扫描探针显微术入门（2 消除各种外界干扰的措施）

本文主要内容来源于V. L. Mironov 的“Fundamentals of scanning probe microscopy”。根据个人对SPM的理解略有改编。

隔振措施

任何一个扫描探针显微镜系统都可以看作为一个具有一个特征共振频率ωk的振子系统。当外界的机械振动频率与ωk一致时，会激发扫描探针显微镜自身的共振，导致探针样品之间的相对振动。这种振动对扫描图像来说是一种周期性噪声。为了减小外部振动对扫描探针显微镜的影响，扫描探针显微镜的机械部件通常由刚性很好的金属制成以使其共振频率很高（通常高于100kHz）。但是扫描器的共振频率相对来说要低的多，尤其是扫描范围越大的扫描器其共振频率越低。因此在现在的SPM系统中，通常要在扫描范围与共振频率间做一个权衡。

隔振系统可以分为被动式隔振和主动式隔振两大类。被动式隔振系统的基本原理如下。外界振动频率与系统本身的共振频率相差越大则系统受外界振动的影响越小。

图 17 被动式隔振系统的隔振原理

因此，被动式隔振系统的共振频率做的尽可能低以此避开外界的高频振动干扰。因此，如果扫描探针显微镜的扫描头放到一个被动式隔振平台上，只有与被动式隔振平台共振频率（5Hz到10Hz）接近的外界振动干扰能够传递到扫描头上，这一部分的外界振动干扰的频率很低。如果扫描头的共振频率较高（10k到100k），则这一部分外界振动干扰对扫描头的影响非常小。通常，为了对共振频率处的噪声进行抑制，隔振系统中会引入一些耗散力。

图 18 典型的被动式隔振系统示意图

根据上面的介绍可知，被动式隔振系统共振频率越低则隔振性能越好。但是我们知道弹簧振子系统的共振频率由如下公式决定。

其中K是弹性系数，m是被动式隔振系统的有效质量。为了让共振频率很低，应选择很小的K和很大的m。但是另一方面弹簧的形变量Δl=mg/K。简单的计算可知，为了让被动式隔振系统的共振频率小于1Hz，弹簧的形变量将大约250mm。整个被动式隔振系统的长度会很长，而这是不实用的。所以，商用的被动式隔振系统的共振频率通常在5Hz到10Hz之间。

主动式隔振系统利用负反馈来抵消外界振动，也常被用作SPM扫描头的隔振。主动式隔振系统基本工作原理如下。在主动式隔振系统的台面上安装加速度传感器，检测台面的振动，并将振动信号输入一个反馈控制系统。反馈控制系统根据检测到的振动信息，驱动压电运动部件（或其他形式的运动部件）产生一个反向的运动以抵消台面收到的外界振动的影响。假设外界振动给台面了一个驱动力，使得台面产生的振动，其振幅为u0：

对应的台面的加速度为

反馈系统作用就是给台面提供一个反向的运动：

 

台面最终的运动为这两个运动的矢量和：

通过反馈控制器的调节，使得台面的加速度趋于0。由于反馈控制器的响应频率有限，主动式隔振系统通常对低频振动的抑制能力比对高频振动的抑制能力要强。这与被动式隔振平台的性能正好互补。因此在SPM的应用场合我们经常能看到在主动式隔振系统之上再加一级被动式隔振平台构成多级隔振系统。

图 19 主动式隔振系统

消除空气中噪声的影响

SPM所面临的另外一个干扰源是外界的噪声。噪声直接作用到SPM扫描头，引起探针样品间的相对振动。可以用各种隔音措施来减少SPM扫描头处的噪声。当然最好的隔绝噪声的办法是将SPM放入真空腔。

图 20 隔绝外界噪声

减少热漂移

影响SPM 探针在样品上定位精度的一个重要问题就是热漂移。环境温度的变化和SPM 仪器本身工作温升都会引起探针相对样品位置的改变。温度变化导致的物体形变量可以如下表示：

这里，uik 为物体的形变张量，aik为物体的热膨胀系数张量。ΔT为温度改变量。对于各向同性的物体，aik退化为热膨胀系数标量。

δik 为Kronecker 张量。

因此，SPM各部件的热膨胀量可以表示为：

热膨胀系数的典型值在10-5 – 10-6 K-1这个数量级上。因此，将一个10 cm 长的物体加热1℃，它的长度会增长约1微米。这种量级的形变量已经可以严重的影响SPM的性能了。为了减少热漂移，需要对SPM扫描头控温。或者在SPM扫描头中使用具有热补偿作用的材料。热补偿的基本基本原理如下。SPM扫描头中热膨胀系数不同的部分用不同的颜色表示（图21）。

图 21 SPM 扫描头的温度补偿方法

为了减小SPM 探针相对样品的热漂移，SPM扫描头上应保证各部分的热膨胀能够相互抵消：

最简单的减小热漂移的方法是SPM扫描头上个部件尽量与SPM扫描头基体（外壳）所用的材料一致。Z方向的长度尽量与外壳在Z方向的尺寸一致。XY方向尽量做到轴对称，探针、样品位于轴对称中心。这样设计后可以保证最小的热漂移。