如何正確按照掃描探針顯微鏡的部件

　　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、光學系統和電子控制系統。為確保儀器性能，各部件的安裝需嚴格遵循規范流程。以下從主要部件的安裝順序、調整方法及注意事項展開詳細說明。

　　一、基礎框架與隔振系統安裝

　　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，確保環境振動噪聲低于1 μm級。安裝時需水平校準，使用水平儀調整至氣泡居中，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(如慣性質量塊)，需按說明書連接氣壓或液壓管路。

　　二、樣品臺與定位系統

　　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，調整至傾斜角小于0.05°。

　　- Z軸粗調：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、探針與懸臂系統安裝

　　1. 探針架裝配

　　探針架(Holder)通常包含可調俯仰角的基座和固聯懸臂的卡槽。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。

　　- 角度調整：通過旋轉基座或微調螺絲，使懸臂長軸與樣品臺X軸平行，偏差需控制在±0.5°內。

　　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控懸臂撓度，逐步縮小間隙至亞納米級。

　　四、光學檢測系統調試

　　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，通過調節透鏡焦距使光斑聚焦于探測器中心區域。

　　2. 光杠桿靈敏度優化

　　調整懸臂反射區域的鍍金涂層(通常為Al或Au)，使激光反射率>70%。通過微調探測器增益，確保懸臂微小位移(<1 nm)能產生可分辨的電壓信號。

　　五、電子控制系統與數據采集

　　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，需根據懸臂共振頻率(通常為10-500 kHz)調整反饋帶寬。

　　2. 模數轉換與軟件同步

　　數據采集卡(≥16位分辨率)需與掃描觸發信號同步，采樣率至少為共振頻率的5倍。軟件端需校準零點漂移，并設置掃描區域(如50×50 μm²)和像素駐留時間(1-100 ms/pixel)。

　　六、關鍵參數校準與驗證

　　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或電氣屏蔽。

　　2. 成像模式驗證

　　- 接觸模式：調整探針-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%)。