AFM test 要点解答

Bruker Dimension Icon –AFM test 要点解答

1. AFM必须包含的核心组件是扫描器(Scan head)、探针(Probe)和反馈系统。这样阈值(Setpoint)、探测信号(detector signal)和误差信号(error signal) 就构成AFM测试系统的核心要素。下图说明了AFM System的工作原理

2. AFM的成像环境最全面的描述是大气、液下和真空。

3. Tapping mode中，是以探针振动的振幅Amplitude物理量作为反馈信号的。探针的振动是由探针夹(holder)中的Piezo加电带动振动的。探针悬臂的弹性系数k要求大些，有较高的共振频率，这样才不易受外界振动的干扰。正因为轻敲模式是受振幅控制，相比接触模式，易受干扰，因而可以说没有接触模式稳定性好。Tapping模式一般比Contact模式容许的扫描速度慢；但其对样品的作用力会小些。

Contact mode中，是以探针的形变量Deflection物理量作为反馈信号的。探针悬臂的弹性系数k要小些，这样才可以保证在受到很小的作用力时产生形变。比较粗糙的表面用Contact 模式测量比用Tapping模式测量效果好。

4. 在Tapping模式下正常成像时，探针和样品间的相互作用主要是范德华相互作用，在斥力和引力交替区域; 而Contact模式则是范德华相互作用，在斥力范围。

5. 在AFM 中，Setpoint控制着探针和样品的相互作用。在Tapping mode中，探针和样品间的作用力与Setpoint设定值的关系可用开口朝下的二次函数抛物线描述。Setpoint值取target Amplitude值的50%值左右时(一般250mv)，作用力最大。在250mv的左侧取值，作用力F会随着setpoint值的减小而增大；相反，250mv的右侧取值，作用力F会随着setpoint 值的减小而减小。在Contact mode中，探针和样品间的作用力与Setpoint设定值的关系是正比关系，作用力F随着Setpoint值的增大而增大。

6. 在大气环境下做Tapping 模式时，若高度图的Trace和Retrace 不重合，可采取的办法是：首先：调节I gain值(向增大方向，若gain值太大，可以看到error曲线起震，这时要反方向将gain值调小)，使error曲线的误差值较小，说明Igain值调节合适了；然后调节Setpoint 值，tapping模式下，要将setpoint值调小，增大作用力。(注：Setpoint值减小到一定值，作用力达到最大，若继续减小setpoint值，则作用力会变小) 但为了保护探针和样品，不能将作用力调的太大。只要设置的Setpoint值可以使探针接触到样品就是合适的setpoint值。尤其在做高分辨AFM成像时，不能将作用力调得过大。

7. 当在Tapping 模式下，高度的Trace和Retrace 不重合时，可采取措施是增大I Gain 和P Gain、减小Amplitude Setpoint、降低扫描速度；而降低Z Range并不能改善这种情况。

8. 可以通过Amplitude Error 数据通道可以帮助判断Tapping 模式下I Gain 和P Gain 是否已调节好

9. 关于积分增益I Gain 的说法，正确的是:无需和P Gain 结合使用，就可以能消除掉系统的稳态误差; 并不是设置的值越大，反馈越好(值太大会起震荡) ；设置的值越小，对高度变化的响应越慢(可以把Gain理解为系统反馈速度)；若不和P Gain 配合使用，对高度的测量是也是准确的。

10. Tapping 模式中不可采集的图像数据是Deflection error；而Contact 模式中不可采集的图

像数据是phase。

11.表征探针的参数是：针尖的曲率半径和高度、探针针尖的前角和后角和侧角。如下图示(注:更多相关知识可参考放在实验桌子上的小册子)

12. AFM 纵向分辨率的决定因素: 扫描管的性能、Z向量程和噪声；而横向分辨率主要由探

针针尖的曲率半径决定。

13. 获得高分辨AFM 图像的必要条件：曲率半径小的探针(这样可以分辨出更小的形貌特征);

控制探针-样品相互作用不能过大(若作用力过大，探针容易磨损，就没法做高分辨扫描) 较多的数据点数

14. 用被污染的探针探测云母表面上分散均匀的纳米颗粒，相当于探针针尖曲率半径变大，

只会使纳米颗粒的粒径不可信的，但高度是可信的。

15. 若扫描一幅256×256 的图片需要5 分钟，如果不改变Scan Size和Scan Rate，扫描一

幅512×512的图片需要10分钟。这里256(是快轴:X轴)×256(是慢轴:Y轴),改变快轴数并不影响时间，只有慢轴数会影响时间。

16. 以下情况，主要是没有跟踪到样品表面，解决方法是调节Setpoint值。

17. AFM扫描对样品在纵向方向的变化范围是有要求限制的，这主要是由扫描管的性能决定。

18. Dimension Icon AFM 的正确开机顺序是: 电脑，Nanoscope V 控制器(五型控制器：控制scan head 和scan)、Dimension Stage控制器(控制vacuum、air supply和optics illumination)。要严格遵守开机顺序。若遇到电脑死机的情况：在按”reset”键的情况下，可以不用关闭两个控制器; 若需强制关机，则要按关机的顺序，先关闭控制器，再强制关电脑主机。Dimension Icon AFM 的正确关机顺序是: Dimension Stage控制器、Nanoscope V 控制器和电脑。

之所以强调严格的开关机顺序，是为了防止烧坏控制器内的保险丝，同时避免造成系统损坏。