掃描探針顯微鏡(1)

1、第四章第四章掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡引言引言 所謂掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy SPM）是用一尖銳的傳一尖銳的傳感器探針感器探針在樣品表面上方掃描樣品表面上方掃描，通過(guò)“感感觸觸”來(lái)檢測(cè)樣品表面性質(zhì)表面性質(zhì)，并不用物鏡物鏡來(lái)成像，這是與其他顯微鏡最主要的區(qū)別最主要的區(qū)別。 l掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡是一個(gè)顯微鏡顯微鏡的大家族，其中第一個(gè)成員是掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡l它是IBM的G. Binning和H. Rohrer博士及其同事于1982年發(fā)明的，1986年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)l受掃描隧道顯微鏡工作原理的啟發(fā)，人們又研制出一系列工作原理相類似的顯

2、微鏡，例如： （1）原子力顯微鏡（AFM） （2）磁力顯微鏡（MFM） （3）摩擦力顯微鏡（LFM） （4）化學(xué)力顯微鏡（CFM） （5）靜電力顯微鏡（EFM） 我們主要介紹掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡與原子力顯原子力顯微鏡微鏡1. 掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡STM（Scanning Tunnelling Microscopy ）是IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G. Binning和H.Rohrer博士及其同事發(fā)明的。lSTM的研制工作始于1978年1982年在CaIrSn4單晶上獲得第一張單原子臺(tái)階像1983年獲得第一張Si（111）77表面重構(gòu)像，從而宣告了具有原子級(jí)空間分辨原子級(jí)空間分辨能力能

3、力的新一代顯微鏡新一代顯微鏡的誕生誕生。l1986年 G. Binning和 H. Rohrer與發(fā)明電子顯微鏡的 E.Ruska一道獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。lSTM實(shí)驗(yàn)可以在大氣大氣、真空真空、溶液溶液、惰惰性氣體性氣體甚至反應(yīng)性氣體反應(yīng)性氣體等各種環(huán)境各種環(huán)境中進(jìn)行，工作溫度工作溫度可以從絕對(duì)零度絕對(duì)零度到攝氏幾攝氏幾百度百度。用途廣泛：（1）可用于原子級(jí)空間分辨率原子級(jí)空間分辨率的表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)觀測(cè)，用于研究各種表面化學(xué)過(guò)程表面化學(xué)過(guò)程和生生物體系物體系（2）是納米結(jié)構(gòu)加工納米結(jié)構(gòu)加工的有力工具有力工具，可用于制備納米尺度的超微結(jié)構(gòu)納米尺度的超微結(jié)構(gòu)，還可用于操操縱原子和分子等縱原子和

4、分子等1.1掃描隧道顯微鏡的工作原理及工作模式掃描隧道顯微鏡的工作原理及工作模式 工作原理工作原理：當(dāng)探針探針與樣品表面間距小到樣品表面間距小到納米量級(jí)納米量級(jí)1nm時(shí)，經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，由于中間的空氣將探針與樣品表面隔開(kāi)，探針與樣品表面是不導(dǎo)電不導(dǎo)電的；但從量子量子力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，探針尖端探針尖端的原子原子與樣樣品表面的原子具有波動(dòng)性品表面的原子具有波動(dòng)性，兩者兩者的波函波函數(shù)會(huì)發(fā)生重疊數(shù)會(huì)發(fā)生重疊，因此探針與表面之間探針與表面之間會(huì)產(chǎn)生電流電流，該電電流稱隧道電流流稱隧道電流（見(jiàn)圖26.1） l隧道電流的強(qiáng)度隧道電流的強(qiáng)度與針尖針尖和樣品間距樣品間距S S成指指數(shù)關(guān)系

