AFM原理及應用資料第1頁/共26頁目錄：AFM基本原理AFM設備介紹試驗方法應用實例第2頁/共26頁AFM基本原理一、AFM概述原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope）即AFM。它是繼掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope）即STM之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。第3頁/共26頁AFM基本原理AFM是由G.Binning（IBM蘇黎士研究實驗室）在STM的基礎上于1986年發(fā)明的表面觀測儀器。AFM與STM相比，能觀測非導電樣品。第4頁/共26頁AFM基本原理二、工作基本原理當原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。將一個對微弱力極其敏感的微懸臂一端固定，另一端有一個微小的針尖，當針尖在樣品表面掃描時，探針-樣品表面間存在極微弱的排斥力，引起微懸臂的變形；激光經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形貌。第5頁/共26頁AFM基本原理探針與樣品表面之間作用力與距離有關如右圖，當兩者靠得很近時，原子之間電子云斥力大于原子核與電子云之間的吸引力，此時合力表現為斥力，反之表現為吸引作用。第6頁/共26頁AFM設備介紹AFM（原子力顯微鏡）的硬件結構主要包括力檢測系統(tǒng)、位置檢測部分和反饋系統(tǒng)。第7頁/共26頁AFM設備介紹力檢測系統(tǒng)：在AFM系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂來檢測原子之間力的變化量。微小懸臂有一定的規(guī)格，如：長度、寬度、彈性系數以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性以及操作模式的不同而選擇不同類型的探針。第8頁/共26頁AFM設備介紹位置檢測部分：AFM系統(tǒng)中，當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂擺動。所以當激光照射在懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉換成電信號，以供SPM控制器作信號處理。第9頁/共26頁AFM設備介紹反饋系統(tǒng)：在AFM系統(tǒng)中，將信號經由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中將此信號當做反饋信號，作為內部調整的信號，并驅使通常由壓電陶瓷管制作的三秒器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。第10頁/共26頁AFM設備介紹AFM便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現出來的：在AFM系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的額交互作用，這種作用力會使微懸梁擺動，再利用激光將光照射在微懸梁的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當的調整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來。第11頁/共26頁實驗方法AFM工作模式：接觸式（contact）非接觸式（non-contact）輕敲式（tapping）第12頁/共26頁實驗方法接觸式（contact）利用探針和待測物表面之原子力交互作用(一定要接觸)，此作用力(原子間的排斥力)很小，但由于接觸面積很小，因此過大的作用力仍會損壞樣品，尤其對軟性材質，不過較大的作用力可得較佳分辨率，所以選擇較適當的作用力便十分的重要。由于排斥力對距離非常敏感，所以較易得到原子分辨率。第13頁/共26頁實驗方法非接觸式（non-contact）為了解決接觸式之AFM可能破壞樣品的缺點，便有非接觸式之AFM被發(fā)展出來，這是利用原子間的長距離吸引力來運作，由于探針和樣品沒有接觸，因此樣品沒有被破壞的問題，不過此力對距離的變化非常小，所以必須使用調變技術來增加訊號對噪聲比。在空氣中由于樣品表面水模的影響，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。第14頁/共26頁實驗方法輕敲式（tapping）將非接觸式AFM改良，將探針和樣品表面距離拉近，增大振福，使探針再振蕩至波谷時接觸樣品由于樣品的表面高低起伏，使的振幅改變，再利用接觸式的回饋控制方式，便能取得高度影像。分辨率界于接觸式和非接觸式之間，破壞樣品之機率大為降低，且不受橫向力的干擾。不過對很硬的樣品而言，針尖仍可能受損。第15頁/共26頁實驗方法模式優(yōu)點缺點備注Contact掃描速度快，在AFM垂直方向上有明顯變化的質硬樣品更適用在空氣中橫向力影響圖像質量，針尖會損壞軟質樣品耗材，損耗率很高Non-contact對樣品表面無損傷掃描速度低，向分辨率低，僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄耗材，損耗率較上大幅降低Tapping消除了橫向力的影響，降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎或膠粘性樣品，不會損傷其表面比ContactModeAFM的掃面速度慢中和上述兩款產品的優(yōu)先，產品綜合水平得到大幅提升whatisthedifferenceofthesemodels?第16頁/共26頁實驗方法橫向力顯微鏡（LFM）；相移模式(相位移模式)；導電原子力顯微鏡（C-AFM）；曲線測量；納米加工（Nanolithography）。AFM其他模式第17頁/共26頁應用實例導體半導體絕緣體表面的高分辨成像生物樣品有機膜的高分辨成像表面化學反應研究納米加工與操縱超高密度信息存儲分子間力和表面力研究摩擦學及各種力學研究在線檢測和質量控制第18頁/共26頁應用實例第19頁/共26頁應用實例第20頁/共26頁隨著襯底N化時間的增加（40s→400s），GaN外延層的表面均方根粗糙度（RMS）逐漸減?。?.365→1.475）；而N化時間為400s時，GaN外延層表面和其他的相比，表面更加均勻一致，并且具有最小的晶粒尺寸，峰谷值為4.247nm。應用實例第21頁/共26頁AFM的優(yōu)點原子力顯微鏡的出現無疑為納米科技的發(fā)展起到了推動作用。能夠提供各種類型樣品的表面狀態(tài)信息；與常規(guī)顯微鏡比較，在大氣條件下，以高倍率觀察樣品表面，可用于幾乎所有樣品（對表面光潔度有一定要求），而不需要經其他制樣處理，就可以得到樣品表面的三維形貌圖像。并可對掃描所得的三維形貌圖象進行粗糙度計算、厚度、步寬、方框圖或顆粒度分析。應用范圍廣：可用于表面觀察、尺寸測定、表面粗糙測定、顆粒度解析、突起與凹坑的統(tǒng)計處理、成膜條件評價、保護層的尺寸臺階測定、層間絕緣膜的平整度評價、VCD涂層評價、定向薄膜的摩擦處理過程的評價、缺陷分析等。第22頁/共26頁

軟件處理功能強：其三維圖象顯示其大小、視角、顯示色、光澤可以自由設定。并可選用網絡、等高線、線條顯示。圖象處理的宏管理，斷面的形狀與粗糙度解析，形貌解析等多種功能；高分辨力能力遠遠超過掃描電子顯微鏡（SEM），以及光學粗糙度儀；非破壞性：探針與樣品表面相互作用力為10－8N以下，遠比以往觸針式粗糙