顯微鏡,顯微鏡價格,顯微鏡的價格

　　納米粗糙度

　　閱讀次數(shù)：1505次懸賞分：0 | 解決時光：2007-5-2 09:58 | 提問者：mig29dxm

　　哪位能幫忙說明一下普通粗糙度和納米粗糙度之間丈量，評定的不同~~

　　Zui佳答案

　　1 引言納米技巧是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的高新科技。近年來,隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展,對各種納米器件表面精度的要求也越來越高,如在半導(dǎo)體掩膜、磁盤、宇宙空間用光學(xué)鏡片、環(huán)形激光陀螺等中,均已提出表面粗糙度的均方根小于1nm的請求。要實現(xiàn)這么高精度的非常光滑表面,測量儀器的辨別力首先要到達(dá)納米量級。然而,目前的表面粗糙度測量儀,如:自聚焦測量儀,固然Z向分辨力可以到達(dá)小于5nm,但是X-Y向分辯力卻只有1μm掃描探針顯微鏡,不能滿足納米標(biāo)準(zhǔn)形貌研究的要求,于是急切要求找到一種在X、Y、Z三個方向的分辨力均能達(dá)到納米量級的表面粗糙度測量方式。以掃描隧道顯微鏡(STM)與原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描隧道顯微鏡(SPM)技巧,由于其超高分辯力,完整能滿足這種渺小尺寸的測量要求。其中AFM 由于測量不受樣品導(dǎo)電性的限制,運用范疇更廣。AFM 的掃描過程是由壓電陶瓷驅(qū)動樣品移動的,由于壓電陶瓷的伸縮變形量非常渺小,一般而言,掌握電壓每轉(zhuǎn)變1V,伸縮量僅轉(zhuǎn)變幾個納米STM,因此,AFM 能夠很好地滿足納米標(biāo)準(zhǔn)形貌研討的請求。本文首先具體論述了表面粗糙度及其重要評定參數(shù)第25卷第4期2003年8月光學(xué)儀器OPTICALINSTRUMENTSVol.25,No.4August,2003* 收稿日期:2002-02-23作者簡介:陳英飛(1977-),女,浙江臨海人,浙江大學(xué)碩士研討生,從事原子力顯微鏡硬件系統(tǒng)優(yōu)化方面的研討。的概念,扼要先容了用于納米粗糙度測量的AFM 儀器體系,重點先容了實現(xiàn)這種粗糙度丈量的軟件實現(xiàn)辦法,并對得到的實驗成果進(jìn)行了扼要的剖析。2 原理及方式2.1 粗糙度的概念及重要評定參數(shù)表面粗糙度(原稱表面光潔度)是反應(yīng)零件表面微觀幾何外形誤差的一個主要指標(biāo)。它重要由加工進(jìn)程中刀具和零件表面之間的摩擦,切屑分別時的塑性變形和金屬撕裂,以及工藝系統(tǒng)中存在的高頻振動等原因所形成的。表面粗糙度的評定參數(shù)很多,其中輪廓算術(shù)均勻偏差Ra、微觀不平度十點高度Rz、輪廓Zui大高度Ry這3個與微觀不平度高度特征有關(guān)的表面粗糙度參數(shù),由于各自不同的長處,成為被世界各國普遍用作產(chǎn)業(yè)尺度中的三個輪廓高度評定參數(shù)。因此,選用Ra、Rz、Ry作為系統(tǒng)納米粗糙度測量的三個輪廓高度評定參數(shù)。輪廓算術(shù)平均偏差(Arithmeticalmeandeviationoftheprofile)Ra為取樣長度內(nèi)輪廓偏距盡對值的算術(shù)平均值(如圖1所示)原子力顯微鏡:Ra= 1n∑ ni=1|yi| (1)yi為基于中線的表面輪廓高度,n為所取的輪廓偏距數(shù)。圖1 表面粗糙度Ra示意圖微觀不平度十點高度(Tenpointheightofirregularities)Rz是指在取樣長度內(nèi)五個Zui大的輪廓峰高的均勻值和五個Zui大的輪廓谷深的平均值之和。