专利名称：具有0.01纳米分辨率的原子光栅测量方法
技术领域：
本发明涉及超精密测量技术，特别涉及纳米测量技术。
在精密测量技术领域中，计量光栅已被广泛应用于微米级和亚微米级的测量或定位系统中。由于受光栅刻划误差、电子细分能力及安装条件的限制，在通常情况下，其分辨率难以进一步提高。1994年美国“真空科学与技术”杂志(P1681-1685)中公开了一种双头扫描遂道显微测量技术，其工作过程是将被测工件和高定向热解石墨(HOPG)安装在同一扫描工作台的两侧，每一侧的显微探针分别获得工件的显微图象和HOPG的原子晶格图象，然后将两幅图象进行比较，即可得到被测工件原子量级(0.1纳米)的表面信息。由于这种测量方法是以计算原子个数的方法来进行的，故单个原子的定位误差和晶格畸变均影响测量结果，一般情况难以达到亚原子(0.01纳米)的分辨率。
本发明目的在于将传统的计量光栅原理与扫描探针显微技术结合起来，提供一种具有0.01纳米分辨率的原子光栅测量方法。
本发明的测量方法，包括首先利用扫描探针显微镜(SPM)获得样品的原子晶格图像I1，并将其存入计算机中，所述样品是易于得到清晰原子图象的材料，如高定向热解石墨，其特征在于其后的测量步骤为(1)在计算机上将样品的原子晶格图象I1旋转Φ角度，得到原子晶格图象1′1，其中旋转角度Φ＝a/b，(b≥10a)，a为I1中的周期间距，b是放大后的周期间距；(2)将I1和I′1两图象迭加，得到具有莫尔条纹的原子光栅图象G1；(3)调节并改变显微探针与样品的相对位置或选择适当的时间间隔后，获得此时的原子晶格图像I2；(4)将I2图像与旋转后的原子晶格图像I′1迭加，即得到第二幅具有莫尔条纹的原子光栅图像G2；(5)比较起始位置或起始时刻和终了位置或终了时刻光栅条纹图的变化，即得到所述样品件相对于针尖的位移Δ＝G1-G2。
本测量方法，能够用于测量扫描探针显微镜(SPM)的自身精度，同时能使扫描探针显微镜仪器实现单原子定位。
与现有技术相比，本发明的测量方法，将传统的计量光栅原理与扫描探针显微技术相结合，即以达到0.01纳米分辨率的莫尔条纹图像作为分辨基础，不仅实现了亚原子分辨率的测量，同时由于在测量过程中仅以一块样品产生二维光栅产生莫尔条纹，以此代替传统中的一对光栅，从而使测量系统大为简化。
下面通过实施例的操作过程作进一步描述。实施例1.
测量扫描探针显微镜(SPM)仪器由热漂移产生的微量位移和漂移速率
图1是所用测量系统示意图。图中，(1)是所述扫描探针显微镜(SPM)，(2)为高定向热解石墨样品(HOPG)，(3)微型计算机，用以进行数据采集和图像处理。测量步骤如下1.将样品件HOPG固定在SPM的工作台上，调整仪器得到其原子晶格图像I1，将其存入计算机中；2.将测量得到原子图像I1旋转5.7°后，得到新的原子图像I′1；3.将I1和I′1两图像迭加后得到原子光栅莫尔条纹图像G1，即在原有原子晶格结构图像基础上叠加有与原子晶格结构相似的大周期结构，大周期间隔是原子晶格间距的10倍(由b/a＝180°/5.7°·π得到)；4.等待10分钟；5.在不改变针尖与样品水平方向的相对位置的前提下，得到此时HOPG样品的原子图像I2；6.将I2图像与旋转后的原子晶格图像I′1迭加，即得到第二幅具有莫尔条纹的原子光栅图像G2；7.用图像处理方法由计算机计算出G1和G2相对位置的变化，得到G2相对于G1位移Δ＝0.2nm，则图像I2相对于I1的位移δ＝Δ/10＝0.02nm；8.即测得本SPM仪器的漂移速率为T＝δ/10min＝0.002nm/min。实施例2.
用本方法使扫描探针显微镜SPM实现单原子定位图2是SPM系统的示意图。图中①是SPM仪器，②是高定向热解石墨样品(HOPG)，③微型计算机，用于进行数据采集、控制和图像处理。操作步骤为1.将样品件HOPG固定在SPM的工作台上，调整仪器使SPM针尖对准HOPG的某一原子，得到此时的原子图象I1存入计算机中；2-7.同实施例1步骤2-7，即测得本扫描探针显微镜针尖相对原对准的原子产生0.02nm的位移；8.根据计算机给出的反馈信号，由执行元件压电陶瓷使SPM针尖与样品产生0.02nm的相对位移；9.不断重复上述步骤4-8，即实现本仪器的单原子定位。
权利要求
1.一种具有0.01纳米分辨率的原子光栅测量方法，包括首先利用扫描探针显微镜(SPM)获得样品的原子晶格图像I1，并将其存入计算机中，所述样品是易于得到清晰原子图象的材料，如高定向热解石墨，其特征在于其后的测量步骤为(1)在计算机上将样品的原子晶格图象I1旋转Φ角度，得到原子晶格图象I′1，其中旋转角度Φ＝a/b，(b≥10a)，a为I1中的周期间距，b是放大后的周期间距；(2)将I1和I′1两图象迭加，得到具有莫尔条纹的原子光栅图象G1；(3)调节并改变显微探针与样品的相对位置或选择适当的时间间隔后， 获得此时的原子晶格图像I2；(4)将I2图像与旋转后的原子晶格图像I′1迭加，即得到第二幅具有莫尔条纹的原子光栅图像G2；(5)比较起始位置或起始时刻和终了位置或终了时刻光栅条纹图的变化， 即得到所述样品件相对于针尖的位移Δ＝G1-G2。
全文摘要
本发明涉及超精密测量技术。所述测量方法包括首先利用扫描探针显微镜获得样品的原子品格图象,将其存入计算机中,然后将该图象转动Φ角度,得到新的图像后将两图象叠加成为具有莫尔条纹的原子光栅图像,再以同样方法获得不同位置或适当时间隔后的第二幅原子晶格图像,也将其与旋转后的原子晶格图像相叠加,最后比较两个原子光栅图像的变化,即为测量结果。本测量方法将传统的计量光栅原理与扫描探针显微技术相结合,实现了亚原子分辨率的测量并使测量系统大为简化。
文档编号G01B11/02GK1189607SQ97101529
公开日1998年8月5日 申请日期1997年1月26日 优先权日1997年1月26日
发明者黄文浩, 胡翘, 胡凯成 申请人:中国科学技术大学