光电测试技术-第5章 激光干涉测试技术(6／6)

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1、光电测试技术哈尔滨工业大学第5章激光干涉测试技术§5-8纳米技术中的干涉测试技术2021/9/163§5-8纳米技术中的干涉测试技术1986年G.Binnig和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)，人类第一次观察到了物质表面的单原子排列状态。此后，相继出现了一系列新型的扫描探针显微镜：原子力显微镜（AFM）；激光力显微镜（LFM）；磁力显微镜(MFM)；弹道电子发射显微镜（BEEM）；扫描离子电导显微镜（SICM）；扫描热显微镜（STP）；光子扫描隧道显微镜（PSTM）；扫描近场光学显微镜（SNOM）等

2、，远远超出了光学方法已经取得的成就。现代扫描显微镜技术吸取了光学技术的精华，光子扫描隧道显微镜利用了光纤探针和全反射时的瞬衰场，横向分别率达到1/10波长，垂直分辨率在纳米数量级；扫描近场光学显微镜则使用小孔光天线，分辨率突破了瑞利限制，已经达到了1/10波长数量级。2021/9/164§5-8纳米技术中的干涉测试技术除了PSTM、SNOM直接使用光学原理工作外，其它扫描显微镜常常用光学方法作为位移传感器，干涉方法是主要的手段。这类干涉仪不同于一般的位移干涉仪，它的量程很小，远远不到半个波长，但是分辨率要求很高（

3、<1nm）。这种情况下噪声成为影响性能根本原因。主要噪声源有：探测器的散粒噪声；负载电阻的Johnson噪声；激光的相对强度噪声；激光的相位噪声；干涉系统的非线性漂移；机械系统的热噪声等。2021/9/165§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.1扫描隧道显微镜（STM-ScanningTunnelingMicroscope）基本原理：利用量子理论中的隧道效应，将原子尺度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与探针的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一

4、个电极，这种现象即隧道效应。隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离L和平均功函数Φ有关加在针尖和样品之间的偏置电压A为常数，在真空条件下约等于1平均功函数Φ＝（Φ1＋Φ2），Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数20100L隧道效应示意图2021/9/166§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.1扫描隧道显微镜（STM-ScanningTunnelingMicroscope）隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离L减小0.1nm，隧道电流I将增加一个数量级。工作方式：恒高——适于大起伏

5、面恒流——适于小起伏面xzyLLL扫描模式示意图a)b)注意：如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有其它原子、分子时，被测面的电子态密度的功函数会变化，影响测量准确度。2021/9/167§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.2光子扫描隧道显微镜（PSTM—PhotonScanningTunnelingMicroscope）原理：用光探针探测样品表面附近被内全反射光所激励的消逝场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长，突破了光学显微镜半波长极限的限制。PSTM的原理和工作方式在许多方面与STM非常相

6、似。STM是利用电子的隧道效应，而PSTM则是利用光子的隧道效应，如所示。工作原理：光电倍增管位移控制与反馈计算机光纤探针内全反射光光纤探针消逝场样品表面PSTM原理示意图媒质1媒质2压电陶瓷及控制器2021/9/168§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.2光子扫描隧道显微镜（PSTM—PhotonScanningTunnelingMicroscope）全反射测量形貌的准确度比较高；且区域形貌的信息量大；可以几乎不接触被测表面；测量装置以及数据处理简洁。与其它类型的光学显微镜相比，PSTM提供了在亚波长级分辨水平

7、上的三维表面形貌，且其切线方向的分辨力可达到十分之一波长，垂直于样品方向的分辨力主要是受到电子线路的限制，得到纳米级或更高的分辨力是容易办到的。2021/9/169§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.3亚纳米零差检测干涉系统零差干涉系统的基本光路是由平板玻璃和探针上表面构成的F-P干涉仪，其平均间隔为z0，由光电探测器检出干涉光强。在力显微镜中零差干涉系统的作用就是检测扫描探针的振幅（振幅随被测表面的起伏变化）。当探针臂的振幅为A，振动频率为ω，光传播方向为z方向，探针臂的运动方程为干涉光强为激光器扫描探针平板玻

8、璃光电探测器零差检测干涉系统光路图被测样品2021/9/1610§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.3亚纳米零差检测干涉系统由于被测振幅远小于波长，即4Aπ/λ<<1，展开上式，分别写出其直流分量、一次谐波、二次谐波分量为2021/9/1611§5-8纳米技术中的干涉测试技术8.3亚纳米零差检测干涉系统调节F-P干涉仪，分别测出一次谐波、二次谐波分量的光电流为则利用锁相放