根據(jù)LennardJones

1、前言根據(jù)Lennard-Jones pair-potential energy function的描述，原子之間的位能與原子間距離呈現(xiàn)著如下的關(guān)係(1)；第一、二項分別為原子間斥力與吸引力的關(guān)係。其兩原子間的距離與位能的關(guān)係圖如圖二所示，利用原子間的吸引力與排斥力的作用，可得三種基本的操作模式：接觸式、非接觸式與敲擊式。(1)接觸式(contact mode, C mode)利用原子間斥力變化而產(chǎn)生表面輪廓的方式稱為接觸式，其互斥能的大小主要與原子間距倒數(shù)的十二次方成正比，當探針與試片的距離約為數(shù)個Å時(一般為3 Å)，兩原子的電子雲(yún)會有互斥現(xiàn)象(exchange inte

2、raction)。由於凡得瓦力乃屬短距力，因此微小的距離變化量，就會造成互斥力明顯的變化，因此隨著樣品表面形貌的高低起伏，探針和樣品間的間距不同，其交互作用力也不同，因而使得懸桿的變形量不同，之後利用含四象限的光學感測器偵測懸桿偏移量，即可得樣品的表面形貌。由於探針與樣本是彼此接觸，其影樣解析力最好，適合做原子級的觀測，但對較軟的樣本(如生物樣本或高分子)則需選擇較軟的懸桿與較小的接觸力，否則會有刮壞樣本之慮。(2)非接觸式(noncontact mode, NC mode)利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓的呈像方法稱為非接觸式。探針與試片的距離約為數(shù)十個到數(shù)百個Å，其吸引力的大小

3、主要與原子間距倒數(shù)的六次方成正比。NC-AFM 操作模式是在黏附於懸桿上的壓電晶體施予一交變電壓，使懸桿受一力作用產(chǎn)生一微小振幅擺動，此懸桿的振幅與頻率會隨探針與樣本間的作用力不同而改變，可透過監(jiān)測振幅的變化量來得知樣本的表面輪廓。由於探針並未和樣品實際接觸，因此對於軟性樣品表面所造成刮傷可大大降低，探針受損的情形也可減少；但由於探針和樣品並未接觸，因此非接觸模式的呈像術(shù)之空間解析度較差，為其缺點。(3)敲擊模式(tapping mode)使懸桿上下擺動輕拍於樣本表面，並藉振幅的改變而呈像，由於受到吸力與斥力的交互作用，也稱為間歇式的接觸式模式(intermittent-contactmode

4、)或半接觸模式(semi-contact mode)。敲擊模式與非接觸模式的操作方式類似，但探針懸臂振動的振幅較大，而探針和樣品間的距離也比非接觸式來得大。在掃描過程中，探針會接觸到樣品表面，其解析度也較非接觸模式的解析度來得高。但此種探針和樣品的接觸只是輕敲樣品表面，故對樣品表面的刮傷可減到最低，對於柔軟性較好的試片，如生物樣本，使用敲8擊模式觀察表面輪廓時，可在不損傷試片下，可得到極佳的呈像結(jié)果，特別在空氣中敲擊式的顯微術(shù)可避免樣本上自然水層的干擾。其不同操作模式下探針掃描樣本表面的示意圖如圖三所示。接觸式原子力顯微鏡的呈像原理如圖四所示，我們可將系統(tǒng)區(qū)分成三個部分；(1)原子間作用力感測

5、器-懸桿(cantilever)，感測懸桿尖端的原子與相對應(yīng)在樣本表面原子之間的作用力; (2)懸桿偏移量感測器，主要由光學式雷射對焦系統(tǒng)與位移敏感的感光二極體(position sensitive photo-diode, PSPD)組成；(3)位移掃描系統(tǒng)，由回饋線路與壓電晶體掃描器(piezoelectric scanner)所組成。在SPM 的操作中，起先調(diào)整雷射光使之聚焦在懸桿的背面，然後調(diào)整PSPD 的位置使反射光點投射至PSPD 的中心，當開始掃描後，懸桿會因尖端的原子與樣本間所產(chǎn)生的原子作用力(排斥力或吸附力)，隨著輪廓的改變而上下移動，使反射的雷射光束改變其角度，並藉由PSP

