微機械學(xué)中的納米摩擦學(xué)第二節(jié)續(xù)

1、微機械學(xué)中的納米摩擦學(xué)微機械學(xué)中的納米摩擦學(xué)YOUR SITE HERELOGO第第1 1節(jié)節(jié). . 緒論緒論第第2 2節(jié)節(jié). . 實驗測試儀器實驗測試儀器第第3 3節(jié)節(jié). . 微觀摩擦研究微觀摩擦研究第第4 4節(jié)節(jié). . 微觀磨損研究微觀磨損研究主要內(nèi)容主要內(nèi)容第第5 5節(jié)節(jié). . 微觀潤滑研究微觀潤滑研究YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 電子顯微鏡常用的有透射電鏡（transmission electron microscope，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）。 電子顯微鏡發(fā)展的歷史第二節(jié)

2、第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器光學(xué)顯微鏡 1878年 阿貝-瑞利指出光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)受到光波衍射的限制，給出了顯微鏡分辨本領(lǐng)極限公式。 顯微鏡分辨率最多也只能達到光波長的一半自然光的平均波長為0.55m，所以分辨率能達到0.275m，最好的光學(xué)顯微鏡能把物體放大2000倍，這是細菌的量級。若想繼續(xù)提高光學(xué)顯微鏡的分辨率，必須縮短光波的波長，唯一的辦法是讓光跑得更快這顯然不可能。 YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 電子顯微鏡常用的有透射電鏡（transmission electron microscope，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanning e

3、lectron microscope，SEM）。 電子顯微鏡發(fā)展的歷史第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器最早的電鏡 1924年，32歲的德布羅意證明了電子也和光子一樣具有波動性，而且令人驚喜的是其波長本身就比光子短。 對顯微鏡最有意義的貢獻是：它提供了理論依據(jù)，說明電子能像光子一樣做顯微鏡的“光源”；利用德布羅意公式可以算出，電子的速度能被電場加到特別大時，其波長能縮小到光子波長的1/100000。 1933年，德國科學(xué)家盧斯卡制作了最早的電鏡，電子在1米多高的金屬柱中加速，繼而被匯聚在一些小網(wǎng)格樣品上，將小格放大了14.4倍。這標(biāo)志人類首次以電代光“照”出了物體的影像。YOUR SITE

4、 HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 透射電鏡工作原理第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器（a）透射電子顯微鏡 （b） 光學(xué)顯微鏡 成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。透射電子顯微鏡是以波長極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。它由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）、電源和控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)三部分組成。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 透射電鏡優(yōu)點第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器透射電子顯微鏡 1信息采集范圍小?，F(xiàn)在最先進的TEM已經(jīng)可以對小于0.1納米的區(qū)域進行拍照和分析。在各種科學(xué)儀器中，只有掃描探針

5、顯微鏡能達到這樣的分析尺度。但是二者不能相互替代，掃描探針顯微鏡研究范圍只局限于表面，TEM得到的信息來自樣品的三維結(jié)構(gòu)。 2. 分辨率高。最好的TEM分辨率已達到0.1nm。 3工作模式多樣。透射電子顯微鏡不僅僅具有通常顯微鏡的放大作用。它還可以作為一臺電子衍射儀提供樣品的結(jié)構(gòu)信息。配合各種信號探測器，它又能對樣品做化學(xué)成分或者磁、電性能的分析。并且這些功能之間的轉(zhuǎn)換非常方便，甚至可以同時進行。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 透射電鏡缺點第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 1破壞性樣品制備。TEM需要很薄的樣品使電子束能夠穿過。對于大多數(shù)材料，要

6、求在100微米以下。制樣的問題，其技術(shù)難度很大，觀察點的定位很難。 2低采樣率。由于TEM的觀察范圍很小（幾個微米），而且樣品很?。ㄐ∮?00 nm），實驗測試到的樣品區(qū)域只占整體材料的極小一部分。這個微小的區(qū)域未必能真實反映材料的性質(zhì)。 3. 是分析周期長，一般商業(yè)分析服務(wù)周期為一星期左右。 4. TEM的成本大大高于SEM的成本。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 透射電鏡作用與應(yīng)用第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 晶體缺陷分析 廣義的講，一切破壞正常點陣周期的結(jié)構(gòu)均稱為晶體缺陷，如空位、位錯、晶界、析出物等。這些破壞點陣周期性的結(jié)構(gòu)都將導(dǎo)致其所