5、數(shù)關(guān)系，對(duì)間距間距S S的變化非常敏感非常敏感，STMSTM就是利用這一原理來(lái)工作的就是利用這一原理來(lái)工作的。l它的工作模式有兩種工作模式有兩種：恒高模式恒高模式恒流模式恒流模式 l 恒流模式恒流模式： 探針在樣品表面掃描時(shí)探針在樣品表面掃描時(shí)，通過(guò)反饋反饋回路回路控制隧道電流恒定不變隧道電流恒定不變，即探針探針與樣品表面相對(duì)距離樣品表面相對(duì)距離保持恒定恒定，這時(shí)探針探針沿沿xyxy平面內(nèi)掃描時(shí)平面內(nèi)掃描時(shí)在z z軸方向軸方向的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)就反映了樣品表面的高低起伏樣品表面的高低起伏，這種掃描模掃描模式式叫恒流模式恒流模式。 見(jiàn)圖2.2（a）l 恒高模式恒高模式： 探針在樣品表面掃描時(shí)探針在樣品表

6、面掃描時(shí)，使探針的探針的絕對(duì)高度不變絕對(duì)高度不變，這時(shí)探針探針與樣品表面的樣品表面的相對(duì)距離相對(duì)距離就會(huì)改變改變，即隧道電流會(huì)改變隧道電流會(huì)改變，通過(guò)測(cè)量電流測(cè)量電流的變化變化來(lái)反映樣品表面的樣品表面的高低起伏高低起伏。這種掃描模式叫恒高模式。掃描模式叫恒高模式。l（見(jiàn)圖2.2（b）l恒電流模式恒電流模式是STMSTM常用的工作模式常用的工作模式，而恒恒高模式僅適用于對(duì)起伏不大的表面高模式僅適用于對(duì)起伏不大的表面進(jìn)行成像。l當(dāng)樣品表面起伏較大時(shí)表面起伏較大時(shí)，由于針尖離表針尖離表面非常近面非常近，采用恒高模式恒高模式掃描可能造成針尖與樣品表面相撞針尖與樣品表面相撞，導(dǎo)致針尖與樣品針尖與樣品表面

7、破壞表面破壞。1.21.2 掃描隧道顯微鏡的裝置掃描隧道顯微鏡的裝置 STM是一種近場(chǎng)成像儀器近場(chǎng)成像儀器,針尖與樣針尖與樣品之間的距離品之間的距離S通常小于通常小于1nm. 自從首次STM誕生以來(lái),目前商品化的STM已采用了各種先進(jìn)技術(shù)和多項(xiàng)改先進(jìn)技術(shù)和多項(xiàng)改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)系統(tǒng).已成為一種先進(jìn)的形貌觀測(cè)儀形貌觀測(cè)儀器器被廣泛應(yīng)用.但基本組成基本組成沒(méi)有變化. lSTM由下列幾部分組成: 振動(dòng)隔絕系統(tǒng) 機(jī)械傳感系統(tǒng) 電子控制系統(tǒng) 探頭(隧道針尖) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) STM的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)如圖所示. 核心部件核心部件: 探頭探頭,安裝于STMSTM主體主體箱內(nèi) 電子控制系統(tǒng)電子控制系統(tǒng): 用于產(chǎn)生隧道

8、電流并維產(chǎn)生隧道電流并維 持其恒定持其恒定, , 控制針尖掃描控制針尖掃描. . 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng):控制各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、收集、存各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、收集、存 貯、處理獲得信息和圖像。貯、處理獲得信息和圖像。 振動(dòng)隔絕系統(tǒng)振動(dòng)隔絕系統(tǒng)：保證系統(tǒng)工作不受外界振不受外界振 動(dòng)等干擾動(dòng)等干擾。 （1 1 ）振動(dòng)隔離系統(tǒng)）振動(dòng)隔離系統(tǒng) 由于STM工作時(shí)針尖與樣品距離針尖與樣品距離小于小于1nm,任何振動(dòng)包括聲波振動(dòng)任何振動(dòng)包括聲波振動(dòng)都會(huì)影響儀儀器穩(wěn)定性器穩(wěn)定性, 因此由振動(dòng)引起振動(dòng)引起的隧道間距隧道間距變化必須小于0.001nm。 STM常用的振動(dòng)隔離方法振動(dòng)隔離方法有三種： 懸掛彈簧懸掛彈簧 平板平板-

