AFM原理及應(yīng)用資料

AFM原理及應(yīng)用資料第1頁(yè)/共26頁(yè)目錄：AFM基本原理AFM設(shè)備介紹試驗(yàn)方法應(yīng)用實(shí)例第2頁(yè)/共26頁(yè)AFM基本原理一、AFM概述原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope）即AFM。它是繼掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope）即STM之后發(fā)明的一種具有原子級(jí)高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測(cè)，或者直接進(jìn)行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。第3頁(yè)/共26頁(yè)AFM基本原理AFM是由G.Binning（IBM蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室）在STM的基礎(chǔ)上于1986年發(fā)明的表面觀測(cè)儀器。AFM與STM相比，能觀測(cè)非導(dǎo)電樣品。第4頁(yè)/共26頁(yè)AFM基本原理二、工作基本原理當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。將一個(gè)對(duì)微弱力極其敏感的微懸臂一端固定，另一端有一個(gè)微小的針尖，當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，探針-樣品表面間存在極微弱的排斥力，引起微懸臂的變形；激光經(jīng)微懸臂的背面反射到光電檢測(cè)器，可以精確測(cè)量微懸臂的微小變形，這樣就實(shí)現(xiàn)了通過(guò)檢測(cè)樣品與探針之間的原子排斥力來(lái)反映樣品表面形貌和其他表面形貌。第5頁(yè)/共26頁(yè)AFM基本原理探針與樣品表面之間作用力與距離有關(guān)如右圖，當(dāng)兩者靠得很近時(shí)，原子之間電子云斥力大于原子核與電子云之間的吸引力，此時(shí)合力表現(xiàn)為斥力，反之表現(xiàn)為吸引作用。第6頁(yè)/共26頁(yè)AFM設(shè)備介紹AFM（原子力顯微鏡）的硬件結(jié)構(gòu)主要包括力檢測(cè)系統(tǒng)、位置檢測(cè)部分和反饋系統(tǒng)。第7頁(yè)/共26頁(yè)AFM設(shè)備介紹力檢測(cè)系統(tǒng)：在AFM系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。微小懸臂有一定的規(guī)格，如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性以及操作模式的不同而選擇不同類(lèi)型的探針。第8頁(yè)/共26頁(yè)AFM設(shè)備介紹位置檢測(cè)部分：AFM系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂擺動(dòng)。所以當(dāng)激光照射在懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以供SPM控制器作信號(hào)處理。第9頁(yè)/共26頁(yè)AFM設(shè)備介紹反饋系統(tǒng)：在AFM系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中將此信號(hào)當(dāng)做反饋信號(hào)，作為內(nèi)部調(diào)整的信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的三秒器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。第10頁(yè)/共26頁(yè)AFM設(shè)備介紹AFM便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的：在AFM系統(tǒng)中，使用微小懸臂來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的額交互作用，這種作用力會(huì)使微懸梁擺動(dòng)，再利用激光將光照射在微懸梁的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。第11頁(yè)/共26頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法AFM工作模式：接觸式（contact）非接觸式（non-contact）輕敲式（tapping）第12頁(yè)/共26頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法接觸式（contact）利用探針和待測(cè)物表面之原子力交互作用(一定要接觸)，此作用力(原子間的排斥力)很小，但由于接觸面積很小，因此過(guò)大的作用力仍會(huì)損壞樣品，尤其對(duì)軟性材質(zhì)，不過(guò)較大的作用力可得較佳分辨率，所以選擇較適當(dāng)?shù)淖饔昧Ρ闶值闹匾?。由于排斥力?duì)距離非常敏感，所以較易得到原子分辨率。