7、在區(qū)域的衍射條件發(fā)生變化，使得缺陷所在區(qū)域的衍射條件不同于正常區(qū)域的衍射條件，從而在熒光屏上顯示出相應(yīng)明暗程度的差別。 張琳琳等人利用高分辨透射電子顯微鏡以及自主開發(fā)的基于透射電鏡的原位性能表征系統(tǒng)對石墨化前后的碳管結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能進行了研究。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 透射電鏡作用與應(yīng)用第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 組織分析 除了各種缺陷可以產(chǎn)生不同的衍射花紋外，各種不同的晶體微觀組織也會對應(yīng)有不同的像和衍射花紋，通過它們可以在觀察組織形貌的同時進行晶體的結(jié)構(gòu)和取向分析。 Huang等人對納米研磨和化學(xué)機械拋光后的硅表面進行了TEM測試，

8、發(fā)現(xiàn)納米研磨后硅表面有非晶層產(chǎn)生，下層有位錯產(chǎn)生。而化學(xué)機械拋光后的表面層下沒有出現(xiàn)損傷，會呈現(xiàn)完好的晶格表面。（a) 納米研磨后硅片表面的TEM圖像（b) 化學(xué)機械拋光后硅片表面的TEM圖像YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 透射電鏡作用與應(yīng)用第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 原位觀察 利用相應(yīng)的樣品臺，可以在透射電鏡中進行原位試驗。例如，利用加熱臺加熱樣品觀察其相變過程，利用應(yīng)變臺拉伸樣品觀察其形變和斷裂過程等。 高分辨顯微技術(shù) 提高顯微鏡的分辨率以便更能深入觀察研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，一直是人們不斷追求的目標(biāo)。高分辨率電子顯微鏡利用的是電子束相位的

9、變化，由兩束以上的電子束相干成像，在電子顯微鏡分辨率足夠高的條件下，所用的電子束越多，圖像的分辨率越高，甚至可以用于薄樣品原子結(jié)構(gòu)成像。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM） 掃描電子顯微鏡是繼透射電鏡之后發(fā)展起來的一種電子顯微鏡。掃描電子顯微鏡的成像原理和透射電子顯微鏡不同，它是以電子束作為照明源，把聚焦得很細的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生各種與試樣性質(zhì)有關(guān)的信息，然后加以收集和處理從而獲得微觀形貌放大像。第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互

10、作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號1.背散射電子（backscattering electron） 定義：被固體樣品反彈回來的一部分入射電子。分類：彈性背散射電子和非彈性背散射電子。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號1.背散射電子（backscattering electron） 彈性背散射電子定義：彈性背散射電子是指被樣品中原子核反彈回來的散射角大于90的那些入射電子，其能量基本上沒有變化。彈性背散射電子

11、的能量為數(shù)千到數(shù)萬電子伏。非彈性背散射電子定義：非彈性背散射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射而造成的，不僅能量變化，方向也發(fā)生變化。如果有些電子經(jīng)多次散射后仍能反彈出樣品表面，這就形成非彈性背散射電子。 非彈性背散射電子的能量分布范圍很寬，從數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號1.背散射電子（backscattering electron） 背散射電子特點：背散射電子的產(chǎn)生范圍在1000 到1m深，由于背

12、散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，所以，利用背散射電子作為成像信號不僅能分析形貌特征，也可用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地進行成分分析。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號2. 二次電子 （secondary electron）二次電子定義：二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。 由于原子核和外層價電子間的結(jié)合能很小，因此外層的電子比較容易和原子脫離。當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可離開原子而變成自由電子。

13、如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層，那些能量尚大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號2. 二次電子 （secondary electron）二次電子特點： 二次電子來自表面50-500 的區(qū)域，能量為0-50 eV。 它對試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。 由于它發(fā)自試樣表面層，入射電子還沒有較多次散射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射

14、面積沒多大區(qū)別。所以二次電子的分辨率較高，一般可達到50-100 。 掃描電子顯微鏡所用的物理信號主要為二次電子。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不明顯，它主要決定于表面形貌，不用于成分分析。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號3. 透射電子 （transmission electron） 透射電子的定義：如果樣品厚度小于入射電子的有效穿透深度，那么就會有相當(dāng)數(shù)量的入射電子能夠穿過薄樣品而成為透射電子。有效穿透深度：與入射電子能量和樣品性質(zhì)有

