第十二章 AFM.ppt

原子力显微术 Atomic Force Microscopy (AFM) 概述 原子力显微镜的工作原理 原子力显微镜之结构 原子力显微镜之探针 微悬臂形变的检测方法 微悬臂的设计、制作及力常数的测定 原子力显微镜之分类 AFM的功能及应用 装置及参考资料 扫描探针显微术（ScanningProbeMicroscopy，SPM）之发展史 1959年，Richard Feynman提出有关纳米尺度的科学与技术概念。 1982年，G. Binning and H. Rohrer于瑞士IBM实验室发明了扫描隧道显微镜。因为此发明，此二人得到1986年的诺贝尔奖。 1986年，G. Binning等三人利用当时的STM技术，与Stanford University合作发展出能利用探针与样品间的范德华力之原子力显微镜（AFM）。 除了AFM及STM外，近场光学显微镜（SNOM）等各种表面特性的分析工具也一一发展出来。以此种微探针为基础的检测工具，统称为SPM。 近年来，SPM的应用逐渐广泛，除了纳米等级的表面检测外，也广泛应用于各种纳米加工技术。 自从1982年G. Binning H. Rohrer发展出扫瞄隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后，衍生出一系列扫瞄探针显微镜（Scanning Probe Microscope）。 扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破: 扫描探针显微镜具有极高度的分辩率 扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 扫描探针显微镜可以在多种环境下操作 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八六年所发明的。 AFM的应用 原子力显微镜对三维空间有极为出色的显像能力。AFM实验可以在大气、超高真空、溶液以及反应性气氛等各种环境中进行，除了可以研究各种材料的表面结构外，AFM还可以研究材料的硬度、弹性、塑性等力学性能以及表面微区摩擦性质；也可以用于操纵分子、原子，进行纳米尺度的结构加工和超高密度信息存储。 materials science semiconductor physics biology electrochemistry organic chemistry catalysis micromechanics … 原子力显微镜的工作原理 利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。 具有原子级的分辨率。 AFM利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。当探针尖端与样品表面接触时，由于悬臂的弹性系数与原子间的作用力常数相当，因此针尖原子与样品表面原子的作用力便会使探针在垂直方向移动。 当探针与样品接触时，针尖与样品作用力使探针产生偏移，雷射光被反射至光侦测器，经过放大电路转成电压讯号后，利用回馈电路使作用力在扫描过程中维持固定，而记录扫描器垂直轴在扫描过程中的变化，便可得到样品表面形貌。 恒定－高度或恒定－力量 AFM的结构 AFM的主要结构： 1. 待观察表面结构的样品。 2. 用来观察表面结构的悬臂（cantilever）及探针针尖。 3. 可观测悬臂高低偏移的观测器 4. 扫瞄系统以压电方式改变压电陶瓷材料（PZT）伸缩量去移动样品以达到扫瞄的目的。 5. 反馈系统（Feedback）以观测及控制样品与针尖之间的距离 6. 显像系統可将扫瞄所得的资料，经由电脑转换成影像显示。 AFM的结构 SPM Head—the most important part Working concepts 原子力显微镜概要图 原子力显微镜之探针 原子力显微镜 左为用于contact AFM的氮化硅针尖，右为用于TM AFM的掺杂单晶硅针尖。 微悬臂形变的检测方法 隧道电流检测法 电容检测法 光学检测法 光学干涉法 光束偏转法 压敏电阻检测法 隧道电流检测法 优点：灵敏度高 缺点：信噪比比较低 原因：1.在大气环境下工作时，微悬臂或者STM针尖 的污染会造成隧道电流无法准确测定 2.微悬臂的热振动和热漂移会造成隧道电流的较大变化，热噪音的水平较高 适用于高真空环境下工作的AFM系统 光学检测法 光学干涉法 检测精度高，z方向的分辩率高达0.001nm 对微悬臂上的微小污染和表面粗糙度都不敏感，信噪比比较高 光束偏转法 微悬臂的设计 共振频率必须足够高（以减小振动和声波的干扰）； 微悬臂的长度要短，质量要小（以满足低力常数和高共振频率的要求）； 微悬臂