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。