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　　纳米粗糙度

　　阅读次数：1505次悬赏分：0 | 解决时光：2007-5-2 09:58 | 提问者：mig29dxm

　　哪位能帮忙说明一下普通粗糙度和纳米粗糙度之间丈量，评定的不同~~

　　Zui佳答案

　　1 引言纳米技巧是20世纪80年代发展起来的高新科技。近年来,随着纳米技术的飞速发展,对各种纳米器件表面精度的要求也越来越高,如在半导体掩膜、磁盘、宇宙空间用光学镜片、环形激光陀螺等中,均已提出表面粗糙度的均方根小于1nm的请求。要实现这么高精度的非常光滑表面,测量仪器的辨别力首先要到达纳米量级。然而,目前的表面粗糙度测量仪,如:自聚焦测量仪,固然Z向分辨力可以到达小于5nm,但是X-Y向分辩力却只有1μm扫描探针显微镜,不能满足纳米标准形貌研究的要求,于是急切要求找到一种在X、Y、Z三个方向的分辨力均能达到纳米量级的表面粗糙度测量方式。以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描隧道显微镜(SPM)技巧,由于其超高分辩力,完整能满足这种渺小尺寸的测量要求。其中AFM 由于测量不受样品导电性的限制,运用范畴更广。AFM 的扫描过程是由压电陶瓷驱动样品移动的,由于压电陶瓷的伸缩变形量非常渺小,一般而言,掌握电压每转变1V,伸缩量仅转变几个纳米STM,因此,AFM 能够很好地满足纳米标准形貌研讨的请求。本文首先具体论述了表面粗糙度及其重要评定参数第25卷第4期2003年8月光学仪器OPTICALINSTRUMENTSVol.25,No.4August,2003* 收稿日期:2002-02-23作者简介:陈英飞(1977-),女,浙江临海人,浙江大学硕士研讨生,从事原子力显微镜硬件系统优化方面的研讨。的概念,扼要先容了用于纳米粗糙度测量的AFM 仪器体系,重点先容了实现这种粗糙度丈量的软件实现办法,并对得到的实验成果进行了扼要的剖析。2 原理及方式2.1 粗糙度的概念及重要评定参数表面粗糙度(原称表面光洁度)是反应零件表面微观几何外形误差的一个主要指标。它重要由加工进程中刀具和零件表面之间的摩擦,切屑分别时的塑性变形和金属撕裂,以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。表面粗糙度的评定参数很多,其中轮廓算术均匀偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓Zui大高度Ry这3个与微观不平度高度特征有关的表面粗糙度参数,由于各自不同的长处,成为被世界各国普遍用作产业尺度中的三个轮廓高度评定参数。因此,选用Ra、Rz、Ry作为系统纳米粗糙度测量的三个轮廓高度评定参数。轮廓算术平均偏差(Arithmeticalmeandeviationoftheprofile)Ra为取样长度内轮廓偏距尽对值的算术平均值(如图1所示)原子力显微镜:Ra= 1n∑ ni=1|yi| (1)yi为基于中线的表面轮廓高度,n为所取的轮廓偏距数。图1 表面粗糙度Ra示意图微观不平度十点高度(Tenpointheightofirregularities)Rz是指在取样长度内五个Zui大的轮廓峰高的均匀值和五个Zui大的轮廓谷深的平均值之和。Rz= ∑5i=1ypi+∑5i=1( yvi)/5 (2)轮廓Zui大高度(Maximumheightoftheprofile)Ry为取样长度内轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的间隔:Ry= maxRi(0≤ i≤ k)Ri= ypi+ y< == vi(3)式中,ypi,yvi分辨为第i个轮廓峰高和第i个轮廓谷深,k为取样长度内的峰谷个数。由于实际须要,为了更好地表征样品表面的几何外形,经常还需测量面粗糙度。面粗糙度中与微观不平度高度特征有关的三个表面粗糙度评定参数Ra、Rz、Ry公式与线粗糙度的公式相似,所不同的是面粗糙度公式包括X、Y两个方向。由于篇幅有限,这里就不再反复给出。2.2 AFM 仪器系统AFM 的工作原理是基于原子与原子之间的相互作用力。当一根十分尖利的微探针在纵向充足逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时,微探针尖真个原子和样品表面的原子之间将发生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在必定的曲线关系。通过检测原子间的作用力可以获得样品表面的微观形貌。AFM 通过光电探测器把这种作用力信息转化为电压信息,Zui后显示为灰度图。只要读取AFM 图像中某·26· 光学仪器第25卷条扫描线(横向或纵向)或者某个区域的灰度值并将其还原为高度值。然后根据线粗糙度或面粗糙度的Ra、Rz、Ry表达式就可以求出相应的线或面粗糙度值。图2所示为AFM 的机、光、电、算系统框图。