浙江大學(xué)徐楊教授與胡歡教授團(tuán)隊(duì)在研究中使用賽恩科學(xué)儀器(SSI)的鎖相放大器OE1022檢測(cè)了光電二極管輸出的高頻交變激勵(lì)同頻的橫向偏轉(zhuǎn)特征信號(hào)。

浙江大學(xué)徐楊教授與胡歡教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際微納研究期刊《Microsystems & Nanoengineering》上發(fā)表題為“Lateral deflection-based optimization achieves sub-picometer detection limit”的研究成果。該研究提出了一種適用于掃描探針顯微鏡(SPM)的普適性優(yōu)化策略，通過(guò)巧妙利用原子力顯微鏡(AFM)探針的橫向偏轉(zhuǎn)信號(hào)，將位移測(cè)量的信噪比(SNR)提升了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。該策略在掃描焦耳膨脹顯微鏡(SJEM)中成功實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的0.37pm位移檢測(cè)極限，空間分辨率最高可達(dá)10nm。

納米級(jí)表面微小位移的精確測(cè)量是揭示材料熱傳導(dǎo)、電學(xué)行為及光熱吸收特性的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的SPM技術(shù)通常通過(guò)測(cè)量探針因彎曲產(chǎn)生的“垂直偏轉(zhuǎn)”來(lái)檢測(cè)表面形變。然而，在檢測(cè)皮米量級(jí)的亞納米形變時(shí)，由彎曲引起的激光光斑位移極其微小，使得熱膨脹等有效信號(hào)往往被淹沒(méi)在環(huán)境背景噪聲中。盡管業(yè)界開發(fā)了多種定制化的特殊懸臂或探針來(lái)提高靈敏度，但這些特制探針不僅造價(jià)高昂，還面臨著與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)不兼容的瓶頸，行業(yè)急需一種兼顧極高靈敏度與高普適性的位移測(cè)量解決方案。

為突破檢測(cè)極限的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于探針“橫向偏轉(zhuǎn)(Lateral deflection)”的優(yōu)化測(cè)量策略。該方案的核心在于，利用探針接觸掃描時(shí)產(chǎn)生的“扭轉(zhuǎn)”運(yùn)動(dòng)來(lái)替代傳統(tǒng)的“彎曲”運(yùn)動(dòng)提取形變特征。從光學(xué)杠桿的物理放大機(jī)制來(lái)看，由于懸臂的幾何特性(懸臂長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于針尖高度h)，同等幅度的表面形變通過(guò)探針扭轉(zhuǎn)在光電探測(cè)器上產(chǎn)生的橫向激光偏移量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過(guò)探針彎曲產(chǎn)生的垂直偏移量。這種將縱向形變耦合進(jìn)橫向扭轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，在物理源頭上實(shí)現(xiàn)了微小形變信號(hào)的數(shù)量級(jí)放大。研究團(tuán)隊(duì)將這一創(chuàng)新策略成功部署在掃描焦耳膨脹顯微鏡(L-SJEM)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。在L-SJEM的掃描過(guò)程中，系統(tǒng)向納米導(dǎo)線或薄膜樣品施加高頻交變電壓引發(fā)焦耳熱，從而在樣品表面產(chǎn)生周期性的熱膨脹。由于掃描時(shí)的法向力和摩擦力賦予了探針一個(gè)初始的扭轉(zhuǎn)角，這些由于熱源引發(fā)的局部形變會(huì)使得探針產(chǎn)生額外的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)變化。系統(tǒng)精準(zhǔn)提取出這些交變的橫向偏轉(zhuǎn)信號(hào)，從而構(gòu)建出極高分辨率的器件焦耳熱分布三維映射模型。