第13頁(yè)/共26頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法非接觸式（non-contact）為了解決接觸式之AFM可能破壞樣品的缺點(diǎn)，便有非接觸式之AFM被發(fā)展出來(lái)，這是利用原子間的長(zhǎng)距離吸引力來(lái)運(yùn)作，由于探針和樣品沒(méi)有接觸，因此樣品沒(méi)有被破壞的問(wèn)題，不過(guò)此力對(duì)距離的變化非常小，所以必須使用調(diào)變技術(shù)來(lái)增加訊號(hào)對(duì)噪聲比。在空氣中由于樣品表面水模的影響，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。第14頁(yè)/共26頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法輕敲式（tapping）將非接觸式AFM改良，將探針和樣品表面距離拉近，增大振福，使探針再振蕩至波谷時(shí)接觸樣品由于樣品的表面高低起伏，使的振幅改變，再利用接觸式的回饋控制方式，便能取得高度影像。分辨率界于接觸式和非接觸式之間，破壞樣品之機(jī)率大為降低，且不受橫向力的干擾。不過(guò)對(duì)很硬的樣品而言，針尖仍可能受損。第15頁(yè)/共26頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法模式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)備注Contact掃描速度快，在AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品更適用在空氣中橫向力影響圖像質(zhì)量，針尖會(huì)損壞軟質(zhì)樣品耗材，損耗率很高Non-contact對(duì)樣品表面無(wú)損傷掃描速度低，向分辨率低，僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄耗材，損耗率較上大幅降低Tapping消除了橫向力的影響，降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測(cè)軟、易碎或膠粘性樣品，不會(huì)損傷其表面比ContactModeAFM的掃面速度慢中和上述兩款產(chǎn)品的優(yōu)先，產(chǎn)品綜合水平得到大幅提升whatisthedifferenceofthesemodels?第16頁(yè)/共26頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法橫向力顯微鏡（LFM）；相移模式(相位移模式)；導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）；曲線測(cè)量；納米加工（Nanolithography）。AFM其他模式第17頁(yè)/共26頁(yè)應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體表面的高分辨成像生物樣品有機(jī)膜的高分辨成像表面化學(xué)反應(yīng)研究納米加工與操縱超高密度信息存儲(chǔ)分子間力和表面力研究摩擦學(xué)及各種力學(xué)研究在線檢測(cè)和質(zhì)量控制第18頁(yè)/共26頁(yè)應(yīng)用實(shí)例第19頁(yè)/共26頁(yè)應(yīng)用實(shí)例第20頁(yè)/共26頁(yè)隨著襯底N化時(shí)間的增加（40s→400s），GaN外延層的表面均方根粗糙度（RMS）逐漸減?。?.365→1.475）；而N化時(shí)間為400s時(shí)，GaN外延層表面和其他的相比，表面更加均勻一致，并且具有最小的晶粒尺寸，峰谷值為4.247nm。應(yīng)用實(shí)例第21頁(yè)/共26頁(yè)AFM的優(yōu)點(diǎn)原子力顯微鏡的出現(xiàn)無(wú)疑為納米科技的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。能夠提供各種類(lèi)型樣品的表面狀態(tài)信息；與常規(guī)顯微鏡比較，在大氣條件下，以高倍率觀察樣品表面，可用于幾乎所有樣品（對(duì)表面光潔度有一定要求），而不需要經(jīng)其他制樣處理，就可以得到樣品表面的三維形貌圖像。并可對(duì)掃描所得的三維形貌圖象進(jìn)行粗糙度計(jì)算、厚度、步寬、方框圖或顆粒度分析。應(yīng)用范圍廣：可用于表面觀察、尺寸測(cè)定、表面粗糙測(cè)定、顆粒度解析、突起與凹坑的統(tǒng)計(jì)處理、成膜條件評(píng)價(jià)、保護(hù)層的尺寸臺(tái)階測(cè)定、層間絕緣膜的平整度評(píng)價(jià)、VCD涂層評(píng)價(jià)、定向薄膜的摩擦處理過(guò)程的評(píng)價(jià)、缺陷分析等。第22頁(yè)/共26頁(yè)

軟件處理功能強(qiáng)：其三維圖象顯示其大小、視角、顯示色、光澤可以自由設(shè)定。并可選用網(wǎng)絡(luò)、等高線、線條顯示。圖象處理的宏管理，斷面的形狀與粗糙度解析，形貌解析等多種功能；高分辨力能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM），以及光學(xué)粗糙度儀；非破壞性：探針與樣品表面相互作用力為10－8N以下，遠(yuǎn)比以往觸針式粗糙