AFM原子力顯微鏡

表面形貌分析手段----簡介表面形貌分析手段----簡介表面形貌分析手段光束電子束光學顯微鏡掃描電子顯微鏡(AFM)透射電子顯微鏡(TEM)探針原子力顯微鏡(AFM)掃描隧道顯微鏡(STM)表面形貌分析手段----簡介常見測量技術的測量范圍SPM-掃描探針顯微鏡家族的主要成員名

稱

基

本

原

理工

作

環(huán)

境分

辨

率STM利用隧道電流與距離的敏感關系對表面成像大氣、真空、液相變溫1?(橫向)0.1?

(縱向)AFM利用針尖/表面間的作用力與距離的敏感關系對表面成像大氣、真空、液相變溫~1?MFM利用磁性針尖與樣品表面的磁力作用測量表面磁性質大氣、真空變溫~10nmSNOM利用近場光學效應對表面進行納米級分辨光學成像大氣、真空、液相變溫nm級SCM檢測針尖與樣品之間的電容微小變化大氣、真空變溫數十nmEFM檢測帶電針尖與表面之間的靜電力大氣、真空變溫100nmSICM利用微量滴管在表面掃描，檢測溶液電導變化液相數百nm......AFM的基本原理AFM原理示意圖STM對絕緣樣品無能為力。為此，Binnig,Quate，Gerber等人發(fā)明了類似于STM的原子力顯微鏡（AFM，1986）。

AFM利用一個對微弱力極敏感的、在其一端帶有一微小針尖的微懸臂，來代替STM隧道針尖，通過探測針尖與樣品之間的相互作用力來實現(xiàn)表面成像的（右圖）。

將微懸臂的一端固定，另一端的針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面間存在極微弱的作用力（通常為排斥力，10－810－6N），微懸臂會發(fā)生微小的彈性形變，即造成微小偏轉。這種偏轉通過適當的方式檢測出來，用于AFM成像。AFM原理----原子力針尖與樣品之間的作用力與距離有強烈的依賴關系，所以在掃描過程中利用反饋回路保持針尖和樣品之間的作用力恒定，即保持微懸臂的形變量不變，針尖就會隨表面的起伏上下移動，記錄針尖上下運動的軌跡即可得到表面形貌的信息。這種檢測方式被稱為“恒力”模式（ConstantForceMode），是使用最廣泛的掃描方式。

其中，k為微懸臂的力常數。測定微懸臂形變量的大小，就可以獲得針尖與樣品之間作用力的大小。

AFM圖像也可以使用“恒高”模式（ConstantHeightMode）獲得，也就是在x、y掃描過程中，不使用反饋回路，保持針尖與樣品之間的距離恒定，檢測器直接測量微懸臂z方向的形變量來成像。這種方式由于不使用反饋回路，可以采用更高的掃描速度，通常在觀察原子、分子像時用得比較多，而對于表面起伏較大的樣品不適合。針尖和樣品之間的作用力F與微懸臂的形變Δz之間遵循虎克定律F＝k·ΔzAFM原理----恒力AFM原理----反饋原理AFM原理----反饋原理比例、微分(LookAhead)氣球移動得非?？旆e分(LookBehind)對過去的軌跡進行分析，以預測未來的軌跡下面以DI公司的Nanoscope系列的AFM為例，介紹光束偏轉法檢測的實現(xiàn)過程及其特點。DI公司采用四象限光電二極管檢測器。不同的操作模式（詳見后述）下，四象限檢測器的四個單元組合提供不同的信息。四象限總信號SUM=A+B+C+D。在接觸模式下，上部兩個單元（A和B）和下部兩個單元（C和D）的差分信號VerticalDifferentialSignal＝經過放大后可以直接作為微懸臂形變量的度量。與此相似，左面兩個單元（A和C）與右面兩個單元（B和D）的差分信號LateralDifferentialSignal＝可以作為橫向力顯微鏡（LateralForceMicroscope，LFM，也可稱為摩擦力顯微鏡，F(xiàn)rictionForceMicroscope，F(xiàn)FM）微懸臂扭轉量的度量。微懸臂的形變檢測涉及激光束在微懸臂上的反射，這就要求微懸臂的背面應該有足夠大的光亮的光學反射面，而且為了獲得較大的靈敏度，針尖與樣品之間的微小的力應該能夠轉換成為激光束在檢測器上的較大位移。實現(xiàn)這一點可以從兩個方面入手，一是減小微懸臂的力常數k，一是增大微懸臂和檢測器之間的距離。微懸臂的力常數越小，靈敏度越高，但也勢必會造成熱漲落和振動噪音水平的提高。微懸臂和檢測器之間的距離也不能太長，否則，光源和檢測器中的照射噪音和空氣的波動就會對光路造成較大的干擾，使得噪音水平提高。在輕敲模式（TappingMode）下，反饋回路控制微懸臂在一個恒定的振幅下振動，這樣光電檢測器上的光斑就垂直振蕩，振蕩的信號經過光電二極管的整流和低通濾波轉換成直流電壓信號（RMS振幅），RMS振幅就可以作為微懸臂運動的度量。微小形變的檢測----光束偏轉法