9、彈性體堆垛系統(tǒng)彈性體堆垛系統(tǒng) 沖氣平臺(tái)沖氣平臺(tái)l懸掛彈簧：具有渦流阻尼渦流阻尼的懸掛彈簧系懸掛彈簧系統(tǒng)統(tǒng)見(jiàn)圖2.5al懸掛彈簧是最為有效最為有效的振動(dòng)隔離系統(tǒng)振動(dòng)隔離系統(tǒng)。如果STMSTM單元有足夠的剛性單級(jí)懸簧單元有足夠的剛性單級(jí)懸簧即可。l如果STM單元的剛性不夠剛性不夠，或者在超高真空超高真空和低溫環(huán)境下和低溫環(huán)境下工作，則可采用二級(jí)懸簧并二級(jí)懸簧并有渦流阻尼有渦流阻尼的振動(dòng)隔離系統(tǒng)振動(dòng)隔離系統(tǒng)。l懸簧系統(tǒng)懸簧系統(tǒng)的缺點(diǎn)是尺寸大尺寸大。（2) 2) 平板平板-彈性體堆垛系統(tǒng)：彈性體堆垛系統(tǒng)：由橡膠塊分橡膠塊分割割的多塊金屬扳堆累而成多塊金屬扳堆累而成，首先被用于袖珍型袖珍型STM。 其問(wèn)

10、題是由于小尺寸小尺寸使固有共振頻率固有共振頻率在10Hz左右。此種隔離方法隔離方法僅對(duì)較高頻率較高頻率（50Hz）有效）有效。l為了抑制低頻振動(dòng)低頻振動(dòng)，需要另外的懸簧懸簧。 (3)沖氣平臺(tái)沖氣平臺(tái)：通常用做光學(xué)工作臺(tái)光學(xué)工作臺(tái)，典型的固有頻率為固有頻率為11.2Hz。對(duì)大于10Hz的振動(dòng)傳遞函數(shù)振動(dòng)傳遞函數(shù)可達(dá)到0.1。l某些系統(tǒng)某些系統(tǒng)提供有效的振動(dòng)隔離僅限于垂振動(dòng)隔離僅限于垂直方向直方向，也有對(duì)水平方向同樣有效對(duì)水平方向同樣有效的氣氣動(dòng)平臺(tái)動(dòng)平臺(tái)。l缺點(diǎn)：體積龐大體積龐大，相當(dāng)笨重相當(dāng)笨重，1.2.2機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng) STM的機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)滿足STM掃描掃描及調(diào)調(diào)整針尖與樣品距離整針

11、尖與樣品距離等操作操作的要求。例如： 在x和和y方向上的掃描范圍掃描范圍至少為1m m1m m，也可以根據(jù)使用者的要求選擇更大的使用范圍10m10m。 控制精度應(yīng)達(dá)到控制精度應(yīng)達(dá)到0.10.1左右左右。 在Z Z軸方向軸方向的伸縮范圍至少為1m，精度精度為為0.001nm。 這兩項(xiàng)滿足了儀器在三維方向精確移動(dòng)三維方向精確移動(dòng)，并能在所確定的范圍內(nèi)確定的范圍內(nèi)達(dá)到原子級(jí)分辨原子級(jí)分辨率的基本要求率的基本要求。 在z方向機(jī)械方向機(jī)械調(diào)節(jié)精度要高于精度要高于0.1mm，機(jī)機(jī)械調(diào)節(jié)范圍應(yīng)大于械調(diào)節(jié)范圍應(yīng)大于1mm。l這一條件這一條件保證了能快速方便地將樣品和針快速方便地將樣品和針尖的距離調(diào)至能產(chǎn)生隧道

