第七章 原子力显微镜分析.ppt

第七章 原子力显微镜 电子探针分析之二 一 . 引言 由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构， 对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显 微镜的这一不足， 1986 年 Binnig 、 Quate 和 Gerber 发明了第一 台原子力显微镜（ AFM ）。 原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固 定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触， 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力 （斥力 10 -8 ～ 10 -6 N 或范德瓦尔斯力），通过扫描时控制这种力 的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间 作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用 光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌信息。 二 . 特点： 1.AFM （ Atomic Force Microscope ）是以 STM 为基础，和 STM 为类似技术的扫描探针显微镜，它是通过研究样品表 面与针尖原子间的作用力同距离的关系而获得样品表面 形貌信息的显微术。 2. 它不象 STM 使用金属探针，而是使用一个尖端附有探针的 极灵敏的弹簧臂来作力敏元件，称之为微悬臂。当微悬 臂接近样品表面时，探针和样品表面原子力将产生相互 作用。 3. 当距样品较远时（ 0.2nm — 10nm ），主要是范德瓦尔斯力 （ Van Der Waals Force ，简称 VDW ）起作用； 4. 距离较近时主要是排斥力起作用。排斥力的大小取决于针 尖与样品表面的原子的接近程度。 原子间范德瓦尔斯力和距离的关系 三 . AFM 的结构及工作原理 在 AFM 工作时，探针尖端的原子同样品表面的原子将 产生相互作用，该相互作用使微悬臂发生形变或使其运 动发生变化，这一变化可使用电学或光学的办法探测出 来，变化的大小反映相互作用的大小。 （一）隧道电流法检测的原子力显微镜 图 6-1 为使用隧道电流检测的原子力显微镜结构原理 示意图。 1. 结构组成 主要由探头、扫描装置、计算机及显示终端等几部分 组成。 （ 1 ）探头： 包括微悬臂、隧道电流探针、样品室、机械调 整装置和压电陶瓷管等。 （ 2 ）扫描装置： 一般有两种扫描方式，一种为恒流模式； 另一种为恒高模式。 （ 3 ）计算机处理及显示终端。 2. 原子力显微镜的工作原理 ? 当微悬臂上的探针在样品表面 X 和 Y 方向作相对扫描时， 因为样品表面是凹凸不平的，探针与样品表面的原子间的相 互作用力也随之发生变化，导致探针和微悬臂一起上下起伏， 微悬臂的起伏与样品表面原子力等位面相对应，亦即和样品 表面的形貌相对应。对于恒高模式，在微悬臂上下起伏的过 程中，隧道电流针尖与微悬臂之间的隧道电流随之变化，检 测此隧道电流即获得样品表面的形貌信息。对于恒流模式， 在微悬臂上下起伏的过程中，隧道电流针尖随之也 上下起 伏，检测此隧道电流针尖在 Z 方向的移动，即获得样品表面 的形貌信息。将这些信息进行模数转换并送入计算机进行处 理，即可获得样品表面的超微结构图象或原子分布图。 （二）光学偏转法检测的原子力显微镜 1. 结构原理图： 右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。 微悬臂通常由一 个一般 100 ～500μm 长和大约 500nm ～ 5μm厚的硅片或氮化 硅片制成。 1.1 力检测部分 在原子力显微镜（ AFM ）的系统中，所要检测的力是原 子与原子之间的斥力或范德华力。所以在本系统中是使用微 小悬臂（ cantilever ）来检测原子之间力的变化量。微悬臂 通常由一个一般 100 ～500μm 长和大约 500nm ～5μm 厚的 硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检 测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格， 例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格 的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不 同类型的探针。 右图是一典型的 AFM 悬臂和针尖 1.2 位置检测部分 在原子力显微镜（ AFM ）的系统中，当针尖与样品之间 有了交互作用之后，会使得悬臂 cantilever 摆动，所以当 激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬 臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统 中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电 的信号，以供 SPM 控制器作信号处理。 右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