扫描探针显微镜

这种静电排斥随探针与样品表面原子进一步靠近 ，逐渐抵消原子间的吸引力．当原子间距离小于 1nm，约为化学键长时，范德华力为0．当合力为正 值(排斥)时，原子相互接触．由于在接触区域范德 华力曲线斜率很高，范德华斥力几乎抵消了使探针 进一步靠近样品表面原子的推力．当探针弹性系数 很小时，悬臂发生弯曲．通过检测这种弯曲就可以 进行样品形貌观察。假如设计很大弹性系数的硬探 针给样品表面施加很大的作用力，探针就会使样品 表面产生形变或破坏样品表面．这时就可以得到样 品力学信息或对样品表面进行修饰．

它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状 、大小和材料有关．厚而短 的悬臂具有硬度大和振动频 率高的特点．
商品化的悬臂一般长为100~200 μm、宽10~40μm、厚 0.3~2μm，弹性系数变化范围一般在几十N· m-1到百分之几 N· m-1之间，共振频率一般大于10kHz。探针末端的针尖一般呈 金字塔形或圆锥形，针尖的曲率半径与AFM分辨率有直接关 系．一般商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围． 3 光电检测器 AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源发 出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系 统．然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成 电压信号方式来指示光点位置。
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一、 原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“ 摸索”样品表面来获得信息．如图1所示，当 针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发 生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测系 统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像 系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以 获得样品表面信息图像．下面分别介绍检测系 统、扫描系统和反馈控制系统。
发展历史

发明
– 1982年，在瑞士苏黎世的IBM实验室，宾尼格
(Binning), 罗赫尔(Rohrer)等发明了扫描隧道 显微镜（STM）。

发展
– 1986年，IBM和Stanford University合作
由Binning, Quate, and Gerber发明了原 子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM)。
侧向摩擦力显微镜（Lateral Force Microscope , LFM） 摩擦力显微镜（Friction Force Microscope , FFM） 磁力显微镜(Magnetic Force Microscope , MFM) 静电力显微镜(Electric Force Microscopy , EFM) 扫描近场光学显微镜(Near-field Scanning Optical Microscopy , SNOM) – 扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy , SECM)
3. 敲击成像模式 敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比 非接触式AFM有更近的样品与针尖距离．和非接触 式AFM一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使 探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫)．振 动的振幅可以通过检测系统检测．当针尖刚接触到 样品时，悬臂振幅会减少到某一数值．在扫描样品 的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定 ．当针尖扫描到样品突出区域时．悬臂共振受到阻 碍变大，振幅随之减小．相反，当针尖通过样品凹 陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之增 加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器后 ，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅保 持恒定．反馈调节是靠改变Z方向上压电陶瓷管电 压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶瓷 管的移动就得到样品表面形貌图。
5 反馈控制系统 AFM反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。 AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。 控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向 扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路 输入模拟信号在一恒定数值．计算机通过A/D转换读取比较 环路电压(即设定值与实际测量值之差)．根据电压值不同， 控制系统不断地输出相应电压来调节Z方向压电传感器的伸 缩，以纠正读入A/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输 出电压恒定。 电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用Baidu Nhomakorabea电子 线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号 ，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
四、 原子力显微镜工作环境
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用力． 液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一液固 界面的研究． (4)电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境．电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件．电化学AFM可以现场研 究电极的性质．包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
二、 原子力显微镜的分辨率
原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分 辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集 团像的步宽(Step size)和针尖形状． 1. 步宽因素 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形 式如图3.3所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描， 计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取 512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像 得到步宽为2nm(1μm／512)，高质量针尖可以提 供1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸 超过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集 图像的步宽决定的。
敲击式AFM与接触式和非接触式AFM相比有明显的优点. 敲击式AFM有效防止了样品对针尖的粘滞现象和针尖对样品的 损坏．如图8所示，当遇到固定不牢的样品时，用接触式AFM 成像易使样品因摩擦力和粘滞力被拉起，从而产生假象．用非 接触式AFM成像时，因其分辨率低，所以不能得到样品的精细 形貌．敲击式AFM集中了接触式分辨率高和非接触式对样品损 害小的优点，得到了既反映真实形貌又不破坏样品的图像．敲 击式AFM的另一优点是它的线性操作范围宽，这为反馈系统提 供了足够高的稳定性，从而保证了样品检测的重现性．
第一台STM和AFM
原子力显微镜
扫描隧道显微镜
SPM概述－各类显微镜的比较
透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场电子显微镜 （FEM ）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪 （AES）、光电子能谱（ESCA）、电子探针 局限性： LEED及X射线衍射等衍射方法要求样品具备周期 性结构;光学显微镜和SEM的分辨率不足以分辨出表 面原子 高分辨TEM主要用于薄层样品的体相和界面研究 FEM和FIM只能探测在半径小于100nm的针尖上的 原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂，可用 来作为样品的研究对象十分有限； X射线光电子能谱(ELS)等只能提供空间平均的电 子结构信息 上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求，例 如真空条件等。
图5 不同侧面角针尖对样品表面成像路线影响
三、 原于力显微镜基本成像模式