12、電流的距離尖的距離調(diào)至能產(chǎn)生隧道電流的距離，并并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中不會(huì)與樣品直接接觸且在調(diào)節(jié)過(guò)程中不會(huì)與樣品直接接觸，同時(shí)不影響更換樣品針尖更換樣品針尖及處理樣品處理樣品。l除以上三項(xiàng)外除以上三項(xiàng)外，我們還要使儀器既具有較大的掃描范圍掃描范圍以期對(duì)樣品的全貌有所樣品的全貌有所了解了解，又能夠在原子級(jí)分辨率水平上對(duì)原子級(jí)分辨率水平上對(duì)樣品的某些特定區(qū)域進(jìn)行精細(xì)掃描樣品的某些特定區(qū)域進(jìn)行精細(xì)掃描。l用一個(gè)三維掃描控制器難以三維掃描控制器難以同時(shí)具有這具有這兩種功能兩種功能，通常是更換不同的控制器來(lái)更換不同的控制器來(lái)做到這一點(diǎn)。做到這一點(diǎn)。l因此，在訂購(gòu)儀器時(shí)應(yīng)根據(jù)使用者的需要來(lái)選擇適當(dāng)?shù)呐渲眠x擇適當(dāng)?shù)?/p>

13、配置。lSTM在x y z三個(gè)方向的掃描控制掃描控制是通過(guò)PZT壓電陶瓷元件壓電陶瓷元件（鋯鈦酸鉛）l壓電陶瓷能簡(jiǎn)單地將1mv1000v的電信電信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一十幾分之一nm到數(shù)微米數(shù)微米的機(jī)械機(jī)械位移位移，完全滿足STM三維三維掃描控制精度的要求。1.2.3電子系統(tǒng)電子系統(tǒng) STM是一個(gè)納米級(jí)的隨動(dòng)系統(tǒng)，其電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)一樣，是為高精度的掃描服務(wù)的。 其核心是有一個(gè)高精度高精度、增益的反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng)。1.2.4隧道針尖隧道針尖 隧道針尖是隧道針尖是STM技術(shù)關(guān)鍵之一技術(shù)關(guān)鍵之一。 針尖的大小大小，形狀及其他物理形狀及其他物理、化學(xué)性化學(xué)性質(zhì)直接與STM的圖像分辨率的圖像分辨率，圖

14、像形圖像形狀狀及測(cè)定的電子態(tài)測(cè)定的電子態(tài)有關(guān)，從而決定著一臺(tái)STM的最終質(zhì)量及使用最終質(zhì)量及使用。 l理想的針尖理想的針尖宏觀結(jié)構(gòu)不是細(xì)而長(zhǎng)細(xì)而長(zhǎng)，而是呈錐形錐形，其針尖端部針尖端部最好為一穩(wěn)定原子一穩(wěn)定原子，且針尖針尖整體要求化學(xué)純度極高化學(xué)純度極高，這樣的針尖采集速度高采集速度高，隧道電流穩(wěn)定電流穩(wěn)定，比較容易獲得清晰的原子級(jí)分辨圖像原子級(jí)分辨圖像。l應(yīng)該指出的是，雖然STM已有20年的歷史，重復(fù)重復(fù)獲得具有原子級(jí)分辨率的針尖仍是一原子級(jí)分辨率的針尖仍是一個(gè)沒(méi)有完全解決的問(wèn)題。個(gè)沒(méi)有完全解決的問(wèn)題。lSTM常用的針尖材料: 是Pt-IrPt-Ir針尖和W W針尖針尖。lW針尖是最早使用的S

15、TM針尖，其剛性能夠很好地滿足STM儀器的剛性要求，因而得到廣泛應(yīng)用。lW針尖存在的問(wèn)題：在空氣中或水溶液中容易形成表面氧化物表面氧化物，需進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚磉m當(dāng)?shù)奶幚聿拍苡糜诟叻直娉上窀叻直娉上瘛?新鮮處理的W針尖在空氣中可使用數(shù)小空氣中可使用數(shù)小時(shí)到十?dāng)?shù)小時(shí)時(shí)到十?dāng)?shù)小時(shí)。 W W針尖的制備方法針尖的制備方法：l 電化學(xué)腐蝕法 直流法 交流法l圖2.8示出直流法的電解裝置圖。lPt-Ir針尖的制備，是采用最簡(jiǎn)單的機(jī)械最簡(jiǎn)單的機(jī)械加工法加工法。l即直接用剪刀剪刀將金屬絲按一定傾角剪成按一定傾角剪成針尖形狀針尖形狀，經(jīng)驗(yàn)表面，如此得到的Pt-IrPt-Ir針尖針尖和W W針尖針尖均可用于原子級(jí)的高分

