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(chǎng)作回饋而發(fā)展出原子顯微儀（atomic force microscope, AFM），而因?yàn)閷?duì)導(dǎo)體及絕緣體均有三維空間的顯影能力，所以成為運(yùn)用最廣泛的掃描探針顯微儀。圖4-1為原子力顯微鏡的簡(jiǎn)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(lèi)顯微技術(shù)都是利用特製的微小探針，來(lái)偵測(cè)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(chǎng)電磁波等等，然后使用一個(gè)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(wèn)的交互作用在掃描過(guò)程中維持固定，此時(shí)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(diǎn)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(lái)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(cè)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(lái)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(guò)放大電路轉(zhuǎn)成電壓訊號(hào)后，垂直部份的兩個(gè)電壓訊號(hào)相減得到差分訊號(hào)，當(dāng)電腦控制X、y軸驅(qū)動(dòng)器使樣品掃描時(shí)，探針會(huì)上下偏移，差分訊號(hào)也跟著改變，因此迴饋電路便控制z軸驅(qū)動(dòng)器調(diào)整探針與樣品距離，此距離微調(diào)或其他訊號(hào)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(gè)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(shí)，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(huì)使橫桿在垂直力方向移動(dòng)，作用力來(lái)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(kù)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(lái)回掃瞄，偵測(cè)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(guò)程中固定的原子，所以當(dāng)AFM掃描一個(gè)區(qū)域，便把垂直微調(diào)距離，以二維內(nèi)函數(shù)儲(chǔ)存起來(lái)，形成所謂掃描區(qū)域的原子力圖像，這通常對(duì)應(yīng)于掃描區(qū)域表面高低起伏的影像，也稱(chēng)高度影像。測(cè)量探針偏移量的方法目前，最常用的機(jī)制為光束偏移（如圖4），光是由二極體雷射出來(lái)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(cè)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(gè)電壓訊號(hào)相減，得到通稱(chēng)的差分訊號(hào)（A-B）。當(dāng)橫桿有上下偏移時(shí)，差分訊號(hào)也相對(duì)產(chǎn)生變數(shù)，所以我們可以得到偏移量。光束偏斜機(jī)制具有0.1A的解析能力，不過(guò)在一般大氣環(huán)境中，表現(xiàn)會(huì)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(hào)便可以同時(shí)得到，因此橫桿上下左右偏移量可同時(shí)被測(cè)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(shí)，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(huì)使探針在垂直方向移動(dòng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)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(guò)程中維持固定的原子力，此垂直微調(diào)距離，或簡(jiǎn)稱(chēng)為高度，便可當(dāng)成二維函數(shù)儲(chǔ)存起來(lái)，也就是掃描區(qū)域的等原子力圖像，這通常對(duì)應(yīng)于樣品的表面地形，一般稱(chēng)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(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2-2”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（contact AFM），探針與試片的距離約數(shù)個(gè)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(wèn)的作用力是原子間的排斥力，這是最早被發(fā)展出來(lái)的操作模式，由于排斥力對(duì)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(cè)中，探針與樣品問(wèn)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(guò)大的作用力仍會(huì)損壞樣品表面，但較大的的作用力通常可得到較佳的解析度。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(duì)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(shí)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(lái)，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(cè)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(duì)形成過(guò)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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