通过光束偏转法将微弱的原子力转化为放大的偏转位移量,由地位敏感元件(PSD)接受反射光束。然后经过前置放大电路将PSD输出的光电流信号放大并转化为电压信号,再通过A/D接口将电压信号转化为数字信号输进计算机,从而显示出样品形貌。同时计算机通过D/A接口把持扫描电路,实现样品相对于探针的横向扫描(即XY扫描)。扫描采取恒力模式,即探针与样品在扫描进程中坚持必定的纵向即(Z向)间距,为此引进了比例-积分-微分(PID)反馈节制电路体系STM。为有效实现AFM 微探针的安装、激光光斑的对准,以及探针-样品间的微进给等操作,引进了CCD显微摄像监控系统,在监督器监控下,这些操作直观而便捷,进步了仪器的可操作性。XYZ扫描把持器由三根相互垂直的管状压电陶瓷与样品台组成,它可以在保证分辨力的同时获得较大的动态扫描范畴,而十字架的稳固构造,又使其实用于较大或较重的样品扫描。图2 AFM 系统框图2.3 软件设计为获得样品表面的粗糙度,更好地懂得样品表面的微观几何形状,针对上述的AFM 系统和适用化的要求,设计了在不同型号的盘算机和不同操作系统下均能有效工作的AFM 系统软件。体系软件分为两部分:图像扫描部分和图像处置部分。图像扫描部分,软件供给了良好的扫描界面和参数设置功效,可对扫描规模、扫描速度、扫描偏移量等进行实时调剂,并选择图像像素和图像亮度阈值的大小。扫描获得的图像可在显示框内实时地反复显示。扫描进程中可依据须要捕捉图像并存储到计算机中,图像的捕捉操作可持续进行,以便对样品作实时的在线检测。图像处置部分,软件供给多种图像显示功效。可将图像作平面显示、三维立体显示和截面线显示。实现图像的反色、线性变换、灰度拉伸、平滑、滤波、锐化、反转、裁剪、缩放、二值化、直方图统计、粒径统计等处置。获得待测样品的AFM 图像(每幅图像存有400×400或180×180个信息点)后,只要选取显示横向或纵向线粗糙度,并通过鼠标在图像中拾取一点坐标值(X,Y),盘算机就读取该坐标点所在地位的一条横向扫描线或纵向线上的400(或180)个信息点的Z值。并将其转化为对应点实际代表的高度值,就可将具有雷同X值或Y值的数据点的Z高度变更曲线即X或Y向的截面线显示出来,从而形象地表现出样品表面的微观几何形状。同时依据粗糙度Ra、Rz、Ry公式,盘算出该坐标点所在地位的横向或纵向截面线的粗糙度并显示出来。相似地,用鼠标在图像中拾取一区域,计算机将读取该区域内所有信息点并依据面粗糙度公式计算该区域的Ra、Rz、Ry值,从而获得相应区域的微观几何外形。3 试验及成果剖析为了检测AFM 在表面粗糙度测量中的精度,进行了大批的试验测试。首先,在石英玻璃表面进行了第4期陈英飞等: 原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的利用·27·一维横向和纵向线粗糙度的测定。如图3所示为石英玻璃表面(图像大小为1700nm×1700nm),取样长度L为1700nm的一维横向截面线图及其线粗糙度数值显示框图(纵向截面线图相似,由于篇幅有限,这里不再给出)。由图可见,AFM 图在X、Y、Z三个方向上的粗糙度辨别力均到达了纳米量级。石英玻璃表面Zui大峰高为4nm,Zui大谷深为4nm,0nm处的虚线为表面粗糙度的测量基准线(基准线采取中线制)。并且,在截面图的下方分辨显示出了表面轮廓算术均匀偏差Ra为1nm,微观不平度十点高度Rz为2nm,轮廓Zui大高度Ry为8nm。可见,AFM 用于表面粗糙度测量已完整达到纳米量级。图3 石英玻璃形貌图和横向截面线及粗糙度显示框图图4 石英玻璃面粗糙度测量(a) 表面形貌图(b) 面粗糙度显示框图图5 蓝宝石基底上ZnO薄膜面粗糙度测量(a) 表面形貌图(b) 面粗糙度显示框图·28· 光学仪器第25卷对于AFM 在面粗糙度测量中的精度测定,分离在蓝宝石基底上的ZnO薄膜表面和石英玻璃表面拾取了雷同大小的区域(图像大小均为1000nm×1000nm),进行了面粗糙度的测量和比拟。如图4和图5所示,图中(a)为拾取的AFM 形貌图,(b)为相应的面粗糙度数值显示框图。由图可见,两幅图中,三个粗糙度评定参数都达到了纳米量级,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 结论表面粗糙度的测量是检测资料表面功效中必不可少的一个环节,随着纳米技巧的敏捷发展,必将对表面粗糙度的测量精度提出越来越高的要求。原子力显微镜是一种具有纳米级辨别力的表面显微剖析仪器,是测量各种资料表面纳米粗糙度及察看这些资料表面纳米构造的幻想仪器。所设计的软件系统,用自制的具有纳米级分辩力的原子力显微镜来丈量表面粗糙度,试验成果表明,该套软硬件系统能够很好地满足纳米粗糙度测量的请求。

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　　答复时光：2007-3-30 10:42 | 我来评论


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