原子力显微镜

原子力显微镜
摘要：光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜，每一次重要显微技术的发展，都为科学和社会的进步作出了巨大的贡献。

而原子力显微镜的出现，则使得对非导电材料表面结构的测量达到了一个新的精度。

本文简要地阐述了原子力显微镜的原理，并使用原子力显微镜对四种不同材料的表面结构进行了测量。

关键词：原子力显微镜；表面粗糙度
1. 引言
在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。

扫描隧道显微镜(STM) 使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。

但STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构。

为了克服STM 的不足之处，推出了原子力显微镜(AFM)。

AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面形貌的信息。

因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖。

对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。

2. 实验目的
1）了解原子力显微镜的工作原理。

2）初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。

3.实验原理
1）AFM的工作原理和工作模式
（1）AFM的工作原理
在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。

当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。

扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 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。

将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。

AFM 的核心部件是力的传感器
件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。

根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为
F = KΔZ
式中，ΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。

（2） AFM的关键部分
AFM关键部分是力敏感元件和力敏感检测装置。

所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。

为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。

（3）AFM的工作模式
AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。

○1接触模式
接触模式包括恒力模式(constant2force mode) 和恒高(constant2height mode) 。

在恒力模式中过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x 、y 方向扫描时,记录Z 方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像。

这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度值较准确,适用于物质的表面分析。

在恒高模式中,保持样品与针尖的相对高度不变,直接测量出微悬臂的偏转情况,即扫描器在z 方向上的移动情况来获得图像。

这种模式对样品高度的变化较为敏感,可实现样品的快速扫描,适用于分子、原子的图像的观察。

接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动。

针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力,约为10 - 8 ～10 - 11N。

接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨样品表面形貌图像。

但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,可能使得针尖受到损害,样品产生变形, 故对不易变形的低弹性样品存在缺点。

②非接触模式
非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触,在样品表面上方5～20 nm 距离内扫描。

针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的。

在这种模式中,样品与针尖之间的相互作用力是吸引力——范德华力。

由于吸引力小于排斥力,故灵敏度比接触模式高,但分辨率比接触式低。

非接触模式不适用于在液体中成像。

③轻敲模式
在轻敲模式中,通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0。

01～1 nm 的振幅在Z 方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。

同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位,记录样品的上下移动情况,即在Z 方向上扫描器的移动情况来获得图像。

由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力。

因此适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏。

这
种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛。

图1 针尖至样品表面源自见的范德瓦耳斯力
（4）AFM中针尖与样品之间的作用力
AFM检测的是微悬臂的偏移量,而此偏移量取决于样品与探针之间的相互作用力。

其相互作用力主要是针尖最后一个原子和样品表面附近最后一个原子之间的作用力。

当探针与样品之间的距离 d 较大(大于 5 nm) 时,它们之间的相互作用力表现为范德华力(Van der Waals forces) 。

可假设针尖是球状的,样品表面是平面的,则范德华力随1Pd2 变化。

如果探针与样品表面相接触或它们之间的间距d 小于0。

3 nm ,则探针与样品之间的力表现为排斥力(Pauli exclusion forces) 。

这种排斥力与d13 成反比变化,比范德华力随 d 的变化大得多。

探针与样品之间的相互作用力约为10^-6 ～10^-9N ,在如此小的力作用下探针可以探测原子,而不损坏样品表面的结构细节。

品与探针的作用力还有其他形式，如当样品与探针在液体介质中相接触时,往往在它们的表面有电荷,从而产生静电力;样品与针尖都有可能发生变形,这样样品与针尖之间有形变力;特定磁性材料的样品和探针可产生磁力作用;对另一些特定样品和探针,可能样品原子与探针原子之间存在相互的化学作用,而产生化学作用力。

但在研究样品与探针之间的作用力的大小时,往往假设样品与探针特定的形状(如平面样品、球状探针) ,可对样品和探针精心设计与预处理,避免或忽略静电力、形变力、磁力、化学作力等的影响,而只考虑范德华力和排斥力。

2）AFM的针尖技术
探针是AFM的核心部件。

如右图。

目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1 nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。

但是,探针针尖曲率半径的大小将直接影响到测量的水平分辨率。

当样品的尺寸大小与探针针尖的曲率半径相当或更小时,会出现“扩宽效应”,即实际观测到的样品宽度偏大。

这种误差来源于针尖边壁同样品的相互作用以及微悬臂受力变形。

某些AFM 图像的失真在于针尖受到污染。

一般的机械触针为金刚石材料,其最小曲率半径约20 nm。

普通的AFM 探针材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4 ) ,其最小曲率半径可达10 nm。

由于可能存在“扩宽效应”,针尖技术的发展在AFM中非常重要。

其一是发展制得更尖锐的探针,如用电子沉积法制得的探针,其针尖曲率半径在5～10 nm 之间。

其二是对探针进行修饰,从而发展起针尖修饰技术。

探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。

因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计。

只有设计出更尖锐、更功能化的探针, 改善AFM 的力调制成像(force modulation imaging) 技术和相位成像(phase imaging)技术的成像环境,同时改进被测样品的制备方法,才能真正地提高样品表面形貌图像的质量。

4.实验仪器
原子力显微镜的实验装置如图2所示。

本装置分为如下几个部分：
图2 实验装置示意图
样品台包括压电陶瓷xy扫描单元与z向反馈系统，样品与针尖之间的z 向粗调、细调机构，可选用表面较为光滑的样品，做成小片状，背面适于粘贴在样品架上。

