扫描探针与近场光学显微技术

扫描探针与近场显微技术
Karl Wang
上海迈培光电技术有限公司


技术背景
• 自从1982年Binning与Robher等人共同发明扫描 穿隧显微镜(scanning tunneling microscope, STM)之后，人类在探讨原子尺度上向前跨出了一 大步，对于材料表面现象的研究也能更加的深入 了解。

在此之前，能直接看到原子尺寸的仪器只 有场离子显微镜(Field ion microscopy, FIM)与电 子显微镜(Electron microscope, EM)。

• STM其原理主要是利用电子穿隧的效应来得到原 子影像，材料须具备导电性，应用上有所限制。

技术背景
• 1986年Binning等人利用探针的观念又发展出原子力 显微镜(Atomic force microscope, AFM) ，AFM不但 具有原子尺寸解析的能力，亦解决了STM在导体上的 限制，应用上更为方便。

• 自扫描式穿隧显微镜问世以来，许多类型的探针显微 镜不断被开发出来。

如：扫描式穿隧显微镜(STM)， 近场光学显微镜(NSOM)，磁力显微镜(MFM)，化学 力显微镜(CFM)，扫描式热电探针显微镜(SThM)， 相位式探针显微镜(PDM)，静电力显微镜(EFM)，侧 向摩擦力显微镜(LFM)，原子力显微镜(AFM)等。

SPM家族
**其中，AFM、SNOM/NSOM是最为常用的扫描探针显微镜。

原子力显微镜（AFM）
• AFM是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用 力作为探测手段获取表面形貌的显微工具。

• AFM可适用于各种的物品，如金属材料、高分子 聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、 电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以它 可以用于获得包括绝缘体在内的各种材料表面上 原子级的分辨率，其应用范围无疑比其它显微分 析技术更加广阔。

AFM工作原理


AFM结构
• AFM之探针一般由悬臂梁及针尖所组成，主要原 理系藉由针尖与样品间的原子作用力，使悬臂梁 产生微细位移，以测得表面结构形状，其中最常 用的距离控制方式为光束偏折技术。

• AFM的主要结构可分为探针、偏移量侦测器、扫 描仪、回馈电路及计算机控制系统五大部分。

• 探针一般由成份Si、SiO2、SiN4、奈米碳管等所 组成。

原子力显微镜（AFM）
• 目前市面上有三种基本操作模式，可区分为接触 式（contact）、非接触式（non-contact）及间歇 接触式（或称为轻敲式，intermittent contact or tapping）三大类。

接触式及非接触式易受外界其它因素，如水分子吸引，而 造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题，使 用上会有限制，尤其在生物及高分子软性材料上。

AFM工作模式
• 接触式(Contact mode)：利用探针针尖与待测物表面间原 子力交互作用（接触），使非常软的探针臂产生偏折，当 激光照射探针臂背面，被探针臂反射后经光电探测器（激 光相位探测器）来记录探针臂偏移变化，探针与样品间产 生的原子间排斥力约为10-6至10-9牛顿。

但是，由于探针 与表面有接触，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其是 对软性材质如高分子聚合物、细胞生物等。

不过在较硬材 料上通常会得到较佳的分辨率。

AFM工作模式
• 非接触式(Non-contact mode)：为了解决接触式 AFM可能损坏样品的缺点，非接触式AFM利用原 子间的长距离吸引力-范德瓦尔斯力来运作。

非接 触模式下探针必须不与待测物表面接触，利用微 弱的范德瓦尔斯力对探针之振幅改变来反馈。

探 针与样品之距离及探针振幅必需严格遵守范德瓦 尔斯力原理，因此造成探针与样品之距离不能太 远，探针振幅不能太大(约2至5nm)，扫描速度不 能太快等限制。

样品置放于大气环境下，湿度超 过30%时，会有一层5至10nm厚之水分子膜覆盖 于样品表面上，造成不易反馈或反馈错误。

AFM工作模式
• 轻敲式AFM(Tapping mode)：将非接触式AFM加以 改良，拉近探针与样品的距离，增加探针振幅功能 (10~300KHz)，其作用力约为10-12牛顿，Tapping mode探针有共振振动，探针振幅可调整到与材料表 面有间歇性轻微跳动接触，探针在振荡至波谷时接触 样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再 利用反馈控制方式，便能取得高度影像。

Tapping mode AFM振幅可适当调整小至不受水分子膜干扰， 大至不硬敲样品表面而损伤探针，XY面终极分辨率 为2nm。

Tapping mode AFM探针下压力量可视为一 种弹性作用，不会对z方向造成永久性破坏。

在x y方 向，因探针是间歇性跳动接触，不会产生像Contact mode在x y方向一直拖曳而造成永久性破坏。

AFM功能技术
• 相位式原子力显微镜(Phase Imaging Force Microscope)
• 扫描式磁场力显微镜(Magnetic Force Micro scope, MFM)
• 侧向力显微镜 (Lateral force Microscope, LFM)
• 扫描式热梯度探针显微镜(Scanning Thermal microscope, SThM)
• 扫描式电场力显微镜(Electrical Force Micro scope, EFM)


AFM功能技术
• 液相原子力显微镜(liquid cell Force Micro scope )
• 微影操控术(Nanolithography and Nano manipulation)


近场光学显微镜(NSOM)
• 近场光学显微镜是利用纳米量级的高度局域的近 场光获得物体形貌像。

关键问题是必须使探针与 样品间的距离控制在近场（几至几十纳米）尺度 范围内并保持某一恒定值。

因此，精确测控探针 与样品间的距离是近场光学显微镜中的一个很重 要环节。

• 到目前为止，已发展了几种控制探针与样品间距 的测控技术，如：切变力强度测控技术，接触型 测控技术，隧穿电流强度测控技术，近场光强度 测控技术。

切变力强度测控技术
• 切变力强度测控技术是Betzig等人提出的，是利 用探针针尖与样品间的横向切变力进行探针与样 品间距控制。

当使探针平行于样品表面的方向以 探针的机械共振频率颤动并向样品表面接近时， 在探针垂直接近到样品表面几十纳米高度时，探 针与样品间的相互作用将产生横向切变力。

此时， 探针的颤动幅度会因受切变力的阻尼而减小，于 是探针颤动幅度的大小就反映了针尖至样品的距 离。

因此，用反馈方法维持针尖颤动的幅度，就 能使针尖至样品的距离保持在某一恒定值。

结构特点
• 模块化设计，简易，配置灵活


NSOM工作模式


应用
Transmission SNOM of Plasmid DNA
Comparison of transmission SNOM image of plasmid DNA (left) with topographical image of the same sample area (right). Due to light scattering, the plasmid DNA appears bright in transmission mode.


2013.9



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