掃描探針顯微鏡是一種高分辨率表面表征工具，其核心功能依賴于精密的機械結構、光學系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)。為確保儀器性能，各部件的安裝需嚴格遵循規(guī)范流程。以下從主要部件的安裝順序、調(diào)整方法及注意事項展開詳細說明。
一、基礎框架與隔振系統(tǒng)安裝
1. 底座與隔振平臺
SPM對振動極其敏感，需安裝在隔振性能優(yōu)異的平臺上。通常采用空氣彈簧隔振桌或海綿橡膠減震墊，確保環(huán)境振動噪聲低于1 μm級。安裝時需水平校準，使用水平儀調(diào)整至氣泡居中，誤差不超過0.1°。
2. 屏蔽罩與防震外殼
為減少空氣流動和電磁干擾，需在隔振平臺上加裝金屬屏蔽罩。罩體應與底座絕緣，并預留通風口以避免溫漂效應。部分機型配備主動隔振系統(tǒng)(如慣性質(zhì)量塊)，需按說明書連接氣壓或液壓管路。
二、樣品臺與定位系統(tǒng)
1. 樣品臺機械安裝
樣品臺通常由三維納米定位臺(如壓電陶瓷掃描器或柔性鉸鏈機構)構成。安裝時需確保其運動軸與探針掃描方向嚴格正交：
- X/Y軸校準：使用激光干涉儀或光學顯微鏡檢查掃描臺平面度，調(diào)整至傾斜角小于0.05°。
- Z軸粗調(diào)：通過螺旋升降或壓電驅動器將樣品臺升至探針懸臂下方約1 mm處，留出后續(xù)逼近空間。
2. 樣品固定
采用雙面膠、真空吸附或磁性基座固定樣品，需確保樣品表面與掃描臺平行。對于導電樣品，需通過銅箔或銀膠建立電接觸，避免電荷積累影響成像。
三、探針與懸臂系統(tǒng)安裝
1. 探針架裝配
探針架(Holder)通常包含可調(diào)俯仰角的基座和固聯(lián)懸臂的卡槽。安裝步驟如下：
- 懸臂固定：使用真空吸附或靜電夾持方式固定探針，避免機械壓力導致懸臂形變。
- 角度調(diào)整：通過旋轉基座或微調(diào)螺絲，使懸臂長軸與樣品臺X軸平行，偏差需控制在±0.5°內(nèi)。
2. 探針-樣品間距設置
利用光學顯微鏡觀察懸臂與樣品間隙，初步逼近至10-50 μm范圍。隨后切換至干涉儀模式，通過激光反射信號監(jiān)控懸臂撓度，逐步縮小間隙至亞納米級。
四、光學檢測系統(tǒng)調(diào)試
1. 激光對準與反射接收
- 入射光路：半導體激光器(典型波長635-670 nm)需通過光纖耦合至分光鏡，調(diào)整至垂直照射懸臂背面，光斑直徑約50 μm。
- 反射接收：四象限光電探測器(QPD)需與懸臂反射光共軸，通過調(diào)節(jié)透鏡焦距使光斑聚焦于探測器中心區(qū)域。
2. 光杠桿靈敏度優(yōu)化
調(diào)整懸臂反射區(qū)域的鍍金涂層(通常為Al或Au)，使激光反射率>70%。通過微調(diào)探測器增益，確保懸臂微小位移(<1 nm)能產(chǎn)生可分辨的電壓信號。
五、電子控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集
1. 信號鏈路連接
- 前置放大：QPD輸出信號需接入低噪聲電流放大器(增益10^4-10^5 V/A)，濾波截止頻率設為10 kHz以抑制高頻噪聲。
- 反饋回路：Z軸壓電陶瓷的驅動信號由比例-積分-微分(PID)控制器生成，需根據(jù)懸臂共振頻率(通常為10-500 kHz)調(diào)整反饋帶寬。
2. 模數(shù)轉換與軟件同步
數(shù)據(jù)采集卡(≥16位分辨率)需與掃描觸發(fā)信號同步，采樣率至少為共振頻率的5倍。軟件端需校準零點漂移，并設置掃描區(qū)域(如50×50 μm²)和像素駐留時間(1-100 ms/pixel)。
六、關鍵參數(shù)校準與驗證
1. 噪聲測試
關閉反饋回路，采集懸臂熱噪聲信號(典型值<10 pA/√Hz)，若超標需檢查隔振系統(tǒng)或電氣屏蔽。
2. 成像模式驗證
- 接觸模式：調(diào)整探針-樣品作用力至1-10 nN，觀測原子級分辨率圖像。
- 輕敲模式：驅動懸臂振蕩幅度>20 nm，Q因子>100，避免粘滑效應。
3. 非線性校正
使用石墨烯或光柵標樣進行壓電滯后校準，通過多項式擬合修正X/Y軸掃描非線性誤差(典型目標<0.1%)。
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