15、關(guān)。當(dāng)Eo10-1000 eV，時不超過1.5*10-9米；當(dāng)Eo40-100eV時，只有6*10-10米， 樣品下方檢測到的透射電子信號中，除了有能量與入射電子相當(dāng)?shù)膹椥陨⑸潆娮油?，還有各種不同能量損失的非彈性散射電子。 其中有些待征能量損失E的非彈性散射電子和分析區(qū)域的成分有關(guān)，因此，可以用特征能量損失電子配合電子能量分析器來進行微區(qū)成分分析。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號4. 特征X射線 （characteristic X-r

16、ay） 特征X射線的定義：特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。成因：入射電子與核外電子作用，產(chǎn)生非彈性散射，外層電子脫離原子變成二次電子，使原子處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)，它是一種不穩(wěn)定態(tài)。較外層的電子會迅速填補內(nèi)層電子空位，使原子降低能量，趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)。舉例：如在高能入射電子作用下使K層電子逸出，原子就處于K激發(fā)態(tài)，具有能量EK。當(dāng)一個L2層電子填補K層空位后，原于體系由K激發(fā)態(tài)變成L2激發(fā)態(tài)，能量從EK降為EL2，這時就有E(EK-EL2)的能量釋放出來。 YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯

17、微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號4. 特征X射線 （characteristic X-ray） 若這一能量以X射線形式放出，這就是該元素的K輻射，此時X射線的波長為：式中，h為普朗克常數(shù)，c為光速。對于每一元素，EK、EL2都有確定的特征值，所以發(fā)射的X射線波長也有特征值，這種X射線稱為特征X射線。X射線的波長和原子序數(shù)之間服從莫塞萊定律：式中，Z為原子序數(shù)，K、為常數(shù)?？梢钥闯?，原子序數(shù)和特征能量之間是有對應(yīng)關(guān)系的，利用這一對應(yīng)關(guān)系可以進行成分分析。 如果用X射線探測器測到了樣品微區(qū)中存在某一特征波

18、長，就可以判定該微區(qū)中存在的相應(yīng)元素。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號5. 俄歇電子（Auger electron） 定義：如果原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量E不以X射線的形式釋放，而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種二次電子叫做俄歇電子。 因每一種原子都有自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，一般在50-1500 eV范圍之內(nèi)。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原于層中發(fā)出的，這說明俄

19、歇電子信號適用于表層化學(xué)成分分析。 顯然，一個原子中至少要有三個以上的電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，鈹是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的最輕元素。 除了以上常見的五種信號外，固體樣品還會產(chǎn)生陰極熒光、吸收電子、電子速感應(yīng)效應(yīng)和電動勢等信號，這些信號經(jīng)調(diào)制后也可以用于專門的分析。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號YOUR SITE HERELOGO第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡工作原理 掃描電鏡是用聚焦電

20、子束在試樣表面逐點掃描成像。成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是最主要的成像信號。由電子槍發(fā)射的能量為 5 35keV 的電子，經(jīng)二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅(qū)動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集 轉(zhuǎn)換成電訊號，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 掃描電鏡的指

21、標(biāo)第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器掃描電子顯微鏡 1放大倍數(shù)（magnification）。目前商品化的SEM的放大倍數(shù)可以從20倍到20萬倍之間連續(xù)調(diào)節(jié)。 2分辨率(resolution)。SEM的分辨率取決于入射電子束直徑，直徑越小，分辨率越高。目前SEM的分辨率已達到1nm。 3景深(depth of field)。景深是指透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍，這個范圍用一段距離來表示。它比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電子顯微鏡的景深大10倍。 YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 掃描電鏡的指標(biāo)第二節(jié)第二節(jié) 實

22、驗測試儀器實驗測試儀器光學(xué)顯微鏡與掃描顯微鏡對比染色體紅細胞生長在玻璃襯底上多層薄膜孔雀羽毛照片YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 掃描電鏡的優(yōu)點第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 1高的分辨率，由于精確聚焦的電子束作為探針，超高真空技術(shù)的發(fā)展，場發(fā)射電子槍的應(yīng)用，分辨率已達到1nm左右 2有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍連續(xù)可調(diào) 3. 有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結(jié)構(gòu)。 4. 配有X射線能譜儀裝置，可以同時進行顯微組織形貌觀察和微區(qū)成分分析。 5. 試樣制備簡單。 掃描電鏡的缺點 所用的分析信號為二次電子