圖1.光電探測(cè)器上顯示的懸臂響應(yīng)。

(a)扭轉(zhuǎn)示意圖。(b)橫向偏轉(zhuǎn)。(c)激勵(lì)引起的額外橫向偏轉(zhuǎn)。

(d)彎曲示意圖。(e)垂直偏轉(zhuǎn)。(f)激勵(lì)引起的額外垂直偏轉(zhuǎn)。

(g)L-SJEM系統(tǒng)示意圖。

該系統(tǒng)由以下部分組成：壓電位移掃描模塊、Z傳感器反饋環(huán)、光電二極管、鎖相放大器以及提供交變電壓的源。

AFM探針在接觸模式下檢測(cè)這種膨脹。

圖2.樣品A和B的形貌、SJEM圖像以及模擬溫度場(chǎng)。

(a)樣品A掃描區(qū)域的形貌。(b)樣品A基于垂直偏轉(zhuǎn)的SJEM和(c)L-SJEM圖像。

(d)模擬溫度場(chǎng)，樣品B(e)基于垂直偏轉(zhuǎn)的SJEM和(f)L-SJEM圖像。

(g)焦耳膨脹輪廓。左上角插圖顯示了樣品B的SEM圖像。右下角插圖描繪了溫度場(chǎng)的三維映射。藍(lán)色實(shí)線、紅色實(shí)線和黑色點(diǎn)劃線分別代表在黑色虛線位置從垂直偏轉(zhuǎn)、橫向偏轉(zhuǎn)和模擬中獲得的熱膨脹信號(hào)。

為便于比較，信號(hào)已歸一化。分別基于(b,c)中白色虛線處的(h)垂直偏轉(zhuǎn)和(i)橫向偏轉(zhuǎn)提取的焦耳膨脹曲線。

圖3.樣品A的熱膨脹響應(yīng)與法向力的關(guān)系。

(a)在樣品A中測(cè)得的熱膨脹隨法向力增加的變化關(guān)系。

紅、黑空心圓分別代表在不同法向力下，基于橫向和垂直偏轉(zhuǎn)測(cè)量同一形變獲得的熱膨脹信號(hào)。

紅色實(shí)線是對(duì)探針與樣品表面達(dá)到穩(wěn)定法向力區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行的線性擬合。

紅色區(qū)域代表從線性區(qū)域內(nèi)的殘差計(jì)算得出的±2σ偏差極限(經(jīng)驗(yàn)95%覆蓋率)。

(b)探針扭轉(zhuǎn)角與法向力之間關(guān)系的示意圖。在法向力分別為(c)22nN、(d)65nN和(e)218nN時(shí)獲取的L-SJEM圖像。

對(duì)比測(cè)試清晰地展示了該策略的卓越性能：與傳統(tǒng)的垂直偏轉(zhuǎn)法相比，L-SJEM將系統(tǒng)信噪比(SNR)從20躍升至168。由于極低的本底噪聲，L-SJEM將熱膨脹檢測(cè)的下限成功推進(jìn)至創(chuàng)紀(jì)錄的0.37pm。更具優(yōu)勢(shì)的是，由于這種扭轉(zhuǎn)響應(yīng)機(jī)制，系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)掃描法向力來(lái)靈活調(diào)控測(cè)量靈敏度;并能通過(guò)對(duì)比“去向掃描(Trace)”和“回向掃描(Retrace)”的信號(hào)差異，完美解耦出同一位置的面內(nèi)(In-plane)與面外(Out-of-plane)兩組獨(dú)立熱膨脹矢量特征。該技術(shù)隨后在石墨烯中鎵離子束輻照引發(fā)的極細(xì)微缺陷檢測(cè)定位中得到了完美的實(shí)際驗(yàn)證。

這項(xiàng)研究提出了一種完全建立在標(biāo)準(zhǔn)AFM探針架構(gòu)上的高靈敏度位移檢測(cè)新范式，徹底擺脫了對(duì)昂貴特制探針的依賴。其靈活的靈敏度調(diào)控和多維形變解耦能力，使得該橫向偏轉(zhuǎn)策略能夠非常容易地作為一種獨(dú)立模塊，集成至現(xiàn)有的商用AFM系統(tǒng)平臺(tái)中。未來(lái)，該策略可移植應(yīng)用于壓電響應(yīng)力顯微鏡(PFM)、光誘導(dǎo)力顯微鏡等其他依賴接觸掃描的測(cè)量技術(shù)中，為微納電子學(xué)和先進(jìn)材料的高精度表征提供通用儀器升級(jí)方案。

審核編輯 黃宇