原子力显微镜之原理与应用及其操作实例

Vertical resolution < 1 Å *Lateral resolution ~ 10 Å
MFM Magnetic force
Vertical resolution ~ 1 Å *Lateral resolution ~ 10 Å
SCM
Capacitance developed in the presence of tip near sample surface
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Advantages:
•Higher lateral resolution (1~5nm) •Lower forces and less damage
Disadvantages:
•Slightly slower scan speed than contact mode
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Contact Mode AFM
•High resolution: 1nm to 1 nm 距離 5nm.
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Piezoelectric Scanners:
How They Work
Piezoelectric effect:
Hysteresis effect:
Raster scan:
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AFM/EFM/MFM μProbe
•The feedback loop maintains a constant oscillation amplitude by maintaining a constant RMS of the oscillation signal.
•Allow the tip to contact the surface through the absorbed fluid layer without getting 原子力與距離關係圖 stuck.
（SPM） 原子級 原子級 0.1 mm 無限制 無
無
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
What is AFM
原子力顯微鏡(1986年誕生)為掃描探針顯微技術(Scanning Probe Microscopy, SPM)的一種，係指具有『微細探針機制』 及『掃描機制與動 作』的顯微技術；而AFM為SPM的代表儀器。其在科學上的應用已非侷限 於奈米尺度表面影像的量測，更廣為應用於探索奈米尺度下，微觀的物性 (光、力、電、磁)量測甚至操作，對奈米科技有直接的助益。
Vertical resolution < 1 Å *Lateral resolution ~ 10 Å
SP
Surface profile
Vertical resolution ~ 10 Å *Lateral resolution ~ 1000 Å
AFM
Force between probe tip and sample surface (Interatomic or electromagnetic force)
Tunneling current
Piezo Stage
reference
Piezo Stage Driver
Current comparator
−1
Current set point
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T(sec)
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Outline
•何謂原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，及其發展歷史 •AFM之原理
-懸臂樑探針 -探針位移檢測 -試片掃瞄致動
•AFM於奈米科技之應用 •AFM使用操作實例
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原子力顯微鏡之應用
SPM (AFM)
奈米檢測
奈米加工
積 碟 材生 體 片 料物 電 記 表檢 路 錄 面體 檢 點 結檢 測 檢 構測
測檢 測
單 奈超 蛋
原 米高 白
原子力顯微鏡之原理與應用 及其操作實例
陳建洋 工研院機械所
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Outline
•何謂原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，及其發展歷史 •AFM之原理
-懸臂樑探針 -探針位移檢測 -試片掃瞄致動
•AFM於奈米科技之應用 •AFM使用操作實例
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主要包含幾個子系統：微探針、 感測器、掃瞄平台和控制系統。
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掃瞄探針顯微術(Scanning Probe Microscopy, SPM)之發展歷史
1. 1959年，Richard Feynman 提出有關於奈米尺度的科學與技術概念。
2. 1982年，G. Binning and H. Rohrer於瑞士IBM實驗室發明了掃描穿隧顯 術鏡(STM)。因為此發明，此二人得到1986年之諾貝爾獎。
奈米碳管之優點是非常細長且有超彈性，即使碰撞物體表
面，奈米碳管亦不會折斷，且可深入坑洞量測坑洞內部高低
變化。
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探針位移檢測技術”Beam Deflection” Detection
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探針位移檢測Optical Amplifier
•當Ø很小時， ∆z ≈ ∆s1 = L × Ø ∆x ≈ ∆s2 = R × 2Ø
•Tip Radius
•Aspect Ratio
•Stiffness
•Cantilever
•電性 •磁性
探針
試片 掃瞄影像
W
L
探針
試片 掃瞄影像
d (a)探針尖端外形示意圖 (b)以不同探針外形掃瞄相同輪廓
試片之結果比較圖
高深寬比型
10 nm
金字塔型微探針
微探針
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Applications of Carbon Nanotubes in Scanning Probe Microscopes
Vertical resolution ~ 2 Å *Lateral resolution ~ 5000 Å
Used for
=> Conductors => Solids
⇒Conductors, insulators, semiconductors => solids => Conductors, insulators, semiconductor => liquid layers, liquid crystals and solids surfaces => Magnetic materials
Advantages:
•No force exerted on the sample surface
Disadvantages:
•Lower lateral resolution •Slow scan speed •Usually only work on extremely hydrophobic samples
3. 1986年，G. Binning, 等三人利用當時的STM技術，與Stanford University 合作發展出能偵測探針與試片間的凡得瓦爾力之原子力顯 微鏡(AFM)。
4. 除了AFM及STM外，近場光學顯微鏡(SNOM)等各種表面特性的分析 工具也一一發展出來。以此種微探針為基礎的檢測工具，統稱為 SPM。
微探針 導電
高剛性
d
精密 電流計
It
電壓源
IV ON
壓電 平台
試片
穿隧電流感測器示意圖
It ≅ V e (-Cd)
It：穿隧電流 V：施加於探針和試片間的偏壓 C：材料常數 d：探針和試片間的間距
STM鎢針
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STM掃瞄致動原理
Probe
Current sensor
Voltage source
•Cantilever’s resonant frequency is decreased by van der Waals forces, which will also cause the amplitude of oscillation to decrease.
