原子力顯微鏡-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、原子力顯微鏡姓名：董佳婧 學(xué)號(hào)：141120021 院系：物理學(xué)院 摘 要：本文闡述了原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，觀察了樣品的表面形貌，最后對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡，導(dǎo)電ITO，表面粗糙度1. 引言在當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)中，如何觀察、測(cè)量、分析尺寸小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的物體，是一個(gè)重要的研究方向。 掃描隧道顯微鏡(STM) 使人們首次能夠真正實(shí)時(shí)地觀察到單個(gè)原子在物體表面的排列方式和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。 STM要求樣品表面能夠?qū)щ?，從而使得STM只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。為了克服STM 的不足之處，推出了原子力顯微鏡(AFM)。AFM是通過(guò)探針與被測(cè)樣品之間微

2、弱的相互作用力(原子力) 來(lái)獲得物質(zhì)表面形貌的信息。因此，AFM除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。2. 原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)及工作原理在原子力顯微鏡的系統(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1所示。圖1（1）力檢測(cè)部分在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。使用微懸臂來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。如圖2所示，微懸臂通常由一個(gè)一般100500m長(zhǎng)和大約500nm5m厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖，用來(lái)檢測(cè)樣品針尖間的相互作用力。圖2（2）位置檢測(cè)部分在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品

3、之間有了作用之后，會(huì)使得懸臂擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時(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。在整個(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)換成電的信號(hào)，以供SPM控制器作信號(hào)處理。聚焦到微懸臂上面的激光反射到激光位置檢測(cè)器，通過(guò)對(duì)落在檢測(cè)器四個(gè)象限的光強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，可以得到由于表面形貌引起的微懸臂形變量大小，從而得到樣品表面的不同信息。（3）反饋系統(tǒng)在原子力顯微鏡系統(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)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持一定的作用力。原子力顯微鏡便是

4、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：在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，使用微小懸臂來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng)，再利用激光將光照射在懸臂的末端，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)。3. 原子力顯微鏡的工作模式根據(jù)探針與樣品之間距離的不同，原子力顯微鏡有可分為三種工作方式。即：接觸式，非接觸式和輕敲式。本實(shí)驗(yàn)采用接觸模式：樣品掃描時(shí)，針尖始終同樣品“接觸”，即針尖-樣品距離在小于零點(diǎn)幾個(gè)納米的斥力區(qū)域。此模式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。

5、當(dāng)沿著樣品掃描時(shí)，由于表面的高低起伏使得針尖-樣品距離發(fā)生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發(fā)生改變。當(dāng)激光束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器不同象限會(huì)接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強(qiáng)度差值。反饋回路根據(jù)檢測(cè)器的信號(hào)與預(yù)置值的差值，不斷調(diào)整針尖一樣品距離，并且保持針尖一樣品作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測(cè)量模式稱(chēng)為恒力模式。當(dāng)已知樣品表面非常平滑時(shí)，可以讓針尖一樣品距離保持恒定，這時(shí)針尖一樣品作用力大小直接反映了表面的高低，這種方法稱(chēng)恒高模式。本實(shí)驗(yàn)采用恒力模式。4. 原子力顯微鏡的操作步驟（1）依次開(kāi)啟：電腦-控制機(jī)箱-高壓電源-激光器

6、。（2）用粗調(diào)旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距1 mm。（3）再用細(xì)調(diào)旋鈕使樣品逼近微探針：順時(shí)針旋細(xì)調(diào)旋鈕，直至光斑突然向PSD移動(dòng)。（4）緩慢地逆時(shí)針調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕并觀察機(jī)箱上反饋?zhàn)x數(shù)：Z反饋信號(hào)約穩(wěn)定在150至 250之間（不單調(diào)增減即可），就可以開(kāi)始掃描樣品。（5）讀數(shù)基本穩(wěn)定后，打開(kāi)掃描軟件，開(kāi)始掃描。（6）掃描完畢后，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)調(diào)旋鈕退樣品，細(xì)調(diào)要退到底。再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)旋鈕退樣品，直至下方平臺(tái)伸出1厘米左右。（7）實(shí)驗(yàn)完畢，依次關(guān)閉：激光器-高壓電源-控制機(jī)箱（8）處理圖像，得到粗糙度5. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1）導(dǎo)電ITO樣品的表面形貌粗糙度 Ra: 6.0 nm ; Ry: 122.4 n

