1、原子力顯微鏡物理學院101120104 邱博通 一、 引言在當今的科學技術中，如何觀察、測量、分析尺寸小于可見光波長的物體，是一個重要的研究方向。 掃描隧道顯微鏡(STM) 使人們首次能夠真正實時地觀察到單個原子在物體表面的排列方式和與表面電子行為有關的物理、化學性質。 STM要求樣品表面能夠導電，從而使得STM只能直接觀察導體和半導體的表面結構。為了克服STM 的不足之處，推出了原子力顯微鏡(AFM)。AFM是通過探針與被測樣品之間微弱的相互作用力(原子力) 來獲得物質表面形貌的信息。因此，AFM除導電樣品外，還能夠觀測非導電樣品的表面結構，且不需要用導電薄膜覆蓋,其應用領域將更為廣闊。除物

2、理，化學生物等領域外，AFM在為微電子，微機械學，新型材料，醫學等領域有著廣泛的應用，以STM和AFM為基礎，衍生出一系列的掃描探針顯微鏡，有激光里顯微鏡，磁力顯微鏡，掃描探針顯微鏡主要用于對物質表面在納米線上進行成像和分析。二、實驗目的 1了解原子力顯微鏡的工作原理2掌握用原子力顯微鏡進行表面觀測的方法三、原子力顯微鏡結構及工作原理（1） AFM的工作原理在原子力顯微鏡的系統中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統。主要工作原理如下圖：在AFM中用一個安裝在對微弱力極敏感的微懸臂上的極細探針。當探針與樣品接觸時,由于它們原子之間存在極微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微懸臂偏

3、轉。 掃描時控制這種作用力恒定,帶針尖的微懸臂將對應于原子間作用力的等位面,在垂直于樣品表面方向上起伏運動, 因而會使反射光的位置改變而造成偏移量，通過光電檢測系統(通常利用光學、電容或隧道電流方法) 對微懸臂的偏轉進行掃描,測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化, 此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統，以利于系統做適當的調整。將信號放大與轉換從而得到樣品表面原子級的三維立體形貌圖像。AFM 的核心部件是力的傳感器件, 包括微懸臂(Cantilever) 和固定于其一端的針尖。根據物理學原理,施加到Cantilever 末端力的表達式為：F = KZ。Z 表示針尖相對于試樣間的

4、距離, K 為Can2tilever 的彈性系數，力的變化均可以通過Cantilever 被檢測。（2） AFM關鍵部位：AFM關鍵部份是力敏感元件和力敏感檢測裝置。所以微懸臂和針尖是決定AFM靈敏度的核心。為了能夠準確地反映出樣品表面與針尖之間微弱的相互作用力的變化,得到更真實的樣品表面形貌,提高AFM 的靈敏度,微懸臂的設計通常要求滿足下述條件: 較低的力學彈性系數,使很小的力就可以產生可觀測的位移; 較高的力學共振頻率; 高的橫向剛性,針尖與樣品表面的摩擦不會使它發生彎曲; 微懸臂長度盡可能短;微懸臂帶有能夠通過光學、電容或隧道電流方法檢測其動態位移的鏡子或電極; 針尖盡可能尖銳。 (3

5、) AFM的針尖技術探針是AFM的核心部件。如右圖。目前,一般的探針式表面形貌測量儀垂直分辨率已達到0.1 nm ,因此足以檢測出物質表面的微觀形貌。 但是,探針針尖曲率半徑的大小將直接影響到測量的水平分辨率。當樣品的尺寸大小與探針針尖的曲率半徑相當或更小時,會出現“擴寬效應”,即實際觀測到的樣品寬度偏大。 這種誤差來源于針尖邊壁同樣品的相互作用以及微懸臂受力變形。某些AFM 圖像的失真在于針尖受到污染。 一般的機械觸針為金剛石材料,其最小曲率半徑約20 nm。 普通的AFM 探針材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4 ) ,其最小曲率半徑可達10 nm。 由于可能存在“擴寬效應”,針尖技術的發

6、展在AFM中非常重要。 其一是發展制得更尖銳的探針,如用電子沉積法制得的探針,其針尖曲率半徑在510 nm 之間 。 其二是對探針進行修飾,從而發展起針尖修飾技術。探針針尖的幾何物理特性制約著針尖的敏感性及樣品圖像的空間分辨率。 因此針尖技術的發展有賴于對針尖進行能動的、功能化的分子水平的設計。 只有設計出更尖銳、更功能化的探針, 改善AFM 的力調制成像(force modulation imaging) 技術和相位成像(phase imaging)技術的成像環境,同時改進被測樣品的制備方法,才能真正地提高樣品表面形貌圖像的質量。(4) AFM的工作模式AFM 有三種不同的工作模式: 接觸模

