1、原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告 一， 引言在當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)中，如何觀(guān)察、測(cè)量、分析尺寸小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的物體，是一個(gè)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(shí)時(shí)地觀(guān)察到單個(gè)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(xué)性質(zhì)。 STM要求樣品表面能夠?qū)щ?，從而使得STM只能直接觀(guān)察導(dǎo)體和半導(dǎo)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(guò)探針與被測(cè)樣品之間微弱的相互作用力(原子力) 來(lái)獲得物質(zhì)表面形貌的信息。因此，AFM除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀(guān)測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。除物理，化學(xué)生物等領(lǐng)域外，AF

2、M在為微電子，微機(jī)械學(xué)，新型材料，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，以STM和AFM為基礎(chǔ)，衍生出一系列的掃描探針顯微鏡，有激光里顯微鏡，磁力顯微鏡，掃描探針顯微鏡主要用于對(duì)物質(zhì)表面在納米線(xiàn)上進(jìn)行成像和分析。二，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解原子力顯微鏡的工作原理2掌握用原子力顯微鏡進(jìn)行表面觀(guān)測(cè)的方法三，原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)及工作原理（1） AFM的工作原理在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。主要工作原理如下圖：在A(yíng)FM中用一個(gè)安裝在對(duì)微弱力極敏感的微懸臂上的極細(xì)探針。當(dāng)探針與樣品接觸時(shí),由于它們?cè)又g存在極微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微懸臂偏轉(zhuǎn)。 掃描時(shí)控制這種作用力

3、恒定,帶針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于原子間作用力的等位面,在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動(dòng), 因而會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)(通常利用光學(xué)、電容或隧道電流方法) 對(duì)微懸臂的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描,測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化, 此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。將信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換從而得到樣品表面原子級(jí)的三維立體形貌圖像。AFM 的核心部件是力的傳感器件, 包括微懸臂(Cantilever) 和固定于其一端的針尖。根據(jù)物理學(xué)原理,施加到Cantilever 末端力的表達(dá)式為：F = KZ。Z 表示針尖相對(duì)于試樣間的距離, K 為Can2ti

4、lever 的彈性系數(shù)，力的變化均可以通過(guò)Cantilever 被檢測(cè)。（2） AFM關(guān)鍵部位：AFM關(guān)鍵部份是力敏感元件和力敏感檢測(cè)裝置。所以微懸臂和針尖是決定AFM靈敏度的核心。為了能夠準(zhǔn)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(shí)的樣品表面形貌,提高AFM 的靈敏度,微懸臂的設(shè)計(jì)通常要求滿(mǎn)足下述條件: 較低的力學(xué)彈性系數(shù),使很小的力就可以產(chǎn)生可觀(guān)測(cè)的位移; 較高的力學(xué)共振頻率; 高的橫向剛性,針尖與樣品表面的摩擦不會(huì)使它發(fā)生彎曲; 微懸臂長(zhǎng)度盡可能短;微懸臂帶有能夠通過(guò)光學(xué)、電容或隧道電流方法檢測(cè)其動(dòng)態(tài)位移的鏡子或電極; 針尖盡可能尖銳。 (3) AFM的針尖技術(shù)探針是

5、AFM的核心部件。如右圖。目前,一般的探針式表面形貌測(cè)量?jī)x垂直分辨率已達(dá)到0.1 nm ,因此足以檢測(cè)出物質(zhì)表面的微觀(guān)形貌。 但是,探針針尖曲率半徑的大小將直接影響到測(cè)量的水平分辨率。當(dāng)樣品的尺寸大小與探針針尖的曲率半徑相當(dāng)或更小時(shí),會(huì)出現(xiàn)“擴(kuò)寬效應(yīng)”,即實(shí)際觀(guān)測(cè)到的樣品寬度偏大。 這種誤差來(lái)源于針尖邊壁同樣品的相互作用以及微懸臂受力變形。某些AFM 圖像的失真在于針尖受到污染。 一般的機(jī)械觸針為金剛石材料,其最小曲率半徑約20 nm。 普通的AFM 探針材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4 ) ,其最小曲率半徑可達(dá)10 nm。 由于可能存在“擴(kuò)寬效應(yīng)”,針尖技術(shù)的發(fā)展在A(yíng)FM中非常重要。 其

