扫描探针显微镜原理及其应用1

●Phase ●VE ●VE - DFM
●MFM ●KFM
SPI
Applications of AFM and DFM
ＨＯＰＧ AFM
Al-grain DFM
Liquid crystal 11CB STM
Cilia of Rat DFM Chromosome DFM in liquid DVD DFM
SPI 扫描探针显微镜与其他显微镜在分辨能力上的比较
10 mm Z resolution/m
15μm 15μm
SEM TEM
Optical Microscope
10μm 10μm
10 nm
SPM
10 pm 10 nm 10μm 10μm
0.2nm 0.2nm
Reference：NIKKEI MICRDEVICES 86.11 ：
Topography & Physical property
MFM（10μm□ MFM（10μm□）
Measurement in various environment
~ In Air，High Vacuum，Liquid，Heat，Cool，Magnetic Field
Before After
Lung cancer cell among culture solution DFM（100μm□ DFM（100μm□）
扭曲形变信号
Small Friction
Large Friction
Small Friction
Large Friction
Edge Effect
Lateral Modulation
扭曲振动信号
【应用领域】 应用领域】 润滑剂・ 有机・ 高分子・ 润滑剂・ 有机・ 高分子・ 塑 胶・橡胶
样品 : 聚苯乙烯上的薄膜
800μm 800μm 10 mm
X,Y resolution/m
SPI
扫描探针显微镜的优势
Atomic Image HOPG） （HOPG）
High Resolution in 3D image
STM（～2nm□ STM（～2nm□） （～2nm
MagnetMagnet-Optical Disk
SPI
Comparison of AFM and DFM AFM
AFM
Contact
Mode
DFM
Cycric-Contact Non-Contact
Interaction
Large （～10 Large （～ 10 - 9 N)
●Symple ●3D Atomic image ●Pysical property at contact state ●Influence adhesive and charged sample
Photo Detector Pre Amp.
ω ingredient (Aω) ωr ingredient （ Ａω）ｒ ）
F
Vs : Surface potential
Vrsinωrt(for cantilever vibration) Potential control I gain
Sample PZT scanner It is set in the KFM measurement.
Conducting AFM（電流同時測定） AFM（電流同時測定）
I/V放大器 放大器
【可得到什么信息？】 可得到什么信息？ 样品微小区域的导电性分布 任意点的I 曲线特性 任意点的 / V曲线特性 测量原理】 【测量原理】 导电性Cantilever和样品间加任意的 导电性 和样品间加任意的 电压可以进行导电性分布测量或局部 I / V曲线测量 曲线测量 特征】 【特征】 电流分辨率 ： 约60fA RMS 用电场氧化的样品表面加工 用电场氧化的样品表面加工 应用领域】 【应用领域】 半导体，陶瓷， 半导体，陶瓷，绝缘膜 导电性高分子等
HD ＣＤ・ ＣＤ・ＤＶＤ Memory Ceramics Metal Rubber Cell ＤＮＡ
Topography Mechanical Electric Magnetic Optical Processing
Ra ・ Particle & grain analysis ・ Pitch & height measurement VE ・ Friction ･ Adhesion ･ Hardness（Nano-indentation） Hardness（Nano-indentation）
Topography（ μ □ Topography（5μm□）
FFM
LM-FFM
SPI
KFM（表面电位显微镜） （表面电位显微镜）
Signal
Magnification
Lock-in amplifier 2ωingredient （ Ａ2ω ）
【可得到什么信息？】 可得到什么信息？ 样品微小区域的表面电 位分布 测量原理】 【测量原理】 利用作用于探针－ 利用作用于探针－样品 间的静电力来测量样品 的表面电位 特征】 【特征】 测量电位 ：±10V 电位分辨率 约1mV 可测量厚度在数100µm 可测量厚度在数 以下的样品 应用领域】 【应用领域】 金属，半导体，陶瓷等 金属，半导体，陶瓷等
INPUT
Vibration Signal to PZT
(1～10kHz) ～
(Large) (Small)
Cantilever PZT
OUTPUT Deflection Signal of Cantilever
OUTPUT Deflection Signal of Sample
（Small） Small） （Large） Large）
Small （～10 Small （～ 10 - 1 1 N)
●Advantage of soft materials ●Setup of very small force ●Pysical property at Intermittent non-contact state
Feature
●Frection ●VE ●VE - AFM Application ●Adhesion ●Current
形貌像
VE-AFM像 像
聚苯乙烯上的Si油膜分散样品的测量数 聚苯乙烯上的 油膜分散样品的测量数 据。 在表面形貌像上， 在表面形貌像上，可以知道附着的薄油 形貌像上 膜部分比底材的聚苯乙烯软。 膜部分比底材的聚苯乙烯软。 （测量范围 10×10µm） × ）
SPI
LM-FFM（横向振动摩擦力模式） （横向振动摩擦力模式）
Voff
Potential feedback (Voff is controlled to Aω=0) => surface potential Vs=-Voff be detected. Z servo (Z is controlled to ⊿Aω= const. ) => topography (Z) is detected.