將微懸臂作為一個電極，在微懸臂上方設置一個STM針尖作為另一個電極，微懸臂的微小變形就會引起隧道結距離的變化，從而引起隧道電流的劇烈變化，通過反饋回路控制AFM樣品和STM針尖做相反的運動，保持隧道電流的恒定，也就是保持隧道間隙的恒定，就可以獲取表面形貌的高分辨圖像。

微小形變的檢測----隧道電流檢測法

隧道電流法的靈敏度相當高，z方向的分辨率可達0.01nm，但是信噪比較低。主要原因有兩個：一是在大氣環(huán)境下工作時，微懸臂或者STM針尖的污染會造成隧道電流無法準確測定；二是微懸臂的熱振動和熱漂移會造成隧道電流的較大變化，熱噪音的水平較高。這種檢測方法適合于高真空環(huán)境下工作的AFM系統(tǒng)。原子力顯微鏡結構

----實物

原子力顯微鏡結構

----實物

原子力顯微鏡結構

----結構圖原子力顯微鏡結構

----四象限檢測器原子力顯微鏡結構

----掃描器

壓電陶瓷

原子力顯微鏡結構

----掃描器原子力顯微鏡結構

----探針

AFM的主要工作模式AFM的主要工作模式AFM工作模式

----ContactMode(接觸式）通常情況下，接觸模式都可以產生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。AFM工作模式

----ContactMode(接觸式）ContactModeAFMImageofAl/CualloyfilmdepositedonSi10μmscanAFM工作模式

----ContactMode(接觸式）HexagonalLatticeofBacterialProteinImagedwithContactModeinFluid200nmscanAFM工作模式

----ContactMode(接觸式）ThelateraltorqueortwistingofthecantileverduringscanningismonitoredtodetectrelativedifferencesinfrictionContactMode(接觸式）

----LFM（橫向力顯微鏡）ContactMode(接觸式）

----LFM（橫向力顯微鏡）30μmscanContactMode(接觸式）

----LFM（橫向力顯微鏡）ContactMode(接觸式）

----LFM（橫向力顯微鏡）AFM工作模式

----NonContactMode(非接觸式）在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動，始終不與樣品接觸，探測器檢測的是范德華作用力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長程作用力。當針尖和樣品之間的距離較長時，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。這種模式的操作相對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應用也很少。NonContactMode(非接觸式）

----EFM(電場力顯微鏡）電場力模式下的飽和三極管圖像NonContactMode(非接觸式）

----MFM(磁場力顯微鏡）HighfrequencydatatracksoverwrittenwithlowfrequencyperiodicsignalHeightFrequency25μmscanNonContactMode(非接觸式）

----MFM(磁場力顯微鏡）Thepoles,shields,andMRsensorcanbeidentifiedeasilyintheMFMimage15μmscanNonContactMode(非接觸式）

