扫描探针显微镜spm、afm

扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：

该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。

●分辨率

原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能

样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm

扫描范围：125X125μm，垂向1μm

●型号：

Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜

本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM

二、AFM独特的优点归纳如下:

(l)具有原子级的超高分辨率。理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。，从而可获得物质表面的原子晶格图像。 (2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。既适用于具有周期性结

构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。

(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。２０１２ｉｓ　ｃｏｍｉｎｇ

(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。

三、AFM的基本原理:

AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。原子力变化的梯度约为10-13N/nm。原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。因此，微悬臂的偏转量与探针一样品间距成对应关系，在对样品进行XY扫描时，检测这一偏转量，即可获得样品表面的微观形貌。

图表 1 AFM原理示意图

图表 2 AFM测试点示意图

四、启用AFM(contact)功能测试步骤： 开机顺序：

z开启设备电脑开关及双屏显示器；

z开启显微镜光源；

z开启光学显微镜CRT显示器电源；

z将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；

z打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；

z打开pc中的 软件，激活软件与设备主机连接图标；

z在软件中设置当前样品需要的扫描范围，台阶高度，扫描速度等参数；台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；

z倾斜着取下AFM针夹具，倒置于滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂

z放样品，样品粘于专用样品台片上，

z调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下针位置附近；z放置AFM测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后，使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；z高度调节到安全距离以后，小心地放入AFM针测试夹具,用肉眼结合CRT上观察确定样品与针的保持一段距离；

z固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM值为7V左右;

z探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V,垂直偏差（Vert）接近

-2.0V；

z开始手动下针，注意时时观察光学显微镜CRT，下针过程中注意三轴的同步；

z当样品表面与悬臂焦距接近时，调节此时的horizontal deflection和vertical deflection值，分别至0V和-0.7～-0.8V 附近

z单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；

z下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X轴与Y 轴的offset值（offset范围不得超过70μm），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。

z扫描完毕后，软件抬针，处理数据，保存。

z手动抬针，小心地将夹具取出，置于安全的位置，再取出样品，将载样品的圆片置于培养皿中，针测试夹具放回设备主机中。

关机顺序：

z关闭设备主控电源；

z关闭光学显微镜CRT电源、光源；

z将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；

z将主机隔尘罩小心的罩于主机上；

z关闭计算机电源及双屏显示器电源；

五、注意事项：

z此为精密设备，需倍加爱护；

z该设备需熟练掌握下针技巧后，才可独立操作；

z针夹具取出后，一定倒置于滤纸上，并保证放于衣袖碰触不到的地方；

z下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；

z显微镜视场光斑打到样品台中心位置，保证样品台平整时，针在视场的中心位置；

z手动下针的过程中，调三轴调节钮时，注意观察水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert）；

z自动下针完成后，在调节X,Y offset确定扫描位置和范围的时候，务必先将采样频率降低；

z测试过程中，密切注意测试状态：显示CRT上针的状态及软件中可能出现超限提示的部分；

z测试过程中，尽量保正环境气流稳定，请缓慢行走，轻轻关门；

六、本设备其它功能：

以下为本设备理论上可实现的各种功能（需要购买相应配件予以实施）：