原子力显微镜原理、仪器及应用

原子力显微镜的基本原理是：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，通过 在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。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于 扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
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原子力显微镜的硬件架构
在原子力显微镜的系统 中，可分成三个部分：
力检测部分 位置检测部分 反馈系统
图2、原子力显微镜(AFM)系统结构
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各部分介绍
2.1 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。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。 2.2 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cantilever的末端时，其反射光 的位置也会因为cantilever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。
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安装探针
注意事项：
弹片要用两个手指均匀用力
不可以将弹片提起太高，以免弹片 变形
光路的判断
必须确定激光已落在针尖的背面，才能进针进行扫描！
激光落在悬臂后 部，左右移动激 光器可以看到水 平的衍射条纹； 向前移动激光器 则没有垂直的衍 射条纹；
激光落在悬臂边 缘，此时可以看 到十字或倾斜的 衍射条纹；
激光落在基片 上，纸条上出 现光斑；大范 围左右移动激 光器，光斑无 变化，没有衍 射条纹出现；
AFM探针
材质：硅、氮化硅； 悬臂形状：矩形或三角形；
镀层：背面镀铝、镀金、镀铂等；
尺寸参数：长度、宽度、厚度； 力参数：力常数、共振频率； 针尖参数：针尖尺寸、高度、锥角；
AFM探针
针尖的种类
测试样品台解析
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原理
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜 （STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效 应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假 设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的 探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间 的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与 距离的关系如“图1”所示，当原子与原子很接 近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为 斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时 ，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子 云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力 的作用。
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结构简图
AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM隧道针 尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
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基本原理
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学 的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（ SPM）进行观测。
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集中工作模式
相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术 ，相移模式(相位移模式)通过检测驱 动微悬臂探针振动的信号源的相位角 与微悬臂探针实际振动的相位角之差 （即两者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的 组分、硬度等。因此利用相移模式( 相位移模式)，可以在纳米尺度上获 得样品表面局域性质的丰富信息。迄 今相移模式(相位移模式)已成为原子 力显微镜的一种重要检测技术。
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原子力显微镜
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工作过程
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集中工作模式
微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微 悬臂的变形进行测量。
接触模式 轻敲模式
针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用力较大，适 合表面结构稳定的样品。 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏 使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有 效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔 软或吸附样品的检测。
AFM针尖
AFM样品测试台
样品台
AFM图像
软件
SPM Console在线控制软件 Imager图像处理及分析软件
AFM的应用
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻， 从而制造纳米器件。
还可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度 解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层 的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂 层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。
原子力显微镜原理、 仪器及应用
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起源
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AFM全称Atomic Force Microscope 即原子力显微镜，它是继扫描隧 道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具 有原子级高分辨的新型仪器，可 以在大气和液体环境下对各种材 料和样品进行纳米区域的物理性 质包括形貌进行探测，或者直接 进行纳米操纵。
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各部分介绍
2.3 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合适的作用 力。 原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出 来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感 测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将 光照射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏 移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以 利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
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图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼 此之间的距离的不同而有所不同，其之间 的能量表示也会不同。
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能量的角度
若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间 能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。
为原子的直径 为原子之间的距离
从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空 间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其 能量就会为-E；同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量 为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和 斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇 妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。