Medium （～10 Medium （～ 10 - 1 0 N)
●All-round topography imaging ●Small influence adhesive and charged sample ●Advantage of Large up and down sample ●Pysical property at intermittent contact state
between probe and sample.
STM (1981 invention 1987 utilization) AFM (1986 inwk.baidu.comention 1990 utilization)
Probe Sample surface physical interaction
DFM（Dynamic Force Mode） （ ） FFM (Friction Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) VE-AFM (Viscoelasticity AFM) KFM (Surface potential) SNOM
Z
VACsinωt (for AC electric field)
SPI
扫描探针显微镜原理
电特性测量
♦STM（扫描隧道测量模式） ♦AFM with Current measurement Mode (AFM同时电流测量模式) ♦AFM-CITS (AFM电流隧道谱)
SPI
Scanning Tunneling Microscope
SPI
VE-AFM/DFM（微粘弹性模式） （微粘弹性模式）
【测量原理】 测量原理】 模式下， 在AFM模式下，使扫描 模式下 器边产生Z方向微小振动 器边产生 方向微小振动 ，边加一定周期的力在样 品上， 品上，将这时的悬臂的弯 曲振幅影象化， 曲振幅影象化，以测量粘 弹性的表面分布。 弹性的表面分布。 【特征】 特征】 可同时测量物质表面的形 貌像及粘弹性分布。 貌像及粘弹性分布。
SPI
Applications of Multi-function SPM MultiSemiSemi- Ferroelectric conductor device
Ｓｉ ＧａＡｓ Memory Thin film
Storage Inorganic Polymer Biotechnology device Plastic Glass Protein
Observation・Analysis ⇒Processing
AFM Lithography by oxidization with elec. field
Scan（1μｍ Vector Scan（1μｍ□ ）
SPI
扫描探针显微镜原理
标准配置功能
♦Contact AFM（接触式原子力模式） ♦DFM (动态力模式，包括非接触式和间歇接触式原子力模式) ♦Phase Mode（相位模式） ♦FFM (摩擦力模式) ♦MFM (磁力模式) ♦Vector Scan（矢量扫描，纳米刻蚀） ♦Force vs Distance Curve (力曲线测量模式)
PZT Scanner
Metal Probe
Electron Cloud Tunnel Current
X,Y-Scan Computer Z-Servo Tunnel Current Amplifier
Electric Conductive Sample
Bias Voltage Monitor
SPI
Cantilever
Direction of scanning
Electrolytic oxidation After processing
SPI
扫描探针显微镜原理
物理特性测量
♦VE-AFM/VE-DFM (微区粘弹性测量模式) ♦LM-FFM (切向调制摩擦力测量模式) ♦ ♦Surface Potential Microscope KFM(表面电位势测量模式KFM) ♦Piezo Response Mode（压电响应模式）
Twisting Distortion Twisting Amplitude
Friction Force Microscope Lateral Modulation FFM
【测量原理】 测量原理】 模式操作下， 在AFM模式操作下，使样品产 模式操作下 生横方向振动， 生横方向振动，将Cantilever的 的 扭曲振动振幅影象化， 扭曲振动振幅影象化，以测量 摩擦力的表面分布。 摩擦力的表面分布。 【特征】 特征】 可同时测量物质表面的形貌像 及摩擦力分布。 及摩擦力分布。 从形状无法判断的材质差异或 混合物分布状态是有效。 混合物分布状态是有效。
SPI
Contact AFM（Atomic Force Microscope） AFM（ Microscope）
SPI
DFM（ DFM（Dynamic Force Mode） Mode）
PZT
SPI
Surface Processing by SPM (Vector Scan)
Before processing
SPI
扫描探针显微镜原理及其应用
SPI
扫描探针显微镜的历史
General term of a type microscope, which performs surface form observation in minute domain by detecting
the physics properties