16、辨成像。l缺點(diǎn)：重復(fù)差另外一種加工方法是研磨法： 先將d=0.1mm的鉑金絲用磨石打磨成頂角為90o左右的圓錐狀圓錐狀 用粒徑1m以下金剛石粉進(jìn)一步研磨研磨 用乙醇和超純水超水清洗干凈 用光學(xué)顯微鏡觀察針尖尖端的形貌 1.2.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在STM中的主要任務(wù)：儀器控制、數(shù)據(jù)采集、圖像顯示、處理以及存儲(chǔ)等。1.3 掃描隧道顯微鏡的特點(diǎn)： 具有極高的分辨率極高的分辨率，STM在平行與垂直平行與垂直于樣品表面二個(gè)方向上的分辨率可達(dá)0.10.1nmnm和0.01nm，而一般原子的半徑即為0.1nm量極，故利用STM可以直接觀察分直接觀察分辨出單個(gè)原子辨出單個(gè)原子 可以實(shí)時(shí)獲得實(shí)時(shí)獲得在實(shí)

17、空間表面實(shí)空間表面的三維圖像三維圖像，從而可用于觀察和研究各種表面結(jié)構(gòu)。各種表面結(jié)構(gòu)。 可在各種不同環(huán)境下工作，如真空真空、大大氣氣、常溫常溫、變溫等環(huán)境變溫等環(huán)境，樣品還可以放置于液相中液相中。 STMSTM對(duì)樣品的制備無(wú)特殊要求，觀察過(guò)程中對(duì)樣品的制備無(wú)特殊要求，觀察過(guò)程中不對(duì)樣品造成損傷不對(duì)樣品造成損傷 因此不僅適用于物理與化學(xué)過(guò)程的監(jiān)制物理與化學(xué)過(guò)程的監(jiān)制，而且將特別適用于生物樣品及生物過(guò)程的觀測(cè)生物樣品及生物過(guò)程的觀測(cè)。l 適用于各種導(dǎo)電樣品導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)研究表面結(jié)構(gòu)研究， 對(duì)有機(jī)物有機(jī)物等需設(shè)法將其固定在平整的將其固定在平整的 導(dǎo)電基底表面。導(dǎo)電基底表面。 利用STM針尖，可以

18、對(duì)原子和分子進(jìn)原子和分子進(jìn)行操作行操作，甚至可以在表面移走原子而構(gòu)表面移走原子而構(gòu)成圖形成圖形。1.4STM的應(yīng)用的應(yīng)用：表面結(jié)構(gòu)觀測(cè) STM是研究表面原子結(jié)構(gòu)強(qiáng)有力的表面原子結(jié)構(gòu)強(qiáng)有力的工具工具，盡管有些時(shí)候并不能將并不能將STM圖像圖像的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)簡(jiǎn)單地歸結(jié)為原子的空間排的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)簡(jiǎn)單地歸結(jié)為原子的空間排布情況布情況，但人們利用STM可解決許多表面科學(xué)問(wèn)題。 例如：Si（111）表面的77重構(gòu)結(jié)構(gòu)。表面化學(xué)反應(yīng)研究 STM對(duì)工作環(huán)境的要求相當(dāng)寬松，可以在大氣、空氣、溶液、低溫、高溫等環(huán)境下工作，這是STM技術(shù)的一個(gè)重要特色。由此可以方便地研究表面化學(xué)反應(yīng)表面化學(xué)反應(yīng)。 例如： 可系統(tǒng)研究表面

