1、.,1,AFM探針針尖形狀對(duì) 臺(tái)階形貌測量影響,.,2,小組成員,李君山 PB07009034,余文航 PB07009037,張海濱 PB07009035,.,3,一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。,原子力顯微鏡 Atomic Force Micr

2、oscopy (AFM),.,4,AFM組成,顯示及處理系統(tǒng),帶針尖的微懸臂,微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測裝置,計(jì)算機(jī)控制的圖像采集,使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件,監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路,.,5,結(jié)構(gòu)示意圖,自感應(yīng)法測微懸臂偏轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu),.,6,測量原理,將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信

3、息。,A,B,.,7,測量原理,測量原理圖,表面形貌,.,8,優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),.,9,工作模式,其他：橫向力顯微鏡（LFM） 、曲線測量 、納米加工 。,.,10,材料表要求,T I T L E,.,11,影響AFM測量因素,Force ref值,探針形狀與其磨損和粘附,Force ref值大致為-10 mm左右，它反映了探針與試樣表面極微弱的作用力的大小。,探針形狀會(huì)映射到掃描圖樣上。而改變針尖結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象會(huì)顯著降低掃描圖像的分辨率 ，或使圖像失真，甚至無法掃描圖像。,掃描速度,一般，探針掃捕速度的大小由掃描的面積決定。掃描的面積較大時(shí)，試樣在該區(qū)域的微觀粗糙度就越大，若掃描速度較快，探針

4、會(huì)因快速移動(dòng)而來不及響應(yīng)反饋信號(hào) ，而使試樣出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。,I/P gain值,I/P gain值主要用于探針對(duì)試樣凹凸面的跟蹤反饋能力。,.,12,AFM探針分類,非接觸/輕敲模式針尖以及接觸模式探針：最常用的產(chǎn)品，分辨率高，使用壽命一般。,導(dǎo)電探針：通過對(duì)普通探針鍍10-50納米厚的Pt（以及別的提高鍍層結(jié)合力的金屬，如Cr，Ti，Pt和Ir等）得到。,磁性探針：應(yīng)用于MFM，通過在普通tapping和contact模式的探針上鍍Co、Fe等鐵磁性層制備，,大長徑比探針：大長徑比針尖是專為測量深的溝槽以及近似鉛垂的側(cè)面而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。特點(diǎn)：不太常用的產(chǎn)品，分辨率很高，使用壽命一般。,.,13

5、,其他種類探針,ELSE：,類金剛石碳AFM探針/全金剛石探針：一種是在硅探針的針尖部分上加一層類金剛石碳膜，另外一種是全金剛石材料制備（價(jià)格很高）。這兩種金剛石碳探針具有很大的耐久性，減少了針尖的磨損從而增加了使用壽命。 還有生物探針（分子功能化），力調(diào)制探針，壓痕儀探針 。,新型探針的開發(fā)方向包括：超細(xì)超尖和超長壽命探針。提高目前電、磁性能探針的分辨率和使用壽命。,減小AFM探針針尖形狀對(duì)測量結(jié)果的影響,.,14,幾種探針示意圖,.,15,探針針尖形狀對(duì)臺(tái)階形貌測量結(jié)果的影響(1),三角形針尖（不同針尖尖角）：,Sharp Probe,Dull Probe,理想的三角形針尖才可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)階拐

6、角處的90度形貌。,尖角較大（半角正切值大于臺(tái)階半寬除以深度）時(shí)，測出形貌有較大誤差（深度已不能反應(yīng)）,尖角較小，可以反應(yīng)臺(tái)階深度，但邊沿會(huì)衍生出與探針同一斜率的斜線，不能產(chǎn)生90度的臺(tái)階形貌,.,16,探針針尖形狀對(duì)臺(tái)階形貌測量結(jié)果的影響(2),三角形針尖（不同臺(tái)階形貌）：,三角針尖側(cè)邊斜率小于臺(tái)階側(cè)邊，測得形貌為針尖形貌。,針尖側(cè)邊斜率大于臺(tái)階側(cè)邊，測得為真是形貌。,臺(tái)階較陡：,臺(tái)階較緩：,.,17,探針針尖形狀對(duì)臺(tái)階形貌測量結(jié)果的影響(3),球形針尖（不同針尖半徑）：,半徑為R的球形針尖會(huì)導(dǎo)致直角臺(tái)階的測量形貌拐角處出現(xiàn)同樣半徑的圓弧過渡段。,半徑為r的球形針尖會(huì)導(dǎo)致拐角半徑為R臺(tái)階的測量形貌拐角處出現(xiàn)半徑為R+r的圓弧過渡段。,.,18,探針針尖形狀對(duì)臺(tái)階形貌測量結(jié)果的影響(4),當(dāng)球形針尖直徑大于臺(tái)階寬度時(shí)，測出形貌有較大誤差（臺(tái)階深度已不能反應(yīng)）。,.,19,探針針尖形狀對(duì)臺(tái)階形貌測量結(jié)果的影響(5),除上述影響外，針尖本身的形狀（磨損和粘附）會(huì)在掃描過程中反映到所測量的形貌上來，導(dǎo)致測量的形貌有偏差而不能反應(yīng)臺(tái)階的真實(shí)形貌。,.,20,探針針尖形狀對(duì)臺(tái)階形貌測量結(jié)果的影響(6),總結(jié)上述分析：,以上為對(duì)凹臺(tái)階形貌測量分析，凸臺(tái)即為探針反向運(yùn)動(dòng)，分析相似。,.,21,參考文獻(xiàn),AFM原子力顯微鏡（PPT） 陳宇航,AFM