(AFM)原子力顯微鏡原理介紹

原子力顯微鏡(AFM)原理

一、原理

原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)是由IBM公司的Binnig與史丹佛大學(xué)的Quate于一九八五年所發(fā)明的，其目的是為了使非導(dǎo)體也可以采用掃描探針顯微鏡（SPM）進(jìn)行觀測(cè)。圖1、原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離

的不同而有所不同，其之間的能量表示也會(huì)不同。

原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力（VanDerWaalsForce）作用來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。假設(shè)兩個(gè)原子中，一個(gè)是在懸臂（cantilever）的探針尖端，另一個(gè)是在樣本的表面，它們之間的作用力會(huì)隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如“圖1”所示，當(dāng)原子與原子很接近時(shí)，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個(gè)合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開(kāi)有一定距離時(shí)，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個(gè)合力表現(xiàn)為引力的作用。若以能量的角度來(lái)看，這種原子與原子之間的距離與彼此之間能量的大小也可從Lennard–Jones的公式中到另一種印證。

為原子的直徑為原子之間的距離從公式中知道，當(dāng)r降低到某一程度時(shí)其能量為+E，也代表了在空間中兩個(gè)原子是相當(dāng)接近且能量為正值，若假設(shè)r增加到某一程度時(shí)，其能量就會(huì)為-E同時(shí)也說(shuō)明了空間中兩個(gè)原子之間距離相當(dāng)遠(yuǎn)的且能量為負(fù)值。不管從空間上去看兩個(gè)原子之間的距離與其所導(dǎo)致的吸引力和斥力或是從當(dāng)中能量的關(guān)系來(lái)看，原子力顯微鏡就是利用原子之間那奇妙的關(guān)系來(lái)把原子樣子給呈現(xiàn)出來(lái)，讓微觀的世界不再神秘。

在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：

（1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contactAFM），探針與試片的距離約數(shù)個(gè)?。

（2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（non-contactAFM），探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百?。二、原子力顯微鏡的硬件架構(gòu)：在原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。如圖3所示，二極管激光器（LaserDiode）發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在微懸臂（Cantilever）背面，并從微懸臂背面反射到由光電二極管構(gòu)成的光斑位置檢測(cè)器（Detector）。在樣品掃描時(shí)，由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過(guò)光電二極管檢測(cè)光斑位置的變化，就能獲得被測(cè)樣品表面形貌的信息。在系統(tǒng)檢測(cè)成像全過(guò)程中，探針和被測(cè)樣品間的距離始終保持在納米（10-9米）量級(jí)，距離太大不能獲得樣品表面的信息，距離太小會(huì)損傷探針和被測(cè)樣品，反饋回路(Feedback)的作用就是在工作過(guò)程中，由探針得到探針-樣品相互作用的強(qiáng)度，來(lái)改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓，從而使樣品伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測(cè)樣品間的距離，反過(guò)來(lái)控制探針-樣品相互作用的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)反饋控制。因此，反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作機(jī)制。本系統(tǒng)采用數(shù)字反饋控制回路，用戶在控制軟件的參數(shù)工具欄通過(guò)以參考電流、積分增益和比例增益幾個(gè)參數(shù)的設(shè)置來(lái)對(duì)該反饋回路的特性進(jìn)行控制。

掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)比較分辨率工作環(huán)境

樣品環(huán)境溫度對(duì)樣品

破壞程度檢測(cè)深度掃描探針顯微鏡（SPM）原子級(jí)(0.1nm)實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空室溫或低溫?zé)o100μm量級(jí)透射電鏡（TEM）點(diǎn)分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)高真空室溫小接近SEM,但實(shí)際上為樣品厚度所限，