----MFM(磁場力顯微鏡）NonContactMode(非接觸式）

----MFM(磁場力顯微鏡）NonContactMode(非接觸式）

----MFM(磁場力顯微鏡）AFM工作模式

----TappingMode(半接觸式）

空氣中的自由震蕩

樣品表面的減幅震蕩

輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由于接觸時間非常短暫，針尖與樣品的相互作用力很小，通常為1皮牛頓（pN）-1納牛頓（nN），剪切力引起的分辨率的降低和對樣品的破壞幾乎消失，所以適用于對生物大分子、聚合物等軟樣品進行成像研究。對于一些與基底結合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對表面結構的“搬運效應”。ThecantileverdeflectionamplitudeismonitoredtodeterminerelativevariationsinelasticityandstiffnessTappingMode(半接觸式）

----ForceModulation(力調制）TappingMode(半接觸式）

----ForceModulation(力調制）ForceModulationImageofTriblockCopolymerThephaselagbetweencantileveroscillationandoscillationsignalsenttothepiezodrivingthecantileveraremonitoredtomapmaterialsdifferences,suchasadhesionandviscoelasticityMeasuredsimultaneouslyduring

TappingModeimagingTappingMode(半接觸式）

----PhaseImaging(相位成像）LignincomponentappearsbrightinphaseimagePhaseimagehighlightscellulosemicrofibrilsHeightPhase3μmscanTappingMode(半接觸式）

----PhaseImaging(相位成像）Phaseimagehighlightsthetwo-componentstructureofcompositeregionsHeightPhase5μmscanTappingMode(半接觸式）

----PhaseImaging(相位成像）AFM工作模式

----LiftMode綜合接觸式和非接觸式在接觸模式力曲線測量過程中，壓電陶瓷管移動到當前x,y掃描區(qū)域的中心位置，然后停止x,y方向上的掃描，僅在z方向上施加一周期性三角波電壓信號。這樣使樣品周期性地與針尖逼近、接觸，然后離開。在此過程中，AFM光學系統(tǒng)實時地記錄微懸臂的形變量并對壓電陶瓷管的位移量作圖，即得AFM力曲線。AFM工作模式

----ForceCurve

隨著樣品與針尖逐漸逼近，它們之間范德華引力將使微懸臂面向樣品表面彎曲。當二者逼近到某一點（位置2）時，它們之間的引力隨距離變化的斜率超過了微懸臂的彈性常數。在這種情況下由于機械上的不穩(wěn)定性，二者會突然接觸到一起，可形象地稱之為“突觸點”(SnapintoContactPoint)。接觸區(qū)對應于樣品和針尖相互接觸而共同移動的情況。典型的接觸模式AFM力曲線示意圖

下圖為一典型的接觸模式力曲線示意圖。力曲線中微懸臂的彎曲與其力常數的乘積即為針尖與樣品之間的作用力。力曲線一般可分為三個區(qū)：非接觸區(qū)、接觸區(qū)和粘滯區(qū)。在非接觸區(qū)樣品遠離針尖，作用力可忽略不計，微懸臂不發(fā)生彎曲，非接觸區(qū)為一水平直線（位置1）。如果針尖和樣品在接觸時都沒有彈性或塑性形變，樣品所走過的距離與微懸臂的彎曲量相同。當樣品走至某一預設位置（位置3）后，則向相反方向移動，微懸臂的彎曲隨之逐漸減小。

在位置4，微懸臂彎曲為零，但是由于針尖與樣品間的粘附作用，二者仍粘在一起，并隨著樣品繼續(xù)向遠離針尖方向移動，微懸臂由背向樣品彎曲變?yōu)槊嫦驑悠窂澢?，此區(qū)為力曲線的第三區(qū)-粘滯區(qū)。當微懸臂積蓄的彈力超過二者之間的粘滯力時，針尖突然與樣品離開，微懸臂恢復非彎曲狀態(tài)，力曲線又重新進入非接觸區(qū)（位置5到位置6）。我們形象稱位置5為“崩離點”(PulloffPoint)。由這一點到位置6之間微懸臂彎曲的差值可以計算出針尖與樣品之間粘滯力的大小。由力曲線接觸區(qū)斜率可以對表面微區(qū)硬度、彈性模量、楊氏模量等進行精確測定，根據表面粘滯力的大小可以解析出樣品的某些表面性質，而由非接觸區(qū)的粘滯情況可以估計力曲線測定所在介質的粘度等參數。ForceCurve(力曲線）