23、，只可用于表面形貌的分析，單獨無法實現(xiàn)成分的分析。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 俄歇電子能譜（Auger electron spectrometer ，AES）的特點第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 1俄歇電子能譜可以分析除氫氦以外的所有元素，是有效的定性分析工具； 2俄歇電子能譜具有非常靈敏的表面性，是最常用的表面分析手段，檢測深度在0.5-2nm；靈敏度約為10-3原子單層。 3. 采用電子束作為激發(fā)源，具有很高的空間分辨率，最小可達到10nm。 4. 可進行微區(qū)分析和深度分析，具有三維分析的特點。YOUR SITE HERELOGO2.1

24、 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 俄歇電子能譜的分析技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器1. 表面元素定性鑒定 從圖上可見，AES譜圖的橫坐標(biāo)為俄歇電子動能，縱坐標(biāo)為俄歇電子計數(shù)的一次微分。激發(fā)出來的俄歇電子由其俄歇過程所涉及的軌道的名稱標(biāo)記。如圖中的C KLL表示碳原子的K層軌道的一個電子被激發(fā)，在退激發(fā)過程中，L層軌道的一個電子填充到K軌道，同時激發(fā)出L層上的另一個電子。這個電子就是被標(biāo)記為C KLL的俄歇電子。0100200300400500600C KLLTi KLLO KLL俄歇電子動能 / eV計數(shù) / 任意單位278.0385415510金剛石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析譜

25、俄歇電子能譜主要是依靠俄歇電子的能量來識別元素的。通常有關(guān)元素的俄歇電子能量可以從俄歇手冊上直接查得，不需要進行理論計算。YOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 俄歇電子能譜的分析技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器2.表面元素的化學(xué)價態(tài)分析 從圖上可見，Si俄歇譜的動能與Si原子所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)。在SiO2物種中，Si俄歇譜的動能為72.5 eV, 而在單質(zhì)硅中，其Si俄歇譜的動能則為88.5 eV。我們可以根據(jù)硅元素的這化學(xué)位移效應(yīng)研究SiO2/Si的界面化學(xué)狀態(tài)。由圖可見，隨著界面的深入，SiO2物種的量不斷減少，單質(zhì)硅的量則不斷地增加。在SiO

26、2/Si界面不同深度處的Si俄歇譜65707580859095俄歇動能 / eV計數(shù) / 任意單位純 Si88.5 eVSiO272.5 eV樣品表面Si 基底界面 A界面 BYOUR SITE HERELOGO2.1 常用電子顯微鏡常用電子顯微鏡 俄歇電子能譜的分析技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器3.元素沿深度方向的分布分析 一般采用Ar離子剝離樣品表面的深度分析的方法。 其分析原理是先用Ar離子把表面一定厚度的表面層濺射掉，然后再用AES分析剝離后的表面元素含量，這樣就可以獲得元素在樣品中沿深度方向的分布。 在經(jīng)過界面反應(yīng)后，在PZT薄膜與硅基底間形成了穩(wěn)定的SiO2界面層。這界

27、面層是通過從樣品表面擴散進的氧與從基底上擴散出的硅反應(yīng)而形成的。PZT/Si薄膜界面反應(yīng)后的俄歇深度分析譜00.511.522.533.54020406080100OOSiSiOPZT濺射時間 / min原子摩爾百分?jǐn)?shù)濃度SiO2 界面層YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM的發(fā)展與應(yīng)用的發(fā)展與應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 1985年Binning與斯坦福大學(xué)的Quate和IBM蘇黎士實驗室Christoph Ger

28、ber合作推出了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)，這是一種不需要導(dǎo)電試樣的掃描探針型顯微鏡。 可以實現(xiàn)納米級尺寸和納牛級微力的測量，而且可以得到三維形貌、分形結(jié)構(gòu)、橫向力和相界等信息, 尤其重要的是還可以實現(xiàn)過程的測量, 達到實驗與測量的統(tǒng)一, 是進行納米摩擦學(xué)研究的一種有力手段.YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM工作原理工作原理 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 原子力顯微鏡的工作原

