最新第七章-原子力显微镜教学讲义PPT课件

通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电
子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描 器在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距 离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定， 也就是使探针－样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下， 记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得 到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。
3.当距样品较远时（0.2nm—10nm），主要是范德瓦尔斯力 （Van Der Waals Force，简称VDW）起作用；
4.距离较近时主要是排斥力起作用。排斥力的大小取决于针 尖与样品表面的原子的接近程度。
1. 结构组成
主要由探头、扫描装置、计算机及显示终端等几部分 组成。 （1）探头：包括微悬臂、隧道电流探针、样品室、机械调 整装置和压电陶瓷管等。 （2）扫描装置：一般有两种扫描方式，一种为恒流模式； 另一种为恒高模式。 （3）计算机处激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
二. 特点：
1.AFM（Atomic Force Microscope）是以STM为基础，和 STM为类似技术的扫描探针显微镜，它是通过研究样品表 面与针尖原子间的作用力同距离的关系而获得样品表面 形貌信息的显微术。
2.它不象STM使用金属探针，而是使用一个尖端附有探针的 极灵敏的弹簧臂来作力敏元件，称之为微悬臂。当微悬 臂接近样品表面时，探针和样品表面原子力将产生相互 作用。
（二）光学偏转法检测的原子力显微镜
1.结构原理图：
右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。
微悬臂通常由一 个一般100～500μm 长和大约500nm～ 5μm厚的硅片或氮化 硅片制成。
1.1 力检测部分
在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原 子与原子之间的斥力或范德华力。所以在本系统中是使用微 小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂 通常由一个一般 100～500μm 长和大约 500nm～5μm 厚的 硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检 测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格， 例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格 的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不 同类型的探针。
第七章-原子力显微镜
一.引言
由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构， 对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显 微镜的这一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一 台原子力显微镜（AFM）。
原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固 定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触， 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力 （斥力10-8～10-6N或范德瓦尔斯力），通过扫描时控制这种力 的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间 作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用 光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌信息。
三.AFM 操作模式
1.接触式 (contact mode)
2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式）
3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode)
4.相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，另一端有一 微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子 与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-8～10-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是
2.原子力显微镜的工作原理
❖ 当微悬臂上的探针在样品表面X和Y方向作相对扫描时， 因为样品表面是凹凸不平的，探针与样品表面的原子间的相 互作用力也随之发生变化，导致探针和微悬臂一起上下起伏， 微悬臂的起伏与样品表面原子力等位面相对应，亦即和样品 表面的形貌相对应。对于恒高模式，在微悬臂上下起伏的过 程中，隧道电流针尖与微悬臂之间的隧道电流随之变化，检 测此隧道电流即获得样品表面的形貌信息。对于恒流模式， 在微悬臂上下起伏的过程中，隧道电流针尖随之也 上下起 伏，检测此隧道电流针尖在Z方向的移动，即获得样品表面 的形貌信息。将这些信息进行模数转换并送入计算机进行处 理，即可获得样品表面的超微结构图象或原子分布图。
右图是一典型的 AFM悬臂和针尖
1.2 位置检测部分
在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间 有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当 激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬 臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统 中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电 的信号，以供SPM控制器作信号处理。
右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到 样品表面的不同信息。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。