Rz= ∑5i=1ypi+∑5i=1( yvi)/5 (2)輪廓Zui大高度(Maximumheightoftheprofile)Ry為取樣長度內(nèi)輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的間隔:Ry= maxRi(0≤ i≤ k)Ri= ypi+ y< == vi(3)式中,ypi,yvi分辨為第i個輪廓峰高和第i個輪廓谷深,k為取樣長度內(nèi)的峰谷個數(shù)。由于實際須要,為了更好地表征樣品表面的幾何外形,經(jīng)常還需測量面粗糙度。面粗糙度中與微觀不平度高度特征有關(guān)的三個表面粗糙度評定參數(shù)Ra、Rz、Ry公式與線粗糙度的公式相似,所不同的是面粗糙度公式包括X、Y兩個方向。由于篇幅有限,這里就不再反復(fù)給出。2.2 AFM 儀器系統(tǒng)AFM 的工作原理是基于原子與原子之間的相互作用力。當(dāng)一根十分尖利的微探針在縱向充足逼近樣品表面至數(shù)納米甚至更小間距時,微探針尖真?zhèn)€原子和樣品表面的原子之間將發(fā)生相互作用的原子力。原子力的大小與間距之間存在必定的曲線關(guān)系。通過檢測原子間的作用力可以獲得樣品表面的微觀形貌。AFM 通過光電探測器把這種作用力信息轉(zhuǎn)化為電壓信息,Zui后顯示為灰度圖。只要讀取AFM 圖像中某·26· 光學(xué)儀器第25卷條掃描線(橫向或縱向)或者某個區(qū)域的灰度值并將其還原為高度值。然后根據(jù)線粗糙度或面粗糙度的Ra、Rz、Ry表達(dá)式就可以求出相應(yīng)的線或面粗糙度值。圖2所示為AFM 的機、光、電、算系統(tǒng)框圖。通過光束偏轉(zhuǎn)法將微弱的原子力轉(zhuǎn)化為放大的偏轉(zhuǎn)位移量,由地位敏感元件(PSD)接受反射光束。然后經(jīng)過前置放大電路將PSD輸出的光電流信號放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號,再通過A/D接口將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸進(jìn)計算機,從而顯示出樣品形貌。同時計算機通過D/A接口把持掃描電路,實現(xiàn)樣品相對于探針的橫向掃描(即XY掃描)。掃描采取恒力模式,即探針與樣品在掃描進(jìn)程中堅持必定的縱向即(Z向)間距,為此引進(jìn)了比例-積分-微分(PID)反饋節(jié)制電路體系STM。為有效實現(xiàn)AFM 微探針的安裝、激光光斑的對準(zhǔn),以及探針-樣品間的微進(jìn)給等操作,引進(jìn)了CCD顯微攝像監(jiān)控系統(tǒng),在監(jiān)督器監(jiān)控下,這些操作直觀而便捷,進(jìn)步了儀器的可操作性。XYZ掃描把持器由三根相互垂直的管狀壓電陶瓷與樣品臺組成,它可以在保證分辨力的同時獲得較大的動態(tài)掃描范疇,而十字架的穩(wěn)固構(gòu)造,又使其實用于較大或較重的樣品掃描。圖2 AFM 系統(tǒng)框圖2.3 軟件設(shè)計為獲得樣品表面的粗糙度,更好地懂得樣品表面的微觀幾何形狀,針對上述的AFM 系統(tǒng)和適用化的要求,設(shè)計了在不同型號的盤算機和不同操作系統(tǒng)下均能有效工作的AFM 系統(tǒng)軟件。體系軟件分為兩部分:圖像掃描部分和圖像處置部分。圖像掃描部分,軟件供給了良好的掃描界面和參數(shù)設(shè)置功效,可對掃描規(guī)模、掃描速度、掃描偏移量等進(jìn)行實時調(diào)劑,并選擇圖像像素和圖像亮度閾值的大小。掃描獲得的圖像可在顯示框內(nèi)實時地反復(fù)顯示。掃描進(jìn)程中可依據(jù)須要捕捉圖像并存儲到計算機中,圖像的捕捉操作可持續(xù)進(jìn)行,以便對樣品作實時的在線檢測。圖像處置部分,軟件供給多種圖像顯示功效?？蓪D像作平面顯示、三維立體顯示和截面線顯示。