6、一是發(fā)展制得更尖銳的探針,如用電子沉積法制得的探針,其針尖曲率半徑在510 nm 之間 。 其二是對(duì)探針進(jìn)行修飾,從而發(fā)展起針尖修飾技術(shù)。探針針尖的幾何物理特性制約著針尖的敏感性及樣品圖像的空間分辨率。 因此針尖技術(shù)的發(fā)展有賴(lài)于對(duì)針尖進(jìn)行能動(dòng)的、功能化的分子水平的設(shè)計(jì)。 只有設(shè)計(jì)出更尖銳、更功能化的探針, 改善AFM 的力調(diào)制成像(force modulation imaging) 技術(shù)和相位成像(phase imaging)技術(shù)的成像環(huán)境,同時(shí)改進(jìn)被測(cè)樣品的制備方法,才能真正地提高樣品表面形貌圖像的質(zhì)量。(4) AFM的工作模式AFM 有三種不同的工作模式: 接觸模式( contact mo

7、de) 、非接觸模式(noncontact mode) 和共振模式或輕敲模式(Tapping Mode) 。接觸模式接觸模式包括恒力模式(constant2force mode) 和恒高模式(constant2height mode) 。 在恒力模式中過(guò)反饋線(xiàn)圈調(diào)節(jié)微懸臂的偏轉(zhuǎn)程度不變,從而保證樣品與針尖之間的作用力恒定,當(dāng)沿x 、y 方向掃描時(shí),記錄Z 方向上掃描器的移動(dòng)情況來(lái)得到樣品的表面輪廓形貌圖像。 這種模式由于可以通過(guò)改變樣品的上下高度來(lái)調(diào)節(jié)針尖與樣品表面之間的距離,這樣樣品的高度值較準(zhǔn)確,適用于物質(zhì)的表面分析。 在恒高模式中,保持樣品與針尖的相對(duì)高度不變,直接測(cè)量出微懸臂的偏轉(zhuǎn)情況

8、,即掃描器在z 方向上的移動(dòng)情況來(lái)獲得圖像。 這種模式對(duì)樣品高度的變化較為敏感,可實(shí)現(xiàn)樣品的快速掃描,適用于分子、原子的圖像的觀(guān)察。 接觸模式的特點(diǎn)是探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動(dòng)。 針尖與樣品之間的相互作用力是兩者相接觸原子間的排斥力,約為10 - 8 10 - 11N。 接觸模式通常就是靠這種排斥力來(lái)獲得穩(wěn)定、高分辨樣品表面形貌圖像。 但由于針尖在樣品表面上滑動(dòng)及樣品表面與針尖的粘附力,可能使得針尖受到損害,樣品產(chǎn)生變形, 故對(duì)不易變形的低彈性樣品存在缺點(diǎn)。非接觸模式非接觸模式是探針針尖始終不與樣品表面接觸,在樣品表面上方520 nm 距離內(nèi)掃描。 針尖與樣品之間的距離是通過(guò)保持微懸

9、臂共振頻率或振幅恒定來(lái)控制的。在這種模式中,樣品與針尖之間的相互作用力是吸引力范德華力。 由于吸引力小于排斥力,故靈敏度比接觸模式高,但分辨率比接觸式低。 非接觸模式不適用于在液體中成像。輕敲模式在輕敲模式中,通過(guò)調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器使帶針尖的微懸臂以某一高頻的共振頻率和0。 011 nm 的振幅在Z 方向上共振,而微懸臂的共振頻率可通過(guò)氟化橡膠減振器來(lái)改變。 同時(shí)反饋系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整樣品與針尖間距來(lái)控制微懸臂振幅與相位,記錄樣品的上下移動(dòng)情況,即在Z 方向上掃描器的移動(dòng)情況來(lái)獲得圖像。 由于微懸臂的高頻振動(dòng),使得針尖與樣品之間頻繁接觸的時(shí)間相當(dāng)短,針尖與樣品可以接觸,也可以不接觸,且有足夠的振幅來(lái)

