SThM-II型扫描热学显微镜

一、简介：

扫描热显微术(SThM)是在原子力显微镜(AFM)基础上，利用对于材料的温度、热导率等的变化进行成像，从而获得样品表面热分布和相关热物理性质等信息的一种微纳米尺度的测试技术。现已在微电子器件、材料等领域得到了日益广泛的应用。
这是中科院上海硅酸盐研究所继扫描探针声学显微镜（Scanning Probe Acoustic Microscope，SPAM）之后对扫描探针显微术的又一项重大突破，具有重要的应用前景。并再度与上海卓伦微纳米设备有限公司合作，应用卓伦先进的SPM通用平台技术，将SThM成功加载到ZL-SPM系列产品上，完成了SThM商品化拓展。

ZL SThM-II 基本原理：
　
目前SThM主要采用的是Wollaston线型热电阻探针。如图1所示。图2为扫描热显微术的装置组成。SThM不仅可以提供被测样品热性质的信息，还可同步进行形貌成像。除了前面提到过的形貌像成像回路外，热成像回路主要由Wheatstone电桥、信号发生器、倍频器及锁相放大器组成。Wheatstone电桥由一些电阻、电感和电容构成回路。电桥的设计减小了回路自身电阻、电感和电容带来的影响，可以较为灵敏地测量热探针的电阻。Wheatstone电桥中，参考探针的作用是防止外界条件的变化对测试的影响。锁相放大器的作用是获得较高的信噪比（SNR）和灵敏度。使用倍频器可以选定需要的参考频率。扫描时由信号发生器向电桥中施加电压，电桥的输出电压信号送入锁相放大器；同时信号发生器输出一个同步信号，经倍频器处理后送入锁相放大器作为参考信号。锁相放大器将输入的信号比较处理后将信号送入成像控制系统，得到热图像。

ZL SThM-II 成像模式：

SThM主要有两种模式：热导率测量模式和温度测量模式，在材料领域，一般采用的是热导率测量模式。在这种模式下，热探针同时起到加热器和传感器的作用。对探针施加20mA的交流电，频率为200Hz，因此探针被逐渐加热。通过调整Wheatstone电桥的电压保持热探针温度的恒定。当探针与被测样品接触时，由于热量由探针针尖流入样品，造成针尖温度下降，从而引起针尖电阻的下降。电桥的反馈回路将增加通过探针的电流，直到探针的温度恢复到原来的操作温度。此过程中电桥电压的变化被记录下来，经锁相放大器处理后得到热导率的图像。由此可以看出，保持探针温度恒定所需要的能量直接与被测材料的热导率相关。对于被测材料上热导率较高的区域，由于探针与之接触时热量流失较多，造成探针温度下降较大，因而为保持探针温度恒定所需的能量较多，造成了Wheatstone电桥的电压相对较高。在所得的热导率图像上电压值较高的区域颜色相对较浅，所以材料上热导率较高的区域在热图像上相对较亮，如图3所示。
在SThM中，使用参考频率三倍频的方法来对样品进行热导率成像。这种方法是源于探针中的电压随时间变化的关系式：
U(t)=I0.R0 sin(ωt)+I0.ΔT/4 .dR/dT .sin(ωt-ψ)-I0.ΔT/4 .dR/dT .sin(3ωt-ψ)
从式中可以看出，3ω项与探针本身电阻R0无关，而与探针温度变化ΔT有关。ΔT是与被测样品的热导率直接相关的。因此采用三倍频方法可以减小外界因素对成像的干扰。

二、技术参数

ZL  SThM-II 型技术指标：

1、成像模式： 热导率测量模式
2、成像方式：AFM接触模式
3、分辨率：≤100nm
4、样品台尺寸：15mm×15mm
5、其它指标：参照相关型号的AFM 

三、主要特点

1.国内家扫描探针热学显微镜；
2.除可与MicroNano D3000型AFM联用外，还可与多种型号的进口AFM配套使用；