7、m ; Rz: 122.4 nm掃描范圍 X: 4000 nm ; Y: 4000 nm圖像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel 二維表面形貌：三維表面形貌：2）A4紙樣品的表面形貌粗糙度 Ra: 9.4 nm ; Ry: 150.0 nm ; Rz: 150.0 nm掃描范圍 X: 4000 nm ; Y: 4000 nm圖像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二維表面形貌：三維表面形貌：3）Cu樣品的表面形貌粗糙度 Ra: 11.7 nm ; Ry: 131.9 nm ; Rz: 131.9 nm掃描范圍 X: 4000 nm ; Y: 40

8、00 nm圖像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二維表面形貌：三維表面形貌4）Si樣品的表面形貌粗糙度 Ra: 12.8 nm ; Ry: 420.5 nm ; Rz: 420.5 nm掃描范圍 X: 4000 nm ; Y: 4000 nm圖像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二維表面形貌三維表面形貌6. 對(duì)實(shí)驗(yàn)的討論（1）AFM探測(cè)到的原子力的由哪兩種主要成分組成？吸引力即范德瓦耳斯力、電子云重疊而引起的排斥相互作用。（2）原子力顯微鏡有哪些應(yīng)用？在物理學(xué)中，AFM可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及動(dòng)態(tài)過(guò)程，超導(dǎo)體

9、表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層材料中的電荷密度等。從理論上講，金屬的表面結(jié)構(gòu)可由晶體結(jié)構(gòu)推斷出，但實(shí)際上金屬表面很復(fù)雜。衍射分析方法已經(jīng)表明，在許多情況下，表面形成超晶體結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為表面重構(gòu)），可使表面自由能達(dá)到最小值，而借助AFM可以方便得到某些金屬、半導(dǎo)體的重構(gòu)圖像。AFM在高分子領(lǐng)域中的應(yīng)用已由最初的聚合物表面幾何形貌的觀測(cè)，發(fā)展到深入高分子的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和表面性能等新領(lǐng)域，并提出了許多新概念和新方法。對(duì)高分子聚合物樣品的觀測(cè),AFM可達(dá)納米級(jí)分辨率，能得到真實(shí)空間的表面形貌三維圖像，同時(shí)可以用于研究表面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程。在生物學(xué)上，AFM比STM更易闡明脫氧核糖核酸、蛋白質(zhì)、多糖等大分子結(jié)構(gòu)，且有其獨(dú)特的

10、優(yōu)勢(shì)：生物大分子樣品不需要覆蓋導(dǎo)電薄膜；可在多種環(huán)境下直接實(shí)時(shí)觀測(cè)；圖像分辨率高；基底選擇性強(qiáng)等。除物理、化學(xué)、生物、等領(lǐng)域外，AFM在微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、新型材料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和巨大的應(yīng)用前景。（3）與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡相比，掃描探針顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要受什么因素限制？傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長(zhǎng)或電子波長(zhǎng)以上線度的結(jié)構(gòu)。微懸臂和針尖是決定AFM靈敏度的核心。為了能夠準(zhǔn)確地反映出樣品表面與針尖之間微弱的相互作用力的變化。得到更真實(shí)的樣品形貌，提高AFM 的靈敏度，微懸臂的設(shè)計(jì)通常要求滿(mǎn)足下述條件；較低的力學(xué)彈性系數(shù)，使很小的力就可以產(chǎn)生可觀測(cè)的位移較高的力學(xué)共振頻率高的橫向剛性，針尖與樣品表面的摩擦不會(huì)使他發(fā)生彎曲微懸臂長(zhǎng)度盡可能短微懸臂帶有能夠通過(guò)光學(xué)、電容、隧道電流方法檢測(cè)其動(dòng)態(tài)位移的鏡子或電極針尖盡可能尖銳AFM儀器的發(fā)展也可以說(shuō)是微懸臂和針尖不斷改進(jìn)的過(guò)程。（4）要對(duì)懸臂的彎曲量進(jìn)行精確測(cè)量，除了在AFM中使用光杠桿這個(gè)方法外，還有哪些方法可以達(dá)到相同數(shù)量級(jí)的測(cè)量精度？電學(xué)方法：1. 隧道電流檢測(cè)法。根據(jù)隧道電流對(duì)電極間距非常敏感的原理，將STM用的針尖置于微懸臂的背面作為探測(cè)器，通過(guò)針尖與微懸臂間產(chǎn)生的隧道電流的變化就可檢測(cè)由于原子間的相互作用力令微懸臂產(chǎn)生的形變。2. 電容法。通過(guò)測(cè)量微懸臂與一參考電極間的電容變