原子力顯微鏡-試驗報告

1、原子力顯微鏡姓名：董佳婿學號：141120021院系：物理學院摘要：本文闡述了原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)、原理及應用，觀察了樣品的表面形貌,最后對本實驗進行了討論。關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡，導電ITO,表面粗糙度1 .引言在當今的科學技術(shù)中，如何觀察、測量、分析尺寸小于可見光波長的物體，是一個重要的研究方向。掃描隧道顯微鏡(STM)使人們首次能夠真正實時地觀察到單個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、化學性質(zhì)。STM要求樣品表面能夠?qū)щ?，從而使得STMR能直接觀察導體和半導體的表面結(jié)構(gòu)。為了克服STM的不足之處，推出了原子力顯微鏡(AFM)。AFM是通過探針與被測樣品之間微弱的相互作用力(

2、原子力)來獲得物質(zhì)表面形貌的信息。因此，AFM1導電樣品外，還能夠觀測非導電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導電薄膜覆蓋其應用領(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，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)，如圖1所示。激光登瀏器二：厚宓逼近零桿壓電陶瓷管電機SPM控制器(1)力檢測部分在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。使用微懸臂來檢測原子之間力的變化量。如圖2所示，微懸臂通常由一個一般100500pm長和大約500nm-5仙m厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個尖銳針尖，用來檢測樣品-針尖間的相互作用力。圖2(2)位置檢測部

3、分在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，當針尖與樣品之間有了作用之后，會使得懸臂擺動，所以當激光照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號，以供SPM控制器作信號處理。聚焦到微懸臂上面的激光反射到激光位置檢測器，通過對落在檢測器四個象限的光強進行計算，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，將信號經(jīng)由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信號，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷制作的掃描器做適當?shù)囊苿?，以保持樣品與針

4、尖保持一定的作用力。原子力顯微鏡便是結(jié)合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會使微懸臂擺動，再利用激光將光照射在懸臂的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當?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。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。本實驗采用接觸模式：樣品掃描時，針尖始終同樣品“接觸”，即針尖-樣品距離在小于零點幾個納米的斥力區(qū)

5、域。此模式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。當沿著樣品掃描時，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器時，檢測器不同象限會接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強度差值。反饋回路根據(jù)檢測器的信號與預置值的差值，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。這種測量模式稱為恒力模式。當已知樣品表面非常平滑時，可以讓針尖一樣品距離保持恒定，這時針尖一樣品作用力大小直接反映了表面的高低，這種方法稱恒高模式。本實驗采用恒力模4 .原子力顯微鏡的操作步驟(1)依次開啟：

6、電腦-控制機箱-高壓電源-激光器。(2)用粗調(diào)旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距<1mm(3)再用細調(diào)旋鈕使樣品逼近微探針：順時針旋細調(diào)旋鈕，直至光斑突然向PSD移動。(4)緩慢地逆時針調(diào)節(jié)細調(diào)旋鈕并觀察機箱上反饋讀數(shù)：Z反饋信號約穩(wěn)定在-150至-250之間(不單調(diào)增減即可)，就可以開始掃描樣品。(5)讀數(shù)基本穩(wěn)定后，打開掃描軟件，開始掃描。(6)掃描完畢后，逆時針轉(zhuǎn)動細調(diào)旋鈕退樣品，細調(diào)要退到底。再逆時針轉(zhuǎn)動粗調(diào)旋鈕退樣品，直至下方平臺伸出1厘米左右。(7)實驗完畢，依次關(guān)閉：激光器-高壓電源-控制機箱(8)處理圖像，得到粗糙度5.實驗數(shù)據(jù)1)導電ITO樣品的表面形貌粗糙度Ra:6.0n

7、m;Ry:122.4nm;Rz:122.4nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm圖像大小X:400pixel;Y:400pixel二維表面形貌：1000200030004000nmfl2)A4紙樣品的表面形貌粗糙度Ra:9.4nm;Ry:150.0nm;Rz:150.0nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm圖像大小X:400pixel;Y:400pixel二維表面形貌:300020001DOO010002000300004000nm3)Cu樣品的表面形貌粗糙度Ra:11.7nm;Ry:131.9nm;Rz:131.9nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm圖像大小X:40

8、0pixel;Y:400pixel二維表面形貌：TTTiTT14)Si樣品的表面形貌粗糙度Ra:12.8nm;Ry:420.5nm;Rz:420.5nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm一維表面形貌400030002000100000100020003D004UUDnm6.對實驗的討論(1)AFM探測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用？在物理學中，AFM可以用于研究金屬和半導體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及動態(tài)過程，超導體表面結(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

9、出，但實際上金屬表面很復雜。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)(稱為表面重構(gòu))，可使表面自由能達到最小值，而借助AFM可以方便得到某些金屬、半導體的重構(gòu)圖像。AFM在高分子領(lǐng)域中的應用已由最初的聚合物表面幾何形貌的觀測，發(fā)展到深入高分子的納米級結(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。對高分子聚合物樣品的觀測,AFM可達納米級分辨率，能得到真實空間的表面形貌三維圖像，同時可以用于研究表面結(jié)構(gòu)動態(tài)過程。在生物學上，AFMt匕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)，且有其獨特的優(yōu)勢：生物大分子樣品不需要覆蓋導電薄膜；可在多種環(huán)境下直接實時觀測；圖像分辨率

10、高；基底選擇性強等。除物理、化學、生物、等領(lǐng)域外，AFM在微電子學、微機械學、新型材料、醫(yī)學等領(lǐng)域都有著廣泛的應用和巨大的應用前景。(3)與傳統(tǒng)的光學顯微鏡、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)的光學顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長或電子波長以上線度的結(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。得到更真實的樣品形貌，提高AFM的靈敏度，微懸臂的設(shè)計通常要求滿足下述條件；較低的力學彈性系數(shù)，使很小的力就可以產(chǎn)生可觀測的位移較高的力學共振頻率高的橫向剛性，針尖與樣品表面的摩擦不會使他發(fā)生彎曲微懸臂長度盡可能短©微懸臂帶有能夠通過光學、電容、隧道電流方法檢測其動態(tài)位移的鏡子或電極針尖盡可能尖銳AFMK器的發(fā)展也可以說是微懸臂和針尖不斷改進的過程。(4)要對懸臂的彎曲量進行精確測量，除了在AFM中使用光杠桿這個方法外，還有哪些方法可以達到相同數(shù)量級的測量精度？電學方法:1 .隧道電流檢測法。根據(jù)隧道電流對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器，通過針尖與微懸臂間產(chǎn)生的隧道電流的變化就可檢測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。通過測量微