19、上發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)表面上發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)， 研究各種表面吸附表面吸附和表面催化問(wèn)題表面催化問(wèn)題， 直接在溶液中考察電化學(xué)沉積和電化學(xué)腐考察電化學(xué)沉積和電化學(xué)腐蝕過(guò)程蝕過(guò)程等。納米尺度的加工 STM不僅僅是被動(dòng)地觀測(cè)表面結(jié)構(gòu)的工觀測(cè)表面結(jié)構(gòu)的工具具，并且可用來(lái)誘導(dǎo)表面發(fā)生局域的物誘導(dǎo)表面發(fā)生局域的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化理和化學(xué)性質(zhì)的變化，以對(duì)表面進(jìn)行納表面進(jìn)行納米尺度的加工米尺度的加工，構(gòu)成新一代的納米電子納米電子器件或者發(fā)展新一代的超高密度信息存器件或者發(fā)展新一代的超高密度信息存儲(chǔ)器件儲(chǔ)器件。l例如美國(guó)商用機(jī)器公司（IBM）的科學(xué)家首次利用掃描隧道電子顯微鏡（STM）直接操作，成功的在Ni基

20、板上按自己的意志去安排Xe原子組合成IBM字樣，首次實(shí)現(xiàn)了原子三維空間立體搬遷。 1993年我國(guó)中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員在常溫下以超真空掃描隧道超真空掃描隧道顯微鏡顯微鏡（STM）l用探針撥出Si晶體表面的Si原子，在晶體表面形成中國(guó)圖形，筆畫(huà)的寬度為2nm(中學(xué)化學(xué)課本)。2.原子力顯微鏡 我們知道STM是利用隧道電流進(jìn)行表面形貌及表面電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)表面形貌及表面電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究， 所以只能直接對(duì)導(dǎo)體和半導(dǎo)體樣品進(jìn)行導(dǎo)體和半導(dǎo)體樣品進(jìn)行研究研究，不能用來(lái)直接觀察和研究絕緣體、直接觀察和研究絕緣體、樣品樣品和有較厚氧化層的樣品有較厚氧化層的樣品。 l 1986年Binning 等

21、發(fā)明了第一臺(tái)原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy AFM）。l原子力顯微鏡原子力顯微鏡是掃描探針顯微鏡大家族掃描探針顯微鏡大家族中的第二成員第二成員，它在掃描隧道顯微鏡的掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上提高了一步基礎(chǔ)上提高了一步。l它的組成如圖26.3所示 2.1 原子力顯微鏡的工作原理及工作模式 工作原理工作原理：將探針探針裝在一彈性微懸臂的彈性微懸臂的一端一端，微懸臂的另一端固定微懸臂的另一端固定，當(dāng)探針在樣品表面掃描時(shí)樣品表面掃描時(shí)，探針與表面之間存在探針與表面之間存在極微弱的作用力極微弱的作用力(10-810-6N)，會(huì)使微懸微懸臂發(fā)生彈性形變臂發(fā)生彈性形變。l針尖和樣

22、品之間針尖和樣品之間的力力與微懸臂的形變微懸臂的形變Z之間遵循虎克定律虎克定律(Hooke Law)。 F = kZl其中, k為微懸臂的力常數(shù)微懸臂的力常數(shù)。l測(cè)定微懸臂形變變量的大小微懸臂形變變量的大小,就可以獲得針尖與樣品作用力的大小針尖與樣品作用力的大小。l針尖有樣品之間針尖有樣品之間的作用力作用力與距離距離有強(qiáng)烈強(qiáng)烈的依賴關(guān)系的依賴關(guān)系.一束激光經(jīng)微懸臂背面反射到光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器,可精確測(cè)量微懸臂的微小微懸臂的微小變形變形。l如小于0.01nm的變形的變形,用激光束將之反射到光電檢測(cè)器后就變成了310nm激光激光點(diǎn)位移點(diǎn)位移，測(cè)量精確度比較高，當(dāng)激光的波長(zhǎng)為670nm時(shí)極限的分辨