10、克服樣品與針尖之間的粘附力。 因此適用于柔軟、易脆和粘附性較強(qiáng)的樣品,且不對(duì)它們產(chǎn)生破壞。 這種模式在高分子聚合物的結(jié)構(gòu)研究和生物大分子的結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用廣泛。(5) AFM中針尖與樣品之間的作用力AFM檢測(cè)的是微懸臂的偏移量,而此偏移量取決于樣品與探針之間的相互作用力。 其相互作用力主要是針尖最后一個(gè)原子和樣品表面附近最后一個(gè)原子之間的作用力。當(dāng)探針與樣品之間的距離d 較大(大于5 nm) 時(shí),它們之間的相互作用力表現(xiàn)為范德華力(Van der Waals forces) 。 可假設(shè)針尖是球狀的,樣品表面是平面的,則范德華力隨1Pd2 變化。 如果探針與樣品表面相接觸或它們之間的間距d 小于0

11、。 3 nm ,則探針與樣品之間的力表現(xiàn)為排斥力(Pauli exclusion forces) 。 這種排斥力與d13 成反比變化,比范德華力隨d 的變化大得多。 探針與樣品之間的相互作用力約為10 - 6 10 - 9N ,在如此小的力作用下,探針可以探測(cè)原子,而不損壞樣品表面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。品與探針的作用力還有其他形式,如當(dāng)樣品與探針在液體介質(zhì)中相接觸時(shí),往往在它們的表面有電荷,從而產(chǎn)生靜電力;樣品與針尖都有可能發(fā)生變形,這樣樣品與針尖之間有形變力;特定磁性材料的樣品和探針可產(chǎn)生磁力作用;對(duì)另一些特定樣品和探針,可能樣品原子與探針原子之間存在相互的化學(xué)作用,而產(chǎn)生化學(xué)作用力。 但在研究樣品與

12、探針之間的作用力的大小時(shí),往往假設(shè)樣品與探針特定的形狀(如平面樣品、球狀探針) ,可對(duì)樣品和探針精心設(shè)計(jì)與預(yù)處理,避免或忽略靜電力、形變力、磁力、化學(xué)作力等的影響,而只考慮范德華力和排斥力。四，實(shí)驗(yàn)裝置：儀器特點(diǎn)：（1）掃描時(shí)間比較短，如果掃描一幅圖像需要十多分鐘，那么周?chē)碾姼蓴_，光干擾以及震動(dòng)，溫度的變化等因素將直接影響到圖像的準(zhǔn)確性和完整性。（2）臥式設(shè)計(jì)：主要是消除微懸臂自身的重力對(duì)縱原子力的干擾，臥式AFM中的重力方向與用于成像的原子力互相垂直，從而提高了儀器的靈敏度。五，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本實(shí)驗(yàn)采用接觸模式中的恒力模式：樣品掃描時(shí)，針尖始終同樣品“接觸”，即針尖-樣品距離在小于零點(diǎn)幾個(gè)納米

13、的斥力區(qū)域。此模式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。當(dāng)沿著樣品掃描時(shí)，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(dāng)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(cè)器時(shí)，檢測(cè)器不同象限會(huì)接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強(qiáng)度差值。反饋回路根據(jù)檢測(cè)器的信號(hào)與預(yù)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。依次按下面步驟開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)儀器：（1）依次開(kāi)啟：電腦-控制機(jī)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1 mm。（3）再用細(xì)調(diào)旋鈕使樣品逼近微探針：順時(shí)針旋細(xì)調(diào)旋鈕，直至光斑突然向P

14、SD移動(dòng)。（4）緩慢地逆時(shí)針調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕并觀(guān)察機(jī)箱上反饋?zhàn)x數(shù)：Z反饋信號(hào)約穩(wěn)定在150至 250之間（不單調(diào)增減即可），就可以開(kāi)始掃描樣品。（5）讀數(shù)基本穩(wěn)定后，打開(kāi)掃描軟件，開(kāi)始掃描。（6）掃描完畢后，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)調(diào)旋鈕退樣品，細(xì)調(diào)要退到底。再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)旋鈕退樣品，直至下方平臺(tái)伸出1厘米左右。（7）實(shí)驗(yàn)完畢，依次關(guān)閉：激光器-高壓電源-控制機(jī)箱（8）處理圖像，得到粗糙度六，實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果：（1）A4紙樣品的表面形貌A4紙的測(cè)量結(jié)果如下：粗糙度 Ra： 14.8 nm ； Ry：436.4 nm ； Rz： 436.4 nm掃描范圍 X：4000 nm ； Y：4000 nm圖像大小 X:

15、 400 pixel ; Y: 400 pixel二維表面形貌：三維表面形貌：從掃描圖可以看出，A4紙?jiān)谟疑辖遣课粓D像變化比較大，改變掃描范圍，只掃描右上角部位，觀(guān)察圖像的變化。改變掃描范圍掃描A4紙的結(jié)果如下：粗糙度 Ra： 15.5 nm ； Ry：109.7 nm ； Rz： 109.7 nm、掃描范圍： X：3000 nm ； Y：1000 nm圖像大?。?X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二維圖形貌如下： 三維圖形貌如下：從圖中及數(shù)據(jù)結(jié)果不難看出：Ra變化很小，即輪廓算術(shù)平均偏差變化小，而 Ry和 Rz變化比較大，Ry表示微觀(guān)不平度，Rz表示輪廓最大高度。由于掃描

16、范圍變小，可以看出圖像相比于之前更清晰，所以在實(shí)驗(yàn)中若想得到比較清晰的圖，可減小掃描范圍（2）導(dǎo)電ITO樣品的表面形貌粗糙度 Ra: 2.1 nm ; Ry: 30.1 nm ; Rz: 30.1 nm掃描范圍 X: 400 0nm ; Y: 4000 nm圖像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二維表面形貌：三維表面形貌：（3）Cu樣品的表面形貌粗糙度 Ra: 26.7 nm ; Ry: 238.6 nm ; Rz: 238.6 nm掃描范圍 X: 4000 nm ; Y: 4000 nm圖像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二維圖像形貌：三

17、維圖像形貌：從三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所測(cè)量的圖貌不難看出，AFM掃描出的圖形能直接看出樣品的表面結(jié)構(gòu)。從三維圖像中物體的起伏情況可以看出樣品表面各區(qū)域的粗糙度。實(shí)驗(yàn)分析：防止針尖損壞： AFM 的針尖是整個(gè)儀器最脆弱的部分，一碰即斷，所以應(yīng)該防止一切物體與針尖直接接觸。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中針尖容易損壞的環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)，一是安裝針尖的時(shí)候，二是進(jìn)針的時(shí)候。本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)針尖已安裝好，所以在裝樣品和粗調(diào)是不要碰到尖針。 在裝樣品時(shí)維持樣品表面的清潔，否則測(cè)量的圖不清晰。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，桌面的震動(dòng)會(huì)是掃描的圖形出現(xiàn)一條縫。由于實(shí)驗(yàn)采用的是接觸模式，周?chē)h(huán)境的震動(dòng)會(huì)影響圖形的的測(cè)量結(jié)果，因而開(kāi)始掃描后盡量保持實(shí)驗(yàn)桌的穩(wěn)定，否

18、則會(huì)過(guò)大的震動(dòng)會(huì)破壞圖形。七，對(duì)實(shí)驗(yàn)的討論（1）AFM探測(cè)到的原子力的由哪兩種主要成分組成？一種是吸引力即范德瓦耳斯力；另外一種是電子云重疊而引起的排斥相互作用。（2）怎樣使用AFM，才能較好地保護(hù)探針？仔細(xì)調(diào)節(jié)接觸距離，粗調(diào)時(shí)，不要讓指針壓迫樣品，保持1mm，掃描過(guò)程中保證探針不產(chǎn)生破壞性形變。（3）原子力顯微鏡有哪些應(yīng)用？原子力顯微鏡可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及動(dòng)態(tài)過(guò)程,超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料中的電荷密度等。另外原子力顯微鏡在摩擦學(xué)中的有許多應(yīng)用，如納米摩擦、納米潤(rùn)滑、納米磨損、納米摩擦化學(xué)反應(yīng)和機(jī)電納米表面加工等。在生物上，原子顯微鏡可以用來(lái)研究生物宏觀(guān)分子，甚至活的生物組織。觀(guān)察細(xì)胞等等。（4）與傳統(tǒng)的光學(xué)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(xué)顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長(zhǎng)或電子波長(zhǎng)以上線(xiàn)度的結(jié)構(gòu)。而掃描探針顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于：探針針尖的尺寸；微懸臂的彈性系數(shù)，彈性系數(shù)越