锁相放大器在光电二极管同频横向偏转特征信号检测中的应用

浙江大学徐杨教授与胡欢教授团队在国际微纳研究期刊《Microsystems & Nanoengineering》上发表题为“Lateral deflection-based optimization achieves sub-picometer detection limit”的研究成果。该研究提出了一种适用于扫描探针显微镜（SPM）的普适性优化策略，通过巧妙利用原子力显微镜（AFM）探针的横向偏转信号，将位移测量的信噪比（SNR）提升了近一个数量级。该策略在扫描焦耳膨胀显微镜（SJEM）中成功实现了创纪录的0.37pm位移检测极限，空间分辨率最高可达10nm。

纳米级表面微小位移的精确测量是揭示材料热传导、电学行为及光热吸收特性的基础。传统的SPM技术通常通过测量探针因弯曲产生的“垂直偏转”来检测表面形变。然而，在检测皮米量级的亚纳米形变时，由弯曲引起的激光光斑位移极其微小，使得热膨胀等有效信号往往被淹没在环境背景噪声中。尽管业界开发了多种定制化的特殊悬臂或探针来提高灵敏度，但这些特制探针不仅造价高昂，还面临着与标准检测系统不兼容的瓶颈，行业急需一种兼顾极高灵敏度与高普适性的位移测量解决方案。

为突破检测极限的瓶颈，研究团队创新性地提出了一种基于探针“横向偏转（Lateral deflection）”的优化测量策略。该方案的核心在于，利用探针接触扫描时产生的“扭转”运动来替代传统的“弯曲”运动提取形变特征。从光学杠杆的物理放大机制来看，由于悬臂的几何特性（悬臂长度L远大于针尖高度h），同等幅度的表面形变通过探针扭转在光电探测器上产生的横向激光偏移量，远远大于通过探针弯曲产生的垂直偏移量。这种将纵向形变耦合进横向扭转的转换机制，在物理源头上实现了微小形变信号的数量级放大。研究团队将这一创新策略成功部署在扫描焦耳膨胀显微镜（L-SJEM）系统中进行验证。在L-SJEM的扫描过程中，系统向纳米导线或薄膜样品施加高频交变电压引发焦耳热，从而在样品表面产生周期性的热膨胀。由于扫描时的法向力和摩擦力赋予了探针一个初始的扭转角，这些由于热源引发的局部形变会使得探针产生额外的动态扭转变化。系统精准提取出这些交变的横向偏转信号，从而构建出极高分辨率的器件焦耳热分布三维映射模型。

图1.光电探测器上显示的悬臂响应。

(a)扭转示意图。(b)横向偏转。(c)激励引起的额外横向偏转。

(d)弯曲示意图。(e)垂直偏转。(f)激励引起的额外垂直偏转。

(g)L-SJEM系统示意图。

该系统由以下部分组成：压电位移扫描模块、Z传感器反馈环、光电二极管、锁相放大器以及提供交变电压的源。

AFM探针在接触模式下检测这种膨胀。

图2.样品A和B的形貌、SJEM图像以及模拟温度场。

(a)样品A扫描区域的形貌。(b)样品A基于垂直偏转的SJEM和(c)L-SJEM图像。

(d)模拟温度场，样品B(e)基于垂直偏转的SJEM和(f)L-SJEM图像。

(g)焦耳膨胀轮廓。左上角插图显示了样品B的SEM图像。右下角插图描绘了温度场的三维映射。蓝色实线、红色实线和黑色点划线分别代表在黑色虚线位置从垂直偏转、横向偏转和模拟中获得的热膨胀信号。

为便于比较，信号已归一化。分别基于(b,c)中白色虚线处的(h)垂直偏转和(i)横向偏转提取的焦耳膨胀曲线。

图3.样品A的热膨胀响应与法向力的关系。

(a)在样品A中测得的热膨胀随法向力增加的变化关系。

红、黑空心圆分别代表在不同法向力下，基于横向和垂直偏转测量同一形变获得的热膨胀信号。

红色实线是对探针与样品表面达到稳定法向力区域的数据进行的线性拟合。

红色区域代表从线性区域内的残差计算得出的±2σ偏差极限（经验95%覆盖率）。

(b)探针扭转角与法向力之间关系的示意图。在法向力分别为(c)22nN、(d)65nN和(e)218nN时获取的L-SJEM图像。

对比测试清晰地展示了该策略的卓越性能：与传统的垂直偏转法相比，L-SJEM将系统信噪比（SNR）从20跃升至168。由于极低的本底噪声，L-SJEM将热膨胀检测的下限成功推进至创纪录的0.37pm。更具优势的是，由于这种扭转响应机制，系统可以通过简单调节扫描法向力来灵活调控测量灵敏度；并能通过对比“去向扫描（Trace）”和“回向扫描（Retrace）”的信号差异，完美解耦出同一位置的面内（In-plane）与面外（Out-of-plane）两组独立热膨胀矢量特征。该技术随后在石墨烯中镓离子束辐照引发的极细微缺陷检测定位中得到了完美的实际验证。

这项研究提出了一种完全建立在标准AFM探针架构上的高灵敏度位移检测新范式，彻底摆脱了对昂贵特制探针的依赖。其灵活的灵敏度调控和多维形变解耦能力，使得该横向偏转策略能够非常容易地作为一种独立模块，集成至现有的商用AFM系统平台中。未来，该策略可移植应用于压电响应力显微镜（PFM）、光诱导力显微镜等其他依赖接触扫描的测量技术中，为微纳电子学和先进材料的高精度表征提供通用仪器升级方案。