扫描电镜中纳米材料的原位操纵和动态观察.PDF

第34卷第4期 北京工业大学学报 Vd．34No．4 2008年4月 oF JOURNAL0FBEIJINGUNIVERSITYTECHNOLoGY Apr．2008 扫描电镜中纳米材料的原位操纵和动态观察 吉 元1，王 丽1，卫 斌1，张隐奇1，徐学东1，程文海2 (1．北京工业大学固体微结构与性能研究所，北京100022；2．上海易微信息科技有限公司，上海200233) 摘要：介绍了配置在扫描电镜(SEM)中的微操纵仪(MMS)的操作原理、性能及应用．MMS在水平转动(x 轴)，上下转动(Y轴)和线性进退(z轴)的移动精度分别达到5，3．5，0．25nm．利用具有纳米精度的移动和定位 的MMS，对BiVO,晶体、硅藻土、蛋白石和ZnO纳米线等纳米材料进行了原位操纵和动态观察．该装置可操纵 质量为纳克级，尺寸为几百纳米至几微米的样品．SEM．MMS系统为原位分析纳米材料提供了一种崭新的 手段． 关键词：微操纵仪；扫描电镜(SEM)；蛋白石；纳米线 16 中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：0254—0037(2008)04—0429—05 0引言 纳米材料、纳米技术和纳米工程的发展，对材料微观分析方法和纳米测量技术提出了更高的要求．德 国Kleindiek 22 mm，长度60mm，重量30 nPa的真空环境条件 g，无后坐力和漂移，并可在O～80℃，大气压力为0～10 中使用．新型的环境扫描电境(ESEM)拓宽了传统扫描电镜(SEM)的功能，观察的样品已覆盖导体、半导 体、绝缘材料、含水及生物材料等不同类型的材料【l。2】．ESEM-MMS系统可实现对具有不同性能的、微米 至纳米尺度的材料进行原位操纵和动态观察，在半导体技术、IT产业、光纤通讯、微型机械、环境工程、生 物工程等领域得到广泛应用． MMS微操纵仪由压电马达、针尖组件、底座和控 制单元组成．图1为安装在环境扫描电镜(ESEM)样 品室中的微操纵仪．压电马达由定子(压电晶体)和 滑块组成．针尖组件在水平方向(x轴)和上下方向 (y轴)的转动，以及线性进退(z轴)分别由5个压 电晶体控制(x和Y轴各2个，Z轴1个)．Z轴最小 图1 MMs微操纵仪实物图 步进O．25 am，移动范围12mm，X轴和y轴的转动 Thea刚烈ofthe MMS Fig．I micro-manipulator 量为±120。．X和y方向受到针尖安装位置的影响 am． 和重力作用，最小步进分别为5nm和3．5 压电马达靠伸长量为1“m压电陶瓷来实现高精度的位移．其控制原理为：马达驱动电压一80～ +80 器，将X、y和z方向的步进各分成212=4096步；因此，精调模式X轴、y轴和Z轴的调节范围分别为 am×4 nm×4 nm×4 096)和1 096)． 20／zm(5 096)、15／1m(3．5 um(O．25 精度示意图．在粗调模式中。步进除了与压电晶体有关，还受到振幅和频率的影响：振幅决定步进的大小， 收稿日期：2007．07—03． 基金项目：国家自然科学基金资助项目；北京市教委基金资助项目(KM200610005030) 作者简介：吉元(1949一)，女，内蒙古海拉尔市人。教授． 万方数据 430 北京工业大学学报 2008正 频率影响操纵精度，如图3所示．c08、c64的步进分别是Col步进的8倍和64倍． k‰ f 80 诳＼j／。