[摘要]振动的影响一般情况下地面振动是在微米量级，可是要产生稳定的隧道电流，针尖 和样品间距必须小于1 mn。微小的振动就会使针尖撞上样品，甚至难以严格控制它在精细位 置上的扫描，所以要尽量减少振动。
扫描探针显微技术的关键技术和特点
以上几种扫描探针显微技术从原理上讲比较简单，但实验并不容易，需要解决一些关键 技术：
①振动的影响一般情况下地面振动是在微米量级，可是要产生稳定的隧道电流，针尖 和样品间距必须小于1 mn。微小的振动就会使针尖撞上样品，甚至难以严格控制它在精细位 置上的扫描，所以要尽量减少振动。
②噪声的影响因为产生的电流是纳安级，要取得原子分辨率（约为0.01 nm)，必须控 制针尖以实现扫描，这要求仪器本身稳定，隔绝电子噪声。
③针尖的要求如果针尖很钝，就不可能探测到单个的原子，达不到原子分辨率，所以针 尖必须很尖。一般要求具有纳米尺度，这要求极高的微细加工技术。
④样品的要求扫描隧道显微镜（STM)工作时需要产生隧道电流，所以要求样品必须是 导体或者半导体；否则就不能用STM直接观察。对不导电的样品虽然可以在表面上覆盖一层导电膜，比如镀金膜、镀碳膜，但是金膜和碳膜的粒度和均匀性等问题均限制了图像对真实 表面的分辨率。而原子力显微镜可检测非导体,但要求样品粘度不能过大;否则针尖扫描时就 会拖着样品一起动，达不到髙的分辨率。
扫描探针显微技术有以下几个特点：
①扫描探针显微镜可以在各种条件（比如真空、大气、常温、低温、高温、熔温）下和在纳米 尺度上对表面进行加工；
②STM是目前能提供具有纳米尺度的低能电子束的唯一手段，在控制和研究诸如迁移、 化学反应等过程中有着显而易见的重要性，为人们提供了在微观甚至在原子、分子领域进行观 察、研究、操作的技术手段。
结合SPM技术和刀具加工的诸多优点，传统的机械加工方法有望在纳米技术领域得以 延伸。
扫描探针显微技术用于纳米切削加工
在纳米切削加工中，刀具对材料进行纳米量级的去除加工，刀具本身精度和材料可加工性 等因素会对加工精度有影响，但最本质和重要的部分是，提供刀具相对于加工材料以稳定、可 靠和纳米精度的运动，这种运动还应有抵御外部干扰的刚性。如上所述，SPM原理和技术为 产生这样的机械运动提供了基础。利用压电体的电致伸缩现象，即通过施加一电压于压电体 上使之产生某一方向的微小变形，可以实现纳米级精度的加工运动，并且这种方式的运动具有 高的动态刚性和动态响应能力，从而能够使纳米加工系统有足够的稳定性和可靠性。
图8. 2是SPM用于切削加工的原理示意 图，图中的SPM工作于AFM测试模式。在这 种模式下，针尖与试样表面间的原子相互作用力 通过探针（probe)的微小变形被检测器（detec?tor) 检测到。 这些代表试样表面轮廓信息的信号 被检测器转换为电信号并输人信息处理系统和 控制系统。另夕卜，依靠扫描器（scanner)的输出，
试样（specimen)相对探针作扫描运动。如图所 示，在AFM测试系统中置人加工机构，并将试样 和金刚石刀具（diamond tip)分别置于试样台和 工作台（tool table)上，调整试样台或工作台来粗调刀具和试样的相对加工位置后，即可进行 纳米加工和测试实验。纳米切削进给或微动可以通过两种途径获得：一是工作台由电致伸缩 器件构成，另一是直接利用AFM扫描器的位移输出实现。加工过程中材料变形和切屑形成 的微观细节可直接在AFM上进行扫描观察，同时可以在光学显微镜监控下进行。
加工实例一
在纳米加工实验研究中，为克服环境等外部因素如振动、漂移等对加工过程的影响，整个 加工系统置于与SPM测试时同样的工作环境。本研究进行如下两方面的加工实验：考察刀 具与石墨作用后材料去除的微观原子过程;考察非晶体金属纳米切削的切屑形成和加工表面 生成特点。加工和观察测试均在大气中进行，所用SPM设备是日本精工会社制作的SII SPA300 装置。
实验使用铁基非晶体金属合金Fe78B13Si9作为被加工试样，采用图8. 2所示的切削加工方 式，刀具采用天然单晶体金刚石。非晶体金属由于构成其材料的原子不具有规则排列和组织 构造，对材料构造缺陷不敏感而可被近似地认为是一种各向同性的材.料，并由于可忽略晶体材 料中缺陷、晶向等因素对加工过程的扰动，对纳米量级的切削加工和获取良好的加工表面十分
有利。SPM切削加工时形成的切屑可通过 SPM附属的CCD或光学显微镜进行监控和 观察。实验表明，这种切削方法是一种很好 的微纳米加工手段。光学显微镜下对切屑 形成的连续观察显示，微米量级的切削十分 稳定，加工表面平整，切屑的微观变形和形 成具有一定的可重复性。当加工尺寸减小 到纳米尺度时，切屑的形成需要通过AFM 或STM扫描观察。图8. 3是取切削深度为 50 nm时用SPM切削加工的AFM观察结 果。AFM扫描观察时，为避免干涉，金刚石 刀具停止切削并退出加工区。图中示意性地标出了刀具的加工位置和几何参数。可以看出， 这种非晶体金属材料经微小切削加工后切屑的形成和材料的变形，以及良好加工表面生成的 状况。整体上，切屑均勻变形和卷曲，表明切削是在平滑、稳定的过程中进行的，产生非常光 整、精度高的纳米加工表面。
SPM应用于切削加工，可以考察材料的去除过程和加工机理。例如，图8. 3所示金刚石 刀具的前角名义值为30°,但切屑沿前刀面流出的方向并非以这种角度，而是以相当于一个小 的负前角值（一5°)的方向向外排出。这一现象被归结于金刚石刃尖存在微小的圆弧半径所 致。当加工尺寸小到与加工刀具的刃尖圆弧半径可比较时，刀具的实际前角向负方向发生变 化，此时实际刀刃和材料相互作用的不是名义前刀面。而图8. 3中“S”所示切屑自由表层上， 所呈现的变形可用于考察切屑的形成。此外，还可通过调整、控制和测试加工力的大小，为材 料的力学性能研究、超精密加工应用提供良好的方法和手段。