光源系统半导体激光器(650nm红光，功率10mW)、电源盒。

测量控制系统 PSD（position-sensitive detector, 3mm×3mm）光电信号处理电路、反馈控制电路、高压电源、扫描与图像处理软件。

AFM-Ⅱa型仪器特点：
（1）扫描时间较短。

如果得到一幅图像需要十多分钟，在此过程中，周围环境的电干扰、光干扰、以及振动、温度变化等因素，都将直接影响到图像的准确性和完整性。

（2）卧式设计：主要是为了消除微悬臂自身的重力对纵向原子力的干扰。

卧式AFM 中的重力方向与用于成像的原子力相互垂直，从而提高了仪器的灵敏度。

5.实验内容
1）依次开启：电脑-控制机箱-高压电源-激光器。

2）用粗调旋钮将样品逼近微探针至两者间距<1 mm。

3）再用细调旋钮使样品逼近微探针：顺时针旋细调旋钮，直至光斑突然向PSD移动。

4）缓慢地逆时针调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数：Z反馈信号约稳定在150至250之间（不单调增减即可），就可以开始扫描样品。

5）读数基本稳定后，打开扫描软件，开始扫描。

6）扫描完毕后，逆时针转动细调旋钮退样品，细调要退到底。

再逆时针转动粗调旋钮退样
品，直至下方平台伸出1厘米左右。

7）实验完毕，依次关闭：激光器-高压电源-控制机箱。

8）处理图像，得到粗糙度。

6.实验结果
1）铜样品
（1）铜样品的测量结果
粗糙度Ra: 14.3 nm ; Ry: 154.1 nm ; Rz: 154.1 nm 扫描范围X: 4000 nm ; Y: 4000 nm
图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel
（2）铜样品的表面形貌
图3 铜样品二维表面形貌
图4 铜样品三维表面形貌
2）导电ITO样品
（1）导电ITO样品的测量结果
粗糙度Ra: 14.9 nm ; Ry: 257.6 nm ; Rz: 257.6 nm
扫描范围X: 4000 nm ; Y: 4000 nm
图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel
（2）导电ITO样品的表面形貌
图5 导电ITO样品二维表面形貌
图6 导电ITO样品三维表面形貌
3）A4纸样品
（1）A4纸样品的测量结果
粗糙度Ra: 17.4 nm ; Ry: 195.3 nm ; Rz: 195.3 nm
扫描范围X: 4000 nm ; Y: 4000 nm
图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel
（2）A4纸样品的表面形貌
图7 A4纸样品二维表面形貌
图8 A4纸样品三维表面形貌
4）硅样品
（1）硅样品的测量结果
粗糙度Ra: 3.1 nm ; Ry: 84.5 nm ; Rz: 84.5 nm
扫描范围X: 4000 nm ; Y: 4000 nm
图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel
（2）硅样品的表面形貌
图9 硅样品的二维表面形貌
图10 硅样品的三维表面形貌
7.思考题
（1）AFM探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？
答：一种是吸引力即范德瓦耳斯力；另外一种是电子云重叠而引起的排斥相互作用。

（2）怎样使用AFM-II a和CCD光学显微镜，才能较好地保护探针？
答：装样品时，应先用粗调旋钮将样品旋至距探针间距小于1 mm后，再缓慢顺时针旋转细调旋钮，直至光斑突然向PSD移动；扫描前，要反向调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数，使Z反馈信号稳定在－150至－250之间，这样实验时才不易发生超量程现象，从而保护探针；实验结束时，必须要先停止扫描，才能退出样品，而且细调要退到底，粗调应旋至样品平台伸出1厘米左右。

（3）原子力显微镜有哪些应用？
答：原子力显微镜可以用于研究金属和半导体的表面形貌、表面重构、表面电子态及动态过程,超导体表面结构和电子态层状材料中的电荷密度等。

另外原子力显微镜在摩擦学中的有许多应用，如纳米摩擦、纳米润滑、纳米磨损、纳米摩擦化学反应和机电纳米表面加工等。

在生物上，原子显微镜可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。

观察细胞等等。

（4）传统的光学显微镜，电子显微镜相比，扫描探针显微镜的分辨本领主要受什么限制？
答：传统的光学显微镜和电子显微镜的分辨本领主要是由于衍射极限。

由于衍射斑互相重叠导致不能分辨。

而扫描探针显微镜的分辨本领主要取决于：探针针尖的尺寸；微悬臂的弹性系数，弹性系数越低，AFM越灵敏；悬臂的长度和激光光线的长度之比；探测器PSD 对光斑位置的灵敏度。

对于分辨率一定的图像，扫描范围越小，获得的表面形貌越精细。

（5）要对悬臂的弯曲量进行精确测量，除了在AFM中使用光杠杆这个方法外，还有哪些方法可以达到相同数量级的测量精度？
答：电学方法：
1.隧道电流检测法。

根据隧道电流对电极间距非常敏感的原理，将STM用的针尖置于微悬臂的背面作为探测器，通过针尖与微悬臂间产生的隧道电流的变化就可检测由于原子间的相互作用力令微悬臂产生的形变。

2. 电容法。

通过测量微悬臂与一参考电极间的电容变化来检测微弱力。

当微悬臂发生形变时，它与参考电极间的空间大小发生变化，即电容发生变化，通过测量该电容的变化量就可测量微悬臂的位移。

其他光学方法，比如自差法、外差法和干涉法等。

8.参考文献
【1】黄润生，近代物理实验（第二版），南京大学出版社。