扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法

     扫描力显微镜是一种利用尖锐的微型探针在样品表面上方扫描来检测样品表面的一些性质，如形貌特征和表面电势等等。如图1所示，当针尖在样品表面扫描时，针尖与样品的相互作用力使得微悬臂发生形变。反馈系统根据检测器检测到的形变结果不断调整针尖和样品间的距离，从而保持针尖和样品的作用力恒定。对于表面形貌检测，实际上就是保持针尖和样品间的作用力恒定的情况下，针尖随样品表面上下移动的距离(z)，加上样品被扫描的位置(x、y)，就可以得到样品表面形貌的三维图像。

    对于薄膜材料的研究，扫描力显微镜主要应用在薄膜表面的研究中。一般情况下，扫描力显微镜用于薄膜表面研究时，对针尖相对于薄膜表面的定位没有严格的要求，只需要将针尖粗略的定位到薄膜表面需要分析的区域就行。普通的光学显微镜就可以满足这一要求(图2为利用光学显微镜进行定位的示意图)。需要指出的是，由于光学显微镜是从针尖上方成像，针尖的位置只能粗略的估计，所以，定位的精度很低，普通商用扫描力显微镜的精度约为0.05mm。

    随着技术的不断发展，越来越需要了解和研究薄膜断面的情况，以获得薄膜体内的信息，特别是薄膜界面处的属性，如“电极一薄膜”界面如何影响薄膜材料的特性。要利用扫描力显微镜研究薄膜断面，就需要将扫描力显微镜的针尖定位到薄膜断面的位置，然而这个过程是相当困难的。因为电子薄膜的厚度很薄，连同上下电极的总厚度一般只有几百纳米。要利用普通光学显微镜实现准确的定位是不可能的。而且，断面的形貌特征经抛磨后很难辨认，这就限制了扫描力显微镜在大范围内通过形貌特征来识别薄膜断面的位置。虽然，可以利用扫描力显微镜、电子显微镜以及微位移装置(nano-manipulator)三者相结合的装置实现亚微米级定位。但是，整个设备的结构及其复杂，成本也相当高，不适用于普通研究机构。

    目前，将扫描力显微镜直接用于薄膜断面观察的方法是将断面进行倾斜抛光(如图3所示)，得到一个放大的薄膜断面，“电极-薄膜-电极”断面的宽度可以达到数微米，同时通过形貌上的棱角特征(薄膜表面和倾斜抛光面相交的地方)，比较容易的实现断面定位。但是，这种方法得到的薄膜断面样品的两个上下电极不对称，电极间若施加外电场，作用于介质薄膜的电场与介质薄膜在实际工作状态中的电场是完全不同的。这就限制了倾斜抛光薄膜断面定位方法的应用，该方法虽然可以用来研究薄膜材料的静态特性，但不能用来研究薄膜材料随外场变化的动态特性，即外场作用下，薄膜断面如何影响薄膜的宏观特性。

    基于上述考虑，需要提出了一套简单、低成本的，适用于普通商用扫描力显微镜的薄膜断面定位方法，以便于研究薄膜材料内界面的结构和特性，特别是动态特性。