原子力與距離關係圖 距離
1 nm
5. 近年來，SPM的應用逐漸廣泛，除了奈米等級的表面檢測外，也廣泛 應用於各種奈米加工技術。
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掃瞄探針顯微鏡種類及比較
Type Properties used for scanning Resolution
STM
Tunneling Current between sample and probe
Advantages:
•High scan speeds •Atomic resolution •Rough samples can be scanned easily
Disadvantages:
•Shear force and normal force can distort images •Damage the soft samples
•The feedback loop maintains a constant oscillation amplitude or frequency.
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Tapping Mode AFM
作
用 力
原子力曲線 III
II I
•Operate in Ⅰ/II zone.
•The cantilever is oscillated at or near its resonance frequency with an amplitude from 20nm to 100nm.
PID controller
Piezo stage
A
B
t2
t1
C
D
A
B
t2
t1
C
D
Piezo Stage Driver
−1
A
B
t2
t1
C
D
T(sec)
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AFM 試片掃瞄致動原理
聚焦鏡 CCD 鏡組
微探針
雷射二極體
反射鏡
聚焦鏡 光檢測器
分光鏡
試片
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Scanning Tunneling Microscopy
=> Conductors => Solids
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•何謂原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，及其發展歷史 •AFM之原理
-懸臂樑探針 -探針位移檢測 -試片掃瞄致動
•AFM於奈米科技之應用 •AFM使用操作實例
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原子力與距離關係圖
作
用
排斥力
力
原子力曲線
吸引力
距離 1 nm
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E
( pair
r
)
=
4δ
⎢⎡⎜⎛ σ
⎟⎞12
−
⎜⎛ σ
⎟⎞6
⎤ ⎥
⎢⎣⎝ r ⎠ ⎝ r ⎠ ⎥⎦
ε：能量單位 σ：原子直徑 r：原子間距離
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AFM操作模式
接觸式
非接觸式
敲拍式
(Contact Mode) (Non-contact Mode) (Tapping Mode)
距離 resolution” images.
1 nm
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Non-contact Mode AFM
作
用 力
原子力曲線 III
II I
•Operate in II zone.
•The cantilever is oscillated at a frequency which is slightly above the cantilever’s resonance frequency.
作
用 力
原子力曲線 III
II I
•Operate in the Ⅰzone.
•Feedback loop maintains constant cantilever deflection.
•Moving the scanner vertically to maintain a “setpointt” deflection.
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常見顯微技術比較表
橫向解析度 縱向解析度
成像範圍 成像環境 樣品準備 成份分析
功能
光學顯微鏡 （OM）
200 nm 200 nm 1 mm 無限制
無
有
掃描式電子顯 穿透式電子顯
微鏡
微鏡
（SEM）
（TEM）
2-5 nm
原子級
20 nm
無
1 mm
0.1 mm
真空
真空
鍍導電膜
手續繁複
有
有
掃描探針顯 微技術
•Constant height or constant forces mode.
•Operation can take place in ambient and liquid environment.
原子力與距離關係圖 •The only AFM technique which can obtain “atomic
•放大倍率 M = 2R/L
T-B (Amp) ∆x (mm)
∆x 2Ø
A
B
t2
t1
Ø
R
C
D
L
t1 ∆z
t2
T-B=A[(IA+IB)-(IC+ID)]
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AFM 試片掃瞄致動原理
CCD
Laser
Position sensor
set point
Position error
new position comparator