显微镜"AFM/PSTM"具有非常重要的意义. 3.期刊论文 赵于勒 在SPM通用平台上自己开发组装扫描探针显微镜 -现代科学仪器2003,""(3) SPM通用平台是一套扫描探针显微镜开发工具系统,它提供了一种开发生产SPM新的思路和方法,使SPM成为通用、开放、兼容的仪器体系.本文介绍了 SPM通用平台的原理、指标和在其上扩展扫描隧道显微镜、原子力显微镜等功能模块的方法,以及智能型SPM通用平台的研究思路.希望与相关领域的专家 开展合作. 4.学位论文 朱松 扫描隧道显微镜及其微定位和加工技术的研究 1997 该文简介了扫描探针显微镜(SPM)的国内外发展概况和研究的重大意义,探讨了适用于扫描隧道显微镜(STM)的大范围纳米级定位技术,对STM在纳米加 工中的应用作了初步的试验. 5.期刊论文 吴浚瀚.杨德亮.吴浚泓.袁伟华.黄桂珍.牟涛.商广义.万立骏.白春礼 开放式多功能扫描探针显微镜系 统 -现代科学仪器2003,""(2) 开放式多功能扫描探针显微镜、集成扫描隧道显微镜、原子力显微镜、横向力显微镜和静电力显微镜,具有接触、半接触和非接触工作模式,可进行 作用力、电流、电位、光能量等参数的高度局域综合测量,具有极高的开放性和可扩展性,支持用户进行二次开发. 6.学位论文 丁喜冬 扫描探针显微镜的几种动态测量新技术及其应用研究 2007 扫描探针显微镜(SPM)的主要成员包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。目前，SPM已经成为纳米尺度测量及操纵的不可缺少的重要工具 ，在科学研究和工业领域得到了越来越广泛的应用。SPM仪器本身也在不断的发展之中，具备新功能的SPM仪器类型不断出现。SPM的动态测量在探针或样 品上施加某种激发或者振动并测量探针一样品之间的相互作用，是SPM仪器技术的重要组成部分。近年来，SPM的动态测量技术得到了很大的发展，成为 SPM及其应用研究的热点领域，越来越受到人们的重视。 本论文首先对SPM的发展进行了简要介绍，接着综述了SPM动态测量技术的研究进展；然后介绍了作为本论文仪器基础的SPM技术平台的建立；进而重 点论述了本文在隧穿和介电损耗、纳米阻抗、热激发力测量等方面的创新技术及其应用研究的结果。 本论文的主要研究内容及成果如下： 1，建立了一套SPM技术平台。该技术平台具备较高的稳定性和开放式的系统结构，可用于新SPM技术及其应用的研究。其形貌图的横向分辨率为 0.1nm，纵向分辨率为0.01nm。其技术达到了相关国际产品的先进水平，并通过了由广东省科技厅组织的科技成果鉴定。 2，发明了一种基于SPM的微区隧穿损耗的测量方法和一种微区介电损耗的测量方法，并开展了相关的应用研究。这些方法以损耗角随频率变化曲线 的峰值附近的频率为工作频率，以交变电流信号的相位(损耗角)为反馈量，获得损耗的纳米微区分布的二维图。在一次扫描中可获得样品的表面形貌、 交流幅值以及损耗等多幅图像。其中隧穿损耗的测量方法可望发展为材料表面原子和分子种类的识别技术，其工作原理和技术具有原创性。 3，开展了纳米阻抗等微区电特性测量技术及其应用研究，并致力于仪器的商品化。在一次扫描过程中同时测量了多晶氧化锌陶瓷材料的表面形貌、 直流电阻及交流阻抗的二维分布；得到了其多个晶粒的不同位置的电流.电压曲线和阻抗谱，证实了它们之间存在的显著的电特性差异。本实验为微区电 特性测量技术的应用提供了一个方法上的范例，同时说明了纳米阻抗技术在多晶材料的结构、性能及其相互关系等方面所具有的明确的应用前景。 4，发明了一种在STM中利用探针自身热振动来测量探针一样品之间的相互作用力的新方法，并开展了相关的应用研究。该方法通过对STM中的隧道电 流信号的频谱分析得到探针的本征频率，并通过理论分析得到了该本征频率与探针一样品相互作用力的定量关系。其力梯度测量精度优于0.1N/m，力分 辨率约为0.1pN。首次利用该方法在大气环境下测量了高定向裂解石墨(HOPG)、金、铂等样品与铂一铱合金探针之间的相互作用力，得到了相应的力一距 离曲线。将实验结果与传统AFM的力一距离进行了比较，并对所测得的相互作用力进行了初步的理论分析。对HOPG样品，得到了与作用力有关的多个特征 参数，如原子尺度的弹性模量、探针一样品问相互作用的结合能及其力衰减长度。STM的热振动力测量方法为隧穿过程中力的测量提供了新的技术手段。 该方法具有原创性，在原子尺度的短程力研究以及表面原子、分子或结构的识别等方面具有非常明确而广泛的应用前景。 7.学位论文 黄自元 扫描探针显微镜智能自动化策略研究及应用 2004 纳米科技已经成为二十一世纪最核心的技术之一,而纳米科技的竞争,很大程度上体现在纳米表征和纳米操纵仪器的竞争.提高作为纳米科技的"眼"和 "手"的扫描探针显微镜(SPM)的测量和定位精度,是纳米仪器界始终追求的目标.本文就扫描探针显微镜自动化关键技术—压电执行器的滞后补偿控制和非 线性、非正交误差校正以及SPM标定等问题,进行了深入分析和应用研究. 8.期刊论文 王林.李达成.曹芒.曹世志.L.Koenders.U.Kuetgens.P.Becker.Wang Lin.Li Dacheng.Cao Mang.Cao Shizhi.L.Koenders.U.Kuetgens.P.Becker X射线干涉仪实现扫描探针显微镜样板线间距纳米测量 -光学学报 2000,20(12) X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位，可以实现亚纳米精度的微位移测量。