實現(xiàn)圖像的反色、線性變換、灰度拉伸、平滑、濾波、銳化、反轉(zhuǎn)、裁剪、縮放、二值化、直方圖統(tǒng)計、粒徑統(tǒng)計等處置。獲得待測樣品的AFM 圖像(每幅圖像存有400×400或180×180個信息點)后,只要選取顯示橫向或縱向線粗糙度,并通過鼠標(biāo)在圖像中拾取一點坐標(biāo)值(X,Y),盤算機就讀取該坐標(biāo)點所在地位的一條橫向掃描線或縱向線上的400(或180)個信息點的Z值。并將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)點實際代表的高度值,就可將具有雷同X值或Y值的數(shù)據(jù)點的Z高度變更曲線即X或Y向的截面線顯示出來,從而形象地表現(xiàn)出樣品表面的微觀幾何形狀。同時依據(jù)粗糙度Ra、Rz、Ry公式,盤算出該坐標(biāo)點所在地位的橫向或縱向截面線的粗糙度并顯示出來。相似地,用鼠標(biāo)在圖像中拾取一區(qū)域,計算機將讀取該區(qū)域內(nèi)所有信息點并依據(jù)面粗糙度公式計算該區(qū)域的Ra、Rz、Ry值,從而獲得相應(yīng)區(qū)域的微觀幾何外形。3 試驗及成果剖析為了檢測AFM 在表面粗糙度測量中的精度,進(jìn)行了大批的試驗測試。首先,在石英玻璃表面進(jìn)行了第4期陳英飛等: 原子力顯微鏡在納米粗糙度測量中的利用·27·一維橫向和縱向線粗糙度的測定。如圖3所示為石英玻璃表面(圖像大小為1700nm×1700nm),取樣長度L為1700nm的一維橫向截面線圖及其線粗糙度數(shù)值顯示框圖(縱向截面線圖相似,由于篇幅有限,這里不再給出)。由圖可見,AFM 圖在X、Y、Z三個方向上的粗糙度辨別力均到達(dá)了納米量級。石英玻璃表面Zui大峰高為4nm,Zui大谷深為4nm,0nm處的虛線為表面粗糙度的測量基準(zhǔn)線(基準(zhǔn)線采取中線制)。并且,在截面圖的下方分辨顯示出了表面輪廓算術(shù)均勻偏差Ra為1nm,微觀不平度十點高度Rz為2nm,輪廓Zui大高度Ry為8nm?？梢?AFM 用于表面粗糙度測量已完整達(dá)到納米量級。圖3 石英玻璃形貌圖和橫向截面線及粗糙度顯示框圖圖4 石英玻璃面粗糙度測量(a) 表面形貌圖(b) 面粗糙度顯示框圖圖5 藍(lán)寶石基底上ZnO薄膜面粗糙度測量(a) 表面形貌圖(b) 面粗糙度顯示框圖·28· 光學(xué)儀器第25卷對于AFM 在面粗糙度測量中的精度測定,分離在藍(lán)寶石基底上的ZnO薄膜表面和石英玻璃表面拾取了雷同大小的區(qū)域(圖像大小均為1000nm×1000nm),進(jìn)行了面粗糙度的測量和比擬。如圖4和圖5所示,圖中(a)為拾取的AFM 形貌圖,(b)為相應(yīng)的面粗糙度數(shù)值顯示框圖。由圖可見,兩幅圖中,三個粗糙度評定參數(shù)都達(dá)到了納米量級,其中石英玻璃表面的Ra值(1nm)比ZnO薄膜表面的Ra值(6nm)要小的多。4 結(jié)論表面粗糙度的測量是檢測資料表面功效中必不可少的一個環(huán)節(jié),隨著納米技巧的敏捷發(fā)展,必將對表面粗糙度的測量精度提出越來越高的要求。原子力顯微鏡是一種具有納米級辨別力的表面顯微剖析儀器,是測量各種資料表面納米粗糙度及察看這些資料表面納米構(gòu)造的幻想儀器。所設(shè)計的軟件系統(tǒng),用自制的具有納米級分辯力的原子力顯微鏡來丈量表面粗糙度,試驗成果表明,該套軟硬件系統(tǒng)能夠很好地滿足納米粗糙度測量的請求。

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　　答復(fù)時光：2007-3-30 10:42 | 我來評論


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