7、式( contact mode) 、非接觸模式(noncontact mode) 和共振模式或輕敲模式(Tapping Mode) 。接觸模式接觸模式包括恒力模式(constant2force mode) 和恒高模式(constant2height mode) 。 在恒力模式中過反饋線圈調節微懸臂的偏轉程度不變,從而保證樣品與針尖之間的作用力恒定,當沿x 、y 方向掃描時,記錄Z 方向上掃描器的移動情況來得到樣品的表面輪廓形貌圖像。 這種模式由于可以通過改變樣品的上下高度來調節針尖與樣品表面之間的距離,這樣樣品的高度值較準確,適用于物質的表面分析。 在恒高模式中,保持樣品與針尖的相對高度不變,

8、直接測量出微懸臂的偏轉情況,即掃描器在z 方向上的移動情況來獲得圖像。 這種模式對樣品高度的變化較為敏感,可實現樣品的快速掃描,適用于分子、原子的圖像的觀察。 接觸模式的特點是探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動。 針尖與樣品之間的相互作用力是兩者相接觸原子間的排斥力,約為10 - 8 10 - 11N。 接觸模式通常就是靠這種排斥力來獲得穩定、高分辨樣品表面形貌圖像。 但由于針尖在樣品表面上滑動及樣品表面與針尖的粘附力,可能使得針尖受到損害,樣品產生變形, 故對不易變形的低彈性樣品存在缺點。非接觸模式非接觸模式是探針針尖始終不與樣品表面接觸,在樣品表面上方520 nm 距離內掃描。 針尖與樣

9、品之間的距離是通過保持微懸臂共振頻率或振幅恒定來控制的。在這種模式中,樣品與針尖之間的相互作用力是吸引力范德華力。 由于吸引力小于排斥力,故靈敏度比接觸模式高,但分辨率比接觸式低。 非接觸模式不適用于在液體中成像。輕敲模式在輕敲模式中,通過調制壓電陶瓷驅動器使帶針尖的微懸臂以某一高頻的共振頻率和0。 011 nm 的振幅在Z 方向上共振,而微懸臂的共振頻率可通過氟化橡膠減振器來改變。 同時反饋系統通過調整樣品與針尖間距來控制微懸臂振幅與相位,記錄樣品的上下移動情況,即在Z 方向上掃描器的移動情況來獲得圖像。 由于微懸臂的高頻振動,使得針尖與樣品之間頻繁接觸的時間相當短,針尖與樣品可以接觸,也可

10、以不接觸,且有足夠的振幅來克服樣品與針尖之間的粘附力。 因此適用于柔軟、易脆和粘附性較強的樣品,且不對它們產生破壞。 這種模式在高分子聚合物的結構研究和生物大分子的結構研究中應用廣泛。(5) AFM中針尖與樣品之間的作用力AFM檢測的是微懸臂的偏移量,而此偏移量取決于樣品與探針之間的相互作用力。 其相互作用力主要是針尖最后一個原子和樣品表面附近最后一個原子之間的作用力。當探針與樣品之間的距離d 較大(大于5 nm) 時,它們之間的相互作用力表現為范德華力(Van der Waals forces) 。 可假設針尖是球狀的,樣品表面是平面的,則范德華力隨1Pd2 變化。 如果探針與樣品表面相接觸

11、或它們之間的間距d 小于0。 3 nm ,則探針與樣品之間的力表現為排斥力(Pauli exclusion forces) 。 這種排斥力與d13 成反比變化,比范德華力隨d 的變化大得多。 探針與樣品之間的相互作用力約為10 - 6 10 - 9N ,在如此小的力作用下,探針可以探測原子,而不損壞樣品表面的結構細節。品與探針的作用力還有其他形式,如當樣品與探針在液體介質中相接觸時,往往在它們的表面有電荷,從而產生靜電力;樣品與針尖都有可能發生變形,這樣樣品與針尖之間有形變力;特定磁性材料的樣品和探針可產生磁力作用;對另一些特定樣品和探針,可能樣品原子與探針原子之間存在相互的化學作用,而產生化

12、學作用力。 但在研究樣品與探針之間的作用力的大小時,往往假設樣品與探針特定的形狀(如平面樣品、球狀探針) ,可對樣品和探針精心設計與預處理,避免或忽略靜電力、形變力、磁力、化學作力等的影響,而只考慮范德華力和排斥力。四、實驗裝置：儀器特點：（1）掃描時間比較短，如果掃描一幅圖像需要十多分鐘，那么周圍的電干擾，光干擾以及震動，溫度的變化等因素將直接影響到圖像的準確性和完整性。（2）臥式設計：主要是消除微懸臂自身的重力對縱原子力的干擾，臥式AFM中的重力方向與用于成像的原子力互相垂直，從而提高了儀器的靈敏度。五、實驗步驟：本實驗采用接觸模式中的恒力模式：樣品掃描時，針尖始終同樣品“接觸”，即針尖-