29、理就是將探針裝在一彈性微懸臂的一端，微懸臂的另一端固定，當(dāng)探針在樣品表面掃描時，探針與樣品表面原子間的排斥力會使得微懸臂輕微變形，這樣，微懸臂的輕微變形就可以作為探針和樣品間排斥力的直接量度。一束激光經(jīng)微懸臂的背面反射到光電檢測器，可以精確測量微懸臂的微小變形，這樣就實現(xiàn)了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面結(jié)構(gòu)。YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM工作原理工作原理 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器

30、 AFM的工作模式主要三種：接觸模式（Contact），非接觸模式（non-ontact），敲擊模式(tapping)。這三種模式是根據(jù)探針與樣品之間作用力的形式來分的，接觸模式的作用力是斥力，非接觸模式的作用力是引力，而敲擊模式介于前兩者之間，是一個雜化的概念。1. 接觸模式。 探針與樣品保持親密接觸，通過探針與樣品之間的斥力來探測樣品表面，力的大小在10-1010-6 N之間，其成像是通過位置靈敏光檢測器（PSPD）以偵測偏移量，然后推算出來的。 由于在掃描過程中，探針與樣品接觸，一是有可能會損壞某些脆弱的樣品（如生物樣品，聚合體等），二是探針可能被樣品污染，此外，針尖與樣品之間的粘著力很

31、明顯，導(dǎo)致空間分辨率降低。另外針尖與樣品之間的作用力在10-1010-6N之間，有些表面柔弱的樣品無法承受這么大的力，就不能采用接觸模式了。不過在較硬材料上通常會得到較佳的分辨率。YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM工作原理工作原理 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器2. 非接觸模式。不再運用PSPD測量偏移量來成像了，而是通過cantilever的共振頻率的改變進行成像的。Cantilever在自然共振的狀態(tài)下去接近樣品，一

32、般在樣品表面上方510nm。在這一過程中，其共振頻率會隨著力量梯度的變化而變化，所謂力量梯度就是指探針與樣品之間的作用力隨他們之間距離的改變而改變的量。因此，通過測量樣品與探針之間的作用力的變化，便可反應(yīng)cantilever的共振頻率的變化，從而成像。 樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，而且探針與樣品之間的作用力一般在10-12N這個數(shù)量級上，因此特別適合于研究柔嫩物體的表面。但是要在室溫大氣環(huán)境下實現(xiàn)這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水，它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加尖端對表面的壓力,這樣的話引起反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。YOUR

33、SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM工作原理工作原理 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器3. 輕敲模式。 敲擊模式中，一定恒力驅(qū)使懸臂在試樣表面上方以固定振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品表面。這樣一來針尖接觸樣品時所產(chǎn)生的側(cè)向力被明顯地減小了。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描，裝置隨即將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。同時AFM 還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎

34、曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。敲擊模式很好的消除了側(cè)向力的影響，降低了由于接觸所引起的吸附力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會損傷其表面。 但是這種模式比接觸模式的掃描速度慢。YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM的應(yīng)用的應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器1. 量測原子表面或納米結(jié)構(gòu)a. 以亞原子分辨率測得的原子結(jié)構(gòu)圖b. 硅基體經(jīng)過濕法刻蝕和干法刻蝕后圖像d. 表面微結(jié)構(gòu)c. 細菌表面分析e.

35、 直徑為100nm的顆粒 通常原子力顯微鏡的橫向分辨率可以達到1nm，縱向分辨率為0.1nm。YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM的應(yīng)用的應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器2. 表面形貌掃描a. 薄膜表面形貌掃描b. 表面粗糙度分析YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）

36、v AFM的應(yīng)用的應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器3. 納米切削與納米結(jié)構(gòu)制造a. AFM加工的微結(jié)構(gòu)YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM在摩擦學(xué)中的應(yīng)用在摩擦學(xué)中的應(yīng)用 第二節(jié)第二節(jié) 實驗測試儀器實驗測試儀器 Pollock等人就表面力(主要是范德華力)對摩擦的影響進行過比較深入的分析研究，發(fā)現(xiàn)在表面力的作用下, 當(dāng)兩表面接近到臨界距離時會突然出現(xiàn)一種動力學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象, 即兩表面通過跳躍形成接觸(jump to contact), 即JC接觸。YOUR SITE HERELOGO2.2 2.2 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy，AFM AFM ）v AFM在摩擦學(xué)中的應(yīng)用