23、率可以達(dá)到0.003nm。檢測(cè)方式:恒力模式恒力模式恒高模式恒高模式恒力模式恒力模式:通過(guò)反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng)使探針、樣品表探針、樣品表面作用力保持恒定面作用力保持恒定，當(dāng)探針在xy平面內(nèi)掃描時(shí)，探針的z向運(yùn)動(dòng)向運(yùn)動(dòng)就可反映樣品表反映樣品表面形貌及其它表面結(jié)構(gòu)面形貌及其它表面結(jié)構(gòu)。 這種檢測(cè)方式為恒力模式恒力模式。l恒高模式恒高模式：在x、y平面內(nèi)掃描時(shí),不使用反饋回路，保持針尖與樣品絕對(duì)距離恒針尖與樣品絕對(duì)距離恒定定，直接檢測(cè)微懸臂微懸臂Z方向的變量來(lái)成像。 這種檢測(cè)方式為恒高模式恒高模式。l對(duì)于表面起伏較大的樣品不適合。微懸臂形變微懸臂形變的檢測(cè)方法檢測(cè)方法l 我們講的測(cè)量微懸臂形變測(cè)量微懸臂

24、形變的檢測(cè)方檢測(cè)方法法為光束偏轉(zhuǎn)法光束偏轉(zhuǎn)法l 除光束偏轉(zhuǎn)法除光束偏轉(zhuǎn)法外外還有其他微懸臂形微懸臂形變變的檢測(cè)方法檢測(cè)方法： 隧道電流檢測(cè)法 電容檢測(cè)法 光束干涉法 壓敏電阻檢測(cè)法l由于針尖與樣品之間的作用力針尖與樣品之間的作用力為微懸臂微懸臂的力常數(shù)和形變量的乘積的力常數(shù)和形變量的乘積，所以上述所有方法都不應(yīng)影響微懸臂的力常數(shù)不應(yīng)影響微懸臂的力常數(shù)。l而且對(duì)形變量的檢測(cè)須達(dá)到納米級(jí)以上形變量的檢測(cè)須達(dá)到納米級(jí)以上。l由于光束偏轉(zhuǎn)法光束偏轉(zhuǎn)法比較簡(jiǎn)單，而且技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，所以目前AFM儀器中應(yīng)用最為普遍。 AFM的操作模式，主要有三種： 接觸模式 非接觸模式 輕敲模式 接觸模式中接觸模式中，針

25、尖始終和樣品接觸始終和樣品接觸，以恒高或恒力的模式進(jìn)行掃描。掃描過(guò)程中，針尖在樣品表面滑動(dòng)。l這種模式的分辨率高分辨率高，可得到穩(wěn)定的、分穩(wěn)定的、分辨率高的圖像辨率高的圖像。l但不適用于研究生物大分子不適用于研究生物大分子，低彈性模量低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。（橫向掃描時(shí)施加在樣品上有額外作用力）（橫向掃描時(shí)施加在樣品上有額外作用力）(2) 非接觸模式：是指探針離樣品表面上面探針離樣品表面上面并有一定距離并有一定距離，始終不與樣品接觸始終不與樣品接觸，這時(shí)微懸臂電壓陶瓷器件產(chǎn)生高頻振動(dòng)，頻率接近其固有振動(dòng)固有振動(dòng)，針尖與樣品間的針尖與樣品間的相互作用

26、力對(duì)其距離的變化相互作用力對(duì)其距離的變化將會(huì)直接影響到微懸臂微懸臂的振動(dòng)頻率及振幅振動(dòng)頻率及振幅， 用光學(xué)方法測(cè)量振幅的變化就可得知探光學(xué)方法測(cè)量振幅的變化就可得知探針與樣品表面作用力的變化針與樣品表面作用力的變化，即可測(cè)得樣品，形貌樣品，形貌等。l但由于針尖和樣品之間針尖和樣品之間的距離較長(zhǎng)距離較長(zhǎng)，分分辨率較接觸式低辨率較接觸式低，而且操作也相對(duì)較難操作也相對(duì)較難，所以非接觸模式目前基礎(chǔ)上未被采用非接觸模式目前基礎(chǔ)上未被采用。 l(3) 輕敲模式中，探針探針在樣品表面上以接樣品表面上以接近微懸臂固有頻率振動(dòng)近微懸臂固有頻率振動(dòng)，振蕩的針尖交振蕩的針尖交替地與樣品表面接觸和抬高替地與樣品表面