原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是 接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、敲击式(tapping mode)和升降式(lift mode) ．
1. 接触成像模式 在接触式AFM中，探针与样品表面进行“软接触 ”．当探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与 样品表面原子首先相互吸引，一直到原子间电子云 开始相互静电排斥．如图7所示。

2. 针尖因素
AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖 的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像主要 表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率半径决 定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的 探测能力．如图3.4所示，曲率半径越小，越能分辨精细结构 ．
4 扫描系统 AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的． 扫描器中装有压电转换器．压电装置在X，Y，Z三个 方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的 基质材料主要是钛锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶 瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩 特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系．压电 陶瓷能将1mv~1000V的电压信号转换成十几分之一 纳米到几微米的位移。
图3,4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线
当针尖有污染时会导致针尖变钝(图4)，使得图像灵敏度下 降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的垂直分辨率 ．样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面角大小．侧面角越 小，分辨陡峭样品表面能力就越强，图5说明了针尖侧面角对 样品成像的影响。
图4 针尖污染时成像路线和相应形貌图
图1 AFM原理图
1 检测系统 悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测 ，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电 容检测法等。目前AFM系统中常用的是激光反射 检测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检 测系统由探针、激光发生器和光检测器组成. 2 探针 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和 悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展 ，人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针 。悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬 臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触 式AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
2. 非接触成像模式 非接触式AFM中，探针以特定的频率在样品表面附近振动 ．探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间．这一距离 范围在范德华力曲线上位于非接触区域．在非接触区域，探 针和样品表面所受的总力很小，通常在10-12N左右。在非接触 式AFM中，探针以接近于其自身共振频率 (一般为100kHz到 400kHz)及几纳米到数十纳米的振幅振动．当探针接近样品表 面时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种变化 后，把信号传递给反馈系统，然后反馈控制回路通过移动扫 描器来保持探针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样品表 面平均距离恒定，计算机通过记录扫描器的移动获得样品表 面形貌图。 非接触式AFM不破坏样品表面，适用于较软的样品．对于 无表面吸附层的刚性样品而言．非接触式AFM与接触式AFM 获得的表面形貌图基本相同．但对于表面吸附凝聚水的刚性 样品，情况则有所不同．接触式AFM可以穿过液体层获得刚 性样品表面形貌图，而非接触式AFM则得到液体表面形貌图 。
SPM概述－独特优点
①
②
③
④
可在真空、大气、常温、溶液等不同环 境下工作，不需要特别的制样技术，并 且探测过程对样品无损伤。 设备相对简单、体积小、价格便宜、制 样容易、检测快捷、操作简便等特点。 得到的是样品表面的三维立体图像。 兼具“眼睛”和“手”的功能。
SPM概述－几种表面分析仪器的比较
仪器 扫描探针 显微镜（SPM ） 透射电镜 (TEM) 扫描电镜（ SEM） 场离子显微镜 （FIM） 分辨率 工作环境 实环境、大气 、溶液、真 空 高真空 室温 温度 对样品损伤
扫描探针显微镜
实验目的及要求 掌握AFM和MFM的基本原理
掌握AFM和MFM的操作和调试
观察样品的表面形貌和表面畴结构
扫描探针显微镜概述

定义
扫描探针显微镜
利用微小探针在样品表面扫描，通过 检测和控制探针与样品间相互作用的物 理量(隧道电流、原子间力、摩擦力、磁 力等)，来对样品微小区域表面进行形貌 检测及物性分析等的仪器的总称。
原子级（0.1nm）
无
点分辨率 （0.3-0.5nm） 晶格分辨率 （0.1-0.2nm）
6-10 n m
小
高真空
室温
小
原子级
超高真空
30-80K
有
SPM概述－Scanning Probe Microscopy Family

Scanning probe microscopy (SPM) is a relatively new family of microscope that can measure surface morphology down to atomic resolution.