----接觸式力曲線

輕敲式力曲線和接觸式力曲線相似，x，y方向的掃描停止，在z方向上施加周期性的三角波電壓信號，使振蕩的針尖逼近、接觸再遠離樣品表面。與接觸式力曲線不同的是，輕敲式力曲線記錄的是振蕩的微懸臂的振幅、相位或形變量，并對壓電陶瓷管位移量作圖。當針尖遠離樣品表面時，微懸臂自由振蕩，振幅較大且保持不變；當針尖與樣品表面接觸時（圖a的位置1），由于樣品對微懸臂振蕩的阻尼作用，振幅突然減小。隨著針尖與樣品距離的逐漸減小，微懸臂的振幅急劇降低，直至振蕩完全被阻滯，振幅減小為零（圖a的位置2）。典型的輕敲模式力曲線示意圖。a)微懸臂的振幅隨針尖與樣品間距離變化的關系;b)微懸臂的變形量隨針尖與樣品間距離變化的關系。ForceCurve(力曲線）

----輕敲式力曲線由于微懸臂振蕩的阻尼來源于針尖和樣品的機械－聲子耦合，所以1點和2點區(qū)間的直線的斜率可以表征樣品的剛性、彈性等力學性能。由于TappingMode的微懸臂硬度較大，所以直到振蕩完全被阻尼之后，微懸臂才開始有形變（圖b的位置3），當樣品走至某一預設位置（圖b的位置4）后，則向相反方向移動，微懸臂的彎曲隨之逐漸減小，而在3和4之間，微懸臂很容易被破壞，所以輕敲式力曲線在操作過程中應十分小心。在輕敲模式中，以微懸臂振蕩的相位－頻率圖的形式表征針尖與樣品之間的作用力，可以獲得更為精細的針尖-樣品之間相互作用力的信息（如遠程吸引力和排斥力），而且針尖與樣品接觸區(qū)域的相位－頻率圖也可以更為準確地表征樣品的硬度、粘彈性等力學性能，引起了越來越多的研究者的關注。ForceCurve(力曲線）

----輕敲式力曲線AFM技術應用舉例AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導電性質的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應用。主要用途包括： 1、導體、半導體和絕緣體表面的高分辨成像 2、生物樣品、有機膜等的高分辨成像 3、表面化學反應研究 4、納米加工與操縱 5、超高密度信息存儲 6、分子間力和表面力研究 7、摩擦學及各種力學研究 8、在線檢測和質量控制ThehigheratomsareTelluriumandtheloweratomsareSulfurAFM技術應用舉例

---高分辨成像AFM技術應用舉例

---高分辨成像蛋白質分子（majorintrinsicprotein，MIP）的高分辨AFM圖像AFM技術應用舉例

---高分辨成像AFM技術應用舉例

---高分辨成像多壁碳納米管針尖的SEM照片（右圖為放大圖，Si3N4襯底）AFM技術應用舉例

---高分辨成像使得AFM針尖尖細可以避免或減小針尖放大效應AFM技術應用舉例

---納米加工AFM技術應用舉例

---納米加工AFM技術應用舉例

---納米加工AFM技術應用舉例

---納米加工石墨表面上的金納米電陣(2μm2μm)——AFM場致蒸發(fā)技術金鈀合金上刻寫的唐詩(10μm10μm)——AFM機械刻蝕技術硅（111）面上的氧化硅點陣——AFM局域氧化技術硅（111）面上形成的硅納米柱——金納米粒子掩模AFM刻蝕技術M.Despontetal,SensorsandActuators80(2000)100.

M.I.Lutwycheetal,Appl.Phys.Lett.77(2000)3299.2.5mAFM技術應用舉例

---納米加工AFM技術應用舉例

---微小力的測量AFM教學視頻AFM視頻fromNNINTheCornellNanoscaleFacilityatCornellUniversityTheStanfordNanofabricationFacilityatStanfordUniversityTheSolidStateElectronicsLaboratoryattheUniversityofMichig