27、接觸和抬高，這種交替通常每秒鐘51045105次。l針尖與樣品接觸針尖與樣品接觸可以提高分辨率分辨率，針尖抬高離開(kāi)樣品抬高離開(kāi)樣品時(shí)，可避免在表面形成拖表面形成拖刮刮。這一模式也是利用壓電陶瓷壓電陶瓷通過(guò)微微懸臂振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的懸臂振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 l它結(jié)合了上述兩種模式的優(yōu)點(diǎn)兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，既不損不損壞樣品又有較高的分辨率壞樣品又有較高的分辨率，可適用于生可適用于生物大分子、聚合物等軟樣品的成像研究物大分子、聚合物等軟樣品的成像研究，對(duì)于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品一些與基底結(jié)合不牢固的樣品也降低了針尖對(duì)表面結(jié)構(gòu)針尖對(duì)表面結(jié)構(gòu)的搬運(yùn)效應(yīng)搬運(yùn)效應(yīng)。l另外還有兩種工作模式：l插行掃描模式插行掃描模式和力調(diào)制

28、模式力調(diào)制模式2.2 原子力顯微鏡的裝置 和STM一樣，AFM也有： 振動(dòng)隔絕系統(tǒng)振動(dòng)隔絕系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng) 針尖系統(tǒng)針尖系統(tǒng) 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng) 和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾個(gè)大的部分組成。l其關(guān)鍵部分仍是針尖系統(tǒng)針尖系統(tǒng)。 這里，針尖感受針尖感受的不是隧道電流隧道電流，而是原子間的相互作用力原子間的相互作用力，因此它由帶針尖帶針尖的力敏感元件力敏感元件和力敏感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系力敏感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成，其反饋電路反饋電路也用于臨控力敏感臨控力敏感元件的運(yùn)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)。lAFM對(duì)于隔絕振動(dòng)隔絕振動(dòng)，樣品逼近樣品逼近，掃描和掃描和反饋控制反饋控制，計(jì)算機(jī)圖像存儲(chǔ)和處理計(jì)算機(jī)圖像存儲(chǔ)和處理以及顯示

29、系統(tǒng)顯示系統(tǒng)等方面，可利用STM技術(shù)稍加技術(shù)稍加改進(jìn)改進(jìn)。l但微懸臂及其針尖微懸臂及其針尖是AFM所特有的所特有的，并且是技術(shù)成敗的關(guān)鍵之處技術(shù)成敗的關(guān)鍵之處，所以我們主要介紹AFM力傳感器上力傳感器上的微懸臂及其針微懸臂及其針尖尖AFM微懸臂要求： 相對(duì)低相對(duì)低的力常數(shù)力常數(shù)，即受到很小的力很小的力就能產(chǎn)生可檢測(cè)到的位移可檢測(cè)到的位移。（K = F/Z） 為了得到與STM相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集速度和數(shù)據(jù)采集速度和成像帶寬成像帶寬，要求微懸臂的共振頻率應(yīng)大共振頻率應(yīng)大于于10KHZ。對(duì)微懸臂橫向剛性橫向剛性的要求是減小橫向力橫向力的影響的影響，以防止圖像失真，故通常將微微懸臂制成懸臂制成V字形字形，以提高橫向剛性橫向剛性。如果采用隧道電流方式隧道電流方式來(lái)檢測(cè)微懸臂的微懸臂的位移位移。其背面必須要有金屬電極金屬電極。 若采用光束偏移法時(shí)采用光束偏移法時(shí)，則要求微懸臂的微懸臂的背面有盡可能平滑的反光面背面有盡可能平滑的反光面。一