6、D 感測雷射光束的偏移量。經(jīng)PSPD 傳遞變動的訊號至掃描器，掃描器為一壓電晶體的裝置，藉由施加的電壓訊號回饋壓電晶體的位移，使懸桿的施力維持固定，系統(tǒng)並利用此電壓訊號呈像。在架構(gòu)上依掃描器與懸桿附著的位置，可分為底置式(如圖四)與懸吊式(suspension model)(如圖五)，在底置式設(shè)計中懸桿量測部分與掃描器是分開的，具有較高的儀器穩(wěn)定性與避震性，可輕易的做到原子級量測，但由於樣本需置放在掃描器上，所以樣本有重量與大小的限制。懸吊式則將量測用的懸桿附著於掃描器，由掃描器帶著懸桿進行掃描的動作，使量測雜訊較底置式的大，但樣本是置放在載臺上，適合大樣本或液相中的量測。材料與方法1. 先裝

7、scanner，head->head，scanning->scanning2. 開control 電源開關(guān)(1)，開電腦電源(2)，並開啟軟體(3)。P.S. control 控制器的電源打開，桌面螢?zāi)蛔笙陆巧蠈@示由×變成打勾，表示儀器與control 有接。3. 使用直徑約6cm 的培養(yǎng)皿，放置於載臺上。4.左圖為liquid 相的載具，右圖為air 相的載具。 5. 將載具上的黑點對準insert 放入，再轉(zhuǎn)到operation。insertoperationremoval6.每一按鍵代表的意思。7.開啟校正 settings􀃆Cabrations

8、􀃆load Cabrations(選取液/氣相功能)8.再開啟的資夾中選取液相(sm_7154liq)或氣相(sm_7154 dry)原設(shè)定為液相。9.選擇自己要的模式 Contact or SemiContact。P.S SemiContact 即為tapping 模式10.Contact 的訊號由DFL 所控制，即為射偏移，SemiContact的訊號由Mag 值所控制，即為振變化。DFL：(第一與第二象限)-(第三與第四象限)LF：(第二與第三象限)-(第一與第四象限)11. 按下laser 的鍵即可在螢?zāi)簧巷@示出射的訊號。12. 射校正，先上下左右調(diào)laser 值，使

9、得射打到tip 的尖端，並出現(xiàn)繞射圖案，之後再調(diào)整PSPD 使射位於中心點(DFL 和LF 趨近於0)，直到找到樣品跟tip的相對位置。(射強要20 以上才足夠。)13.Set Point 預設(shè)值為2.0nA，代表射偏折達2.0nA 時，tip 就直接碰到sample。14.開始下針前，先開啟回饋作用(feeback)，開啟後，DFL 因為壓電材伸長，會產(chǎn)生些許變動。15.按下Approach 鍵16.當顯示右圖標示時，表示已下針完成，會有逼的一聲提醒操作者。17.按scan 進掃描設(shè)定18.mode 是用選擇哪一種訊號呈現(xiàn)你的圖型，通常contact 選擇第一個呈現(xiàn)。P.S.在相同的掃描方式

10、下，抓取同訊號。19.掃描的方向P.S.如:HLT 為由左上角開始向下掃描，只有由左向右掃描。HLB 為由左下角開始向上掃描，只有由左向右掃描。其他推20.(1)掃瞄速 (2)掃描點的目 (3)掃描的大小 (4)掃描的間距結(jié)果Fig1.雀榕葉片下表皮Fig2.文殊蘭葉片下表皮Fig1.蕨類葉片下表皮討論近年來許多利用掃描式顯微鏡的基本原理和儀器本身的精密控制能力，而發(fā)展出多種掃描式顯微加工技術(shù)，可以用來進行奈米結(jié)構(gòu)及元件製作。掃描式顯微鏡加工技術(shù)是利用微探針，以機械力、電場、磁場等效應(yīng)對試片產(chǎn)生物理或化學變化，進而在試片表面製作出奈米尺寸之元件或結(jié)構(gòu)。AFM具有體積小、效率高、響應(yīng)速度快、發(fā)熱少等優(yōu)點，且可以達到次奈米級之定位解析度。但由於壓電材料具有遲滯(Hysteresis)、潛變(Creep)等非線性效應(yīng)，因此用於大範圍掃描時取像容易失真。相對於掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點。不同於電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這