原子力顯微鏡原理:接觸式,非接觸式,輕敲式有何區(qū)別?

由于STM侷限于試片的導(dǎo)電性質(zhì)，使得應(yīng)用范圍大大的減少，為了能有更廣泛的應(yīng)用科用，故改用力場作回饋而發(fā)展出原子顯微儀（atomic force microscope, AFM），而因為對導(dǎo)體及絕緣體均有三維空間的顯影能力，所以成為運用最廣泛的掃描探針顯微儀。圖4-1為原子力顯微鏡的簡單示意圖。

　

 

圖4-1 原子力顯微鏡的示意圖[1]

 

原子力顯微鏡（AFM）屬于掃描探針顯微技術(shù)（SPM）的一支，此類顯微技術(shù)都是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的某種交互作用，如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波等等，然后使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表面做左右前后掃描（或樣品做掃描），并利用此掃描器的垂直微調(diào)能力及迴饋電路，讓探針與樣品問的交互作用在掃描過程中維持固定，此時兩者距離在數(shù)至數(shù)百A°（10-10m）之間，而只要記錄掃描面上每點的垂直微調(diào)距離，我們便能得到樣品表面的等交互作用圖像，這些資料便可用來推導(dǎo)出樣品表面特性。圖4-2是原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)示意圖。

 

AFM的主要結(jié)構(gòu)可分為探針、偏移量偵測器、掃描器、迴饋電路及電腦控制系統(tǒng)五大部分，距離控制方式為光束偏折技術(shù)，光系由二極體雷射產(chǎn)生出來后，聚焦在鍍有金屬薄膜的探針尖端背面，然后光束被反射至四象限光電二極體，在經(jīng)過放大電路轉(zhuǎn)成電壓訊號后，垂直部份的兩個電壓訊號相減得到差分訊號，當(dāng)電腦控制X、y軸驅(qū)動器使樣品掃描時，探針會上下偏移，差分訊號也跟著改變，因此迴饋電路便控制z軸驅(qū)動器調(diào)整探針與樣品距離，此距離微調(diào)或其他訊號送入電腦中，記錄成為X、Y的函數(shù)，便是AFM影像。

 

 

圖4-2 原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)示意圖

 

探針是由一個針尖附在一支橫桿前端所組成，探針尖端與樣品表面接觸時，由于橫桿彈性系數(shù)和原子間的作用力相當(dāng)，因此探針尖端的原子與樣品表面原子的作用力便會使橫桿在垂直力方向移動，作用力來源包括探針和表面的凡得瓦力（Van der Waals force）與探針和表面的外層電子之間的庫倫排斥力。所以樣品的表面高低起伏造成橫桿作上下偏移。而具有三軸位移能力的壓電材料掃描器（piezoelectric scanner）使樣品能在選定的區(qū)域范圍做來回掃瞄，偵測橫桿偏移量，系統(tǒng)的回饋電路與壓電材料掃描器在高度軸上距離微調(diào)功能結(jié)合，藉由調(diào)整探針與樣品距離，以維持掃描過程中固定的原子，所以當(dāng)AFM掃描一個區(qū)域，便把垂直微調(diào)距離，以二維內(nèi)函數(shù)儲存起來，形成所謂掃描區(qū)域的原子力圖像，這通常對應(yīng)于掃描區(qū)域表面高低起伏的影像，也稱高度影像。測量探針偏移量的方法目前，最常用的機制為光束偏移（如圖4），光是由二極體雷射出來的，然后被聚焦在橫桿尖端背上，由于鍍上高反射率的金屬薄膜（通常是金），雷射光反射到高靈敏度的位置偵測器（position sensitive detector）。它是二象限或四象限的光電二極體為，經(jīng)由電流放大后，我們可以將這兩個電壓訊號相減，得到通稱的差分訊號（A-B）。當(dāng)橫桿有上下偏移時，差分訊號也相對產(chǎn)生變數(shù)，所以我們可以得到偏移量。光束偏斜機制具有0.1A的解析能力，不過在一般大氣環(huán)境中，表現(xiàn)會較差。另外如果使用四象限光電二極體，垂直與水平差分訊號便可以同時得到，因此橫桿上下左右偏移量可同時被測出。

 

AFM的探針是由針尖附在懸臂梁前端所組成，當(dāng)探針尖端與樣品表面接觸時，由于懸臂梁的彈性系數(shù)與原子間的作用力常數(shù)相當(dāng)，因此針尖原子與樣品表面原子的作用力便會使探針在垂直方向移動，簡單的說就是樣品表面的高低起伏使探針作上下偏移，而藉著調(diào)整探針與樣品距離，便可在掃描過程中維持固定的原子力，此垂直微調(diào)距離，或簡稱為高度，便可當(dāng)成二維函數(shù)儲存起來，也就是掃描區(qū)域的等原子力圖像，這通常對應(yīng)于樣品的表面地形，一般稱為高度影像。

 

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凡得瓦力（Van Der Waals Force）作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。假設(shè)兩個原子中，一個是在懸臂（cantilever）的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如“圖2-2”所示，當(dāng)原子與原子很接近時，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，所以整個合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開有一定距離時，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，故整個合力表現(xiàn)為引力的作用。若以能量的角度來看，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降低到某一程度時其能量為+E，也代表了在空間中兩個原子是相當(dāng)接近且能量為正值，若假設(shè)r增加到某一程度時，其能量就會為-E同時也說明了空間中兩個原子之間距離相當(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)系來看，原子力顯微鏡就是利用原子之間那奇妙的關(guān)系來把原子樣子給呈現(xiàn)出來，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物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測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（contact AFM），探針與試片的距離約數(shù)個Å。

（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-contact AFM），探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百Å。

AFM的操作模式可大略分為以下三種：分成接觸式（Contact mode）、輕敲式(Tapping mode)、非接觸式(Non-contact Mode) 3種模式。

 

 

在接觸式操作下，探針與樣品問的作用力是原子間的排斥力，這是最早被發(fā)展出來的操作模式，由于排斥力對距離非常敏感，所以接觸式AFM較容易得到原子解析度。在一般的接觸式量測中，探針與樣品問的作用力很小，約為10-6至10-10N（Newton），但由于接觸面積極小，因此過大的作用力仍會損壞樣品表面，但較大的的作用力通?？傻玫捷^佳的解析度。因此選擇適當(dāng)?shù)牡淖饔昧?，接觸式的操作模式是十分重要的。接觸式的AFM利用探針和樣品原子間的排斥力（repulsive force），原子力間的排斥力對距離的變化是非常敏感。是利用具有懸臂的探針接觸且輕壓表面，由于反作用力使得探針的懸臂產(chǎn)生偏折，而偏折量的大小代表反作用力的大小，所以掃描表面時利用維持相同的偏折量就可以描繪出3D的表面結(jié)構(gòu) (圖4-3)。

 

 

圖4-3 接觸式AFM[1]

 

就AFM的操作模式比較起來，接觸式（contact mode）較能夠得到原子尺度的解析度，一般的接觸量測中，探針和試片間作用力約為10-6~10-9牛頓（N），但接觸 面積極小，相對形成過大的作用力可能損害樣品，尤其是軟性材質(zhì)。因此設(shè)定適當(dāng)?shù)淖饔昧κ欠浅Ｖ匾摹?/div>

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