安捷伦培训手册

安捷伦培训手册内容摘要：

ace和 retrace的形貌像 (a)和横截面 (b)。 • 弓形 （ Bow） 效应 ：扫描头一端固定，附加针尖的一端自由。 当 扫描头进行 光栅式扫描时， 在整个扫描 范围内 ， 扫描头的自由端以弓形（替代平直的线）运动。 这种不利的效应称为弓形 效应 ，如下图 、。 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 18 图 在扫描过程中，扫描头的自由端按弧形运动，产生一个弓形图像。 该效应在平滑的表面作大范围扫描时尤为明显。 图 通过形貌像（ 上 ）获得横断面曲线 (下 )显示出扫描头的弓形效应。 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 19 • 在成像过程中，部分弓形效应可以通过软件进行消除，如图。 通过对一个 buffer（显示为黄色）数据 进行 不同阶数 （ order） 9处理。 与其它 buffer（显示黑色）相比，弓形效应可以被去除。 然而，如果选择的 order不恰当，可能在图像中引入假象 从 而导致错误。 图 经图像处理后消除弓形（黄线）的横截面。 • 交叉耦合 （ Cross coupling）效应 是指扫描头 沿某一个轴（通常为 X或 Y轴）移动 导致 在 其它轴 向上 （通常为 Z轴）一些不必要的移动 ，如图。 管状扫描头对几何学上的交叉耦合更加敏感，主要是由于 一个单一的四象限管可以在三个轴方向上提供运动。 安捷伦专利扫描头在 XY方向的运动采用独立的两对陶瓷片， 在 Z方向的运动由陶瓷管提供。 这种结构设计有助于减少不同轴之间的交叉耦合。 图 扫描头的交叉耦合效应。 • 老化 （ Aging）效应 是指压电陶瓷依赖时间的效应， 即 在一段时间内，扫描头灵敏度（单位电场 压电陶瓷的伸长） 随 时间的 衰减 过程， 一般为指数关系。 在开始的安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 20 几小时内，扫描头衰减较大。 因此，安捷伦 扫描头在校准之前，在工厂已经经过充分 的 时间 锻炼。 在此之后，扫描头的老化速率相当的慢 ，同时与使用的时间有关系。 在一个相当长的周期内，采用校准是完全可行的。 为了获得正确的 图 像，经过 长时间的使用， 扫描头 需要进行 校准。 图 扫描头的 老化 效应 示意图。 • 蠕变 （ Creep）效应 是指 在 扫描头扫描过程中，扫描头电压偏移量 有 一个 突变 ，导致扫描头产生一个延时 的 位移 现象 ，如图。 由于蠕变 效应的存在 ，在 一个突变 电压偏移之后， 同步 的 扫描头 仅 仅获得部分 位移量 ， 通常为 98%， 甚至更多。 剩余的位移量通常移动的很慢，一般大约需要 10 100秒。 由于 剩余 移动 量移动 的很慢，蠕变经常出现在某个方向偏移量出现伸长的特征。 这可能在执行 某些功 能时导致一些困难，例如在平面内放大或者重新设置扫描中心，这 些 皆存在 偏移 量。 图 扫描头在垂直方向上的蠕变效应：在台阶的边界处过调节。 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 21 图。 • 压电材料自身固有的非理想性能，例如非线性 (nonlinearity)，滞 后 现象 (hysteresis), 弓形 (bow), 蠕变 (creep), 老化 (aging), 交叉耦合 (crosscoupling) 等。 它 们彼此之间并非 是 相互独立的。 图 扫描头在台阶处滞后效用、蠕变以及交叉耦合效应的综合作用结果。 9 关于阶数更多的信息，请参阅第五部分：图像处理。 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 22 3. 反馈（ Servo or Feedback）控制 • 图像的质量依赖于 相关的扫描参数和实验状态。 用户需要优化扫描参数进而获得所 期望的高质量图像。 • 一些经常用到的参数主要位于 ‘Servo Control’ 和 ‘Scan and Approach Control’菜单下。 • 在 反馈（ Servo） 系统中的积分增益（ Integral ‘I’）和比例增益（ Proportional ‘P’）直接影响 扫描头 压电陶瓷 对 反馈 系统信号做出反应，包括 STM的隧穿电流， 接触模式的误差信号，轻敲模式的振幅信号 • 如果增益设置太低，扫描头 将 跟 不 上形貌 的起伏变化，图像变得模糊不清。 (a) (b) 图 图显示出积分增益对形貌图（上面）和横截面图（下面）的影响 (a)增益过低 (b)正确增益。 • 如果 I太高，扫描头将出现过调节，结果导致振荡的出现。 如图 （ 在实时的水平横截面曲线 上 可以观察到振荡的出现。 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 23 图 （上）和横截面图（下 ）的影响。 (a) (b) 图 积分增益 I对误差信号图像的影响（ a）增益过低（ b）增益过高 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 24 • I 值应当调节到 形貌像的对比度和细节尽可能的达到我们所期望的，同时要保持反馈的稳定，无振荡信号。 • 适当的增加 I值，可以保证 反馈 系统信号尽可能接近 Setoint值，以保证尽可能低的误差信号，包括 STM的隧穿电流，接触模式的误差信号，轻敲模式的振幅信号 • 较高的 I值可以提高形貌像的质量，但会改变误差信号图像的质量。 这种现象可以在图。 • 一个最佳的 I值（不 高也不低）要同时满足形貌像和误差信号通道 ，从而 获得高质量的图像。 • 伺服系统中的 P部分 是对瞬时 误差信号起作用 （ I提供一个 非 平均效应） ，因此 只会影响信号的高频部分。 I对 反馈 系统比 P更敏感。 在增加图像质量时，优先调整 I，再调整 P。 • 反馈 系统范围（ Servo range）给出了压电陶瓷 Z向的最大位移范围。 减少 Servo range可以增加垂直方向的分辨率。 这对平滑的表面是非常有用的。 但必须注意 servo range不能低于扫描范围的最高值。 • Setpoint决定 着 针尖如何 很 好的跟踪样品 表面以及针尖和样品 之间 的相互作用。 因此， Setpoint应该给与 适当 调整，原则 上 是让针尖在材料表面的轨迹尽可能准确，界面相互作用应该尽可能的小。 增加界面相互作用（例如 AFM中的力）可能给样品带来意想不到的改变，而减小界面相互作用可能使成像变得不稳定甚至不能成像。 •对于 servo而言， 扫描速度（ Scan speed）或针尖速度（ Tip velocity） 可以决定 多少时间是用来改变样品和探针的相互作用 而 做出反应。 主要依靠两个参数：扫描速度和扫描尺寸。 • 扫描速率 （ Scan speed） 决定针尖每秒执行 Trace / Retrace和线（ line）的数量。 扫描速度的选择依靠扫描尺寸和样品形貌高度特征。 一个简单原则是：粗糙的表面需要更多的反馈跟踪时间（ Servo tracking time），因此 需要更慢的扫描速度，反之亦然。 • 一般 来说，液体中的扫描速度要比空气中的扫描速度慢。 • 相同的扫描 尺寸下 增加扫描速率或者相同的扫描速率 下 增加扫描 尺寸皆 可以增加安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 25 探针速度。 对 servo而言，这相当于减少反应时间，从而探针对材料表面 跟踪 相对较差。 如果必须增加扫描速度（或探针速度） ，可以使用更高的 Servo gains来获得更快的 servo反应。 • 其它 的 ‘Servo’ 和 ‘Scan’ 控制 还 包括 servo offset, scan origin (offset) and rotation, scan tilt (correction), overscan等。 关于这些参数更 详细 的信息 请参阅 PicoScan User’s Manual。 • 对于某 些 固定的设置 ， 包括 scanning mode, type of tip, sample, environment等，一组特定 的扫描参数 (servo gains, setpoint, scan rate etc.)可以标准化。 一旦 某 种或多种条件发生改变，上述标准设置 将 变得不合适。 因此， 一个新的应用必须伴随着一组新的标准参数。 也就是说，扫描参数随着条件的不同而改变。 安捷伦科技有限公司 纳米 测量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷伦科技有限公司 SPM系统培训文件 26 4. 探针（ Probes） • SPM 探针由 AFM探针和 STM探针组成。 AFM探针一般。