提出了将X射线干涉仪和扫描隧道显微镜结合起来，利用 单晶硅的晶格尺度测量扫描探针显微镜样板节距的技术方案，并进行了实验研究。 9.学位论文 李银丽 多功能扫描探针显微镜的研制和应用 2005 扫描探针显微镜是近二十几年发展起来的一种纳米分辨的成像分析仪器，它利用细小的扫描探针来探测样品表面的细微信息，突破了常规光学显微 镜衍射极限的限制，可对样品表面纳米尺度信息进行扫描成像，是纳米科学技术发展中重要的测量工具。 该文的主要是多功能扫描探针显微镜(即原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)和原子力与反射式扫描近场光学组合显微镜(AF/RSNOM))的研制 和应用。 论文内容主要分为五个部分。 第一部分是有关显微镜的历史进展及其原理和应用，从显微镜的应用着手，简要介绍了从普通显微镜到扫描探针显微镜的发展过程和各种显微镜的 特点，并介绍了扫描隧道显微镜、原子力显微镜和扫描近场光学显微镜的工作原理，然后着重介绍了近场光学成像的原理和近场光学的探测方法，并比 较了各种探测方法的优缺点。在对比了目前唯一的扫描近场光学显微镜商品——小孔径扫描探针显微镜(A-SNOM)和光子扫描隧道显微镜(PSTM)之后，提 出发展PSTM的优势，这是课题的起始缘由。 第二部分介绍了近场光学的理论研究方法，从宏观近场光学理论开始，介绍了麦克斯韦方程和边界条件方法、应用于小起伏样品的微扰近似方法、 适合于局域变化大的多极子展开法和适合于模拟几何空间尺寸在几个波长数量级的时域有限差分法。在介观和微观近场光学理论中，则介绍了以散射理 论为基础的格林函数方法和极化率方法，它们虽然避免了边界条件的求解问题，但也只有简单系统的格林并矢才比较容易求出其解析解的形式。这些理 论方法是近场光学理论研究的基础。 第三部分详细介绍了原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)的研制过程和实验结果。因为一般的PSTM系统的光学图像中存在假像，因此在详细 介绍了消假像理论的基础上开展了AF/PSTM的研制工作。从系统的设计要求开始，逐步介绍了AF/PSTM的主机设计、电子系统设计、处理软件设计和 AF/PSTM的主要部件如弯光纤探针和扫描压电陶瓷的设计，并介绍了易于调节的非相干、p偏振光对称照明系统的实现方法和扫描图像的采集及图像的物 理意义。其中为实现非相干、p偏振光对称照明，设计了提高p波偏振度的全内反射样品台，两个半导体激光器发出的偏振光从对称方向以布儒斯特角在 水平方向入射，然后在样品上方同一个位置发生全内反射。采用水平方向入射解决了全内反射对称照明光束的调整难题，同时，采用两个激光器可以实 现非相干光照明，使得光学图像不受干涉条纹的影响，保证了光学图像的质量。在仪器研制成功后对仪器的功能进行了考核和大量实验。并将AF/PSTM扫 描成像技术应用于纳米燃油添加剂的检测之中，得到了与实际测试一致的实验结果，说明AF/PSTM扫描成像技术有可能成为纳米燃油添加剂的一种检测手 段，从而节省高昂的测试费用；此外，还将AF/PSTM技术应用于免疫复合物的检测之中，得到了预期的实验结果。 第四部分是轻敲模式的原子力与反射式扫描近场光学组合显微镜(AF/RSNOM)的研制和应用，它是在AF/PSTM的基础上研制开发的。首先分析了现有的 反射式光学显微镜(RSNOM)，从理论和实验两个方面的分析中上提出研制AF/RSNOM的意义。在介绍了AF/RSNOM的工作原理和图像采集之后给出了的实验结 果。 文章的最后一部分是总结和展望，提出了该课题存在的问题和发展的方向。 论文的研究结果表明： ●AF/PSTM达到了设计的目的，即可以获得超衍射极限的分辨率、同时获得样品的AFM图像和光学图像、消除了不对称照明引起的光学假像、可以应 用于多种样品的检测中，在生物医学、纳米科技等领域中具有重要的应用价值。 ●轻敲模式的AF/RSNOM采用同一个光纤探针在样品近场范围内照明样品为系统带来了均匀的照明光源和简洁的操作方法，而且有轻敲模式的 AF/RSNOM获得的样品光学图像的信噪比高于没有轻敲模式的RSNOM的光学图像。 10.期刊论文 傅星.胡小唐.FU Xing.HU Xiao-tang 一种适用于扫描探针显微镜的符合扫描模式 -半导体光电 1999,""(3) 扫描模式问题是长期困扰包括扫描隧道显微镜(STM),原子力显微镜(AFM)在内的扫描探针显微镜(SPM)测量精度和速度的关键问题.理论与实验均表明 :"符合扫描"消除了原有扫描模式带来的测量误差.这种模式还使测量速度提高了约70%,不仅可以使现在的观察型STM的性能得到提高,而更重要的是对 SPM从观察型向计量型的转变在扫描模式方面提供了保障,对原子量级信息读取速度和精度的提高也具有重要意义. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wndzjs200307057.aspx 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