原子力显微镜简介

原子力显微镜简介

杨延莲

国家纳米科学中心

2007.3.30

1.原子力显微镜的发展历史

2.原子力显微镜的基本原理

3.原子力显微镜的要素

4.原子力显微镜的操作模式

5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像

6.原子力显微镜的应用进展

•

三维扫描控制•

控制电路•

振荡隔离系统•

微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法

•基本成像模式

•派生成像模式

•谱学模式

原子力显微镜的发展历史

mm

μ

m

nm

10-910-610-3m

肉眼可见

光学显微镜

扫描电镜

扫描探针显微镜

扫描I

扫描I

Z

I 一次扫描扫描示意图

扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士

和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM

氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏

搬走原子写“中国”

铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面

排成的汉字

原子力显微镜(AFM)的发明

由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。

1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜

1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像

1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。

原子力显微镜的派生功能

摩擦力显微镜（FFM）

磁力显微镜（MFM）

导电AFM（CAFM）

静电力显微镜（EFM ）

表面电势成像（SP imaging）

扫描电化学显微镜（SECM）

扫描电容显微镜（SCM）

扫描热显微镜（SThM）

这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。

原子力显微镜的基本原理

在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。AFM 利用的基本原理

有几种典型的相互作用力可以作为AFM 的检测信号：范德华力，静电力、磁力等

间歇接触

恒力扫描

恒高扫描

Z

F

扫描示意图

恒力和恒高扫描成像

X

Z Y

计算机和反馈控制

显示器

针尖与

微悬臂激光

检测器

样品

压电陶瓷扫描管

原子力显微镜的工作原理

针尖和样品之间的力F 与微悬臂的形变Δz F ＝k ·Δz

原子力显微镜的要素

所谓压电效应是指某些晶体材料在受到机械力作用发生形变时，会产生电场，或给晶体加一电场时，会产生物理形变的现象。

PZT 压电陶瓷能简单地将1mV~1000V 的电压信号转换成十几分之一纳米到数微米的机械位移，完全满足SPM

三维扫描控制精度的要求

三维扫描控制

压电三脚架

压电陶瓷管

双层压电晶片驱动的三脚架结构

微加工的压电驱动器，可进行纵向、横向、垂直弯曲及扭转运动

控制电路

接触模式非接触模式

间歇接触模式

振动隔离系统

提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统

振动源：

建筑物振动（10－100Hz ）

通风管道、变压器和马达（6－65Hz ）人走动（1－3Hz ）声音等

减震系统的设计：1－100Hz 之间的振动

AFM 刚性的结构设计:尽可能高的共振频率fs 。刚性越大，对外部减震系统的要求就越低，因为由刚体的固有结构阻尼产生的滞后损失可以有效地散逸外界振动。

振动隔离系统:固有频率越低，振动隔离效果越好。

•弹簧-阻尼系统

•平板－弹性体堆垛系统•充气平台

微悬臂形变检测方法

针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz F＝k·Δz，其中，k为微悬臂的力常数

1. 隧道电流检测法

2. 电容检测法

3. 光学干涉法

4. 光束偏转法自由排斥吸引

分辨率信噪比

隧道电流高，Z向0.01nm低针尖的污染，热振动、热漂移

抗噪音水平低

灵敏度和信噪比都高，设备复杂

光束偏转法较高，z向0.003nm高原理和技术简单，精度也较高，适用范围广

电容法高，Z向0.01nm低光学干涉法高，z向0.001nm高

微悬臂的设计--分辨率和噪音水平

•很小的力常数一般为0.01～100 N/m

微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到nm 量级，这样针尖与样品之间零点几个纳牛顿（nN ）作用力的变化就可以被检测到•共振频率必须足够高，减小振动和声波的干扰(>10kHz)

•微悬臂的长度要短，质量要小，以满足低力常数和高共振频率的要求•微悬臂要有较高的横向刚性

•非固定端带有一个纵横比较高的尖锐针尖

•光学偏转法检测微悬臂位移的仪器，要求微悬臂的背面有平滑的

光学反射面

S

L EI f ρ42314.0=33L

EI k =2257.957.9Mf LSf k ==ρ