13、樣品距離在小于零點幾個納米的斥力區域。此模式通常產生穩定、高分辨圖像。當沿著樣品掃描時，由于表面的高低起伏使得針尖-樣品距離發生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發生改變。當激光束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測器時，檢測器不同象限會接收到同懸臂形變量成一定的比例關系的激光強度差值。反饋回路根據檢測器的信號與預置值的差值，不斷調整針尖一樣品距離，并且保持針尖一樣品作用力不變，就可以得到表面形貌像。依次按下面步驟開啟實驗儀器：（1）依次開啟：電腦-控制機箱-高壓電源-激光器。（2）用粗調旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距<1 mm。（3）再用細調旋鈕使樣品逼近微探針：

14、順時針旋細調旋鈕，直至光斑突然向PSD移動。（4）緩慢地逆時針調節細調旋鈕并觀察機箱上反饋讀數：Z反饋信號約穩定在150至 250之間（不單調增減即可），就可以開始掃描樣品。（5）讀數基本穩定后，打開掃描軟件，開始掃描。（6）掃描完畢后，逆時針轉動細調旋鈕退樣品，細調要退到底。再逆時針轉動粗調旋鈕退樣品，直至下方平臺伸出1厘米左右。（7）實驗完畢，依次關閉：激光器-高壓電源-控制機箱（8）處理圖像，得到粗糙度六、實驗測量結果：（1）A4紙樣品的表面形貌A4紙的測量結果如下：測量時間： 2013年5月30日 19:28:08 圖像大小： 400×400 象素掃描范圍： X：4000 n

15、m ； Y：4000 nm 掃描時間： 50 s亮度閾值： 0.80Z最大值： 1.88 V ； Z最小值：1.27 V ； Z平均值： 1.64 V粗糙度 Ra： 15.5 nm ； Ry：145.9 nm ； Rz： 145.9 nm二維表面形貌：三維表面形貌：（2）Cu樣品的表面形貌圖像大小： 400×400 象素掃描范圍： X：4000 nm ； Y：4000 nm掃描時間： 50 s亮度閾值： 0.80Z最大值： 2.06 V ； Z最小值：1.34 V ； Z平均值： 1.64 V粗糙度 Ra： 12.9 nm ； Ry：166.6 nm ； Rz： 166.6 nm二維

16、表面形貌：三維表面形貌： （3） 玻璃樣品測量時間： 2013年5月30日 19:02:26 圖像大小： 400×400 象素掃描范圍： X：4000 nm ； Y：4000 nm 掃描時間： 50 s亮度閾值： 0.80Z最大值： 1.79 V ； Z最小值：1.46 V ； Z平均值： 1.65 V粗糙度 Ra： 4.1 nm ； Ry：56.2 nm ； Rz： 56.2 nm二維圖像形貌：三維圖像形貌：從以上三個樣品所測量的圖貌不難看出，AFM掃描出的圖形能直接看出樣品的表面結構。從三維圖像中物體的起伏情況可以看出樣品表面各區域的粗糙度。實驗分析與討論：防止針尖損壞： AFM

17、 的針尖是整個儀器最脆弱的部分，一碰即斷，所以應該防止一切物體與針尖直接接觸。實驗過程中針尖容易損壞的環節主要有兩個，一是安裝針尖的時候，二是進針的時候。本實驗實驗時針尖已安裝好，所以在裝樣品和粗調是不要碰到尖針。 在裝樣品時維持樣品表面的清潔，否則測量的圖不清晰。在實驗過程中，桌面的震動會是掃描的圖形出現一條縫。由于實驗采用的是接觸模式，周圍環境的震動會影響圖形的的測量結果，因而開始掃描后盡量保持實驗桌的穩定，否則會過大的震動會破壞圖形。七、思考分析 （1）AFM探測到的原子力的由哪兩種主要成分組成？一種是吸引力即范德瓦耳斯力；另外一種是電子云重疊而引起的排斥相互作用。（2）怎樣使用AFM，

18、才能較好地保護探針？仔細調節接觸距離，粗調時，不要讓指針壓迫樣品，保持1mm，掃描過程中保證探針不產生破壞性形變。（3）原子力顯微鏡有哪些應用？原子力顯微鏡可以用于研究金屬和半導體的表面形貌、表面重構、表面電子態及動態過程,超導體表面結構和電子態層狀材料中的電荷密度等。另外原子力顯微鏡在摩擦學中的有許多應用，如納米摩擦、納米潤滑、納米磨損、納米摩擦化學反應和機電納米表面加工等。在生物上，原子顯微鏡可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。觀察細胞等等。（4）與傳統的光學顯微鏡、電子顯微鏡相比，掃描探針顯微鏡的分辨本領主要受什么因素限制？傳統的光學顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長或電子波長以上線度的結構。而掃描探針顯微鏡的分辨本領主要取決于：探針針尖的尺寸；微懸臂的彈性系數，彈性系數越低，AFM越靈敏；懸臂的長度和