实验名称原子力显微镜.docVIP

实验六 原子力显微镜的构造及样品表面形貌分析 1. 实验目的 (1) 了解原子力显微镜的工作原理； (2) 初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。 2. 实验原理 2.1 AFM的工作原理 AFM使用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针对样品进行探测。当探针与样品接触时，由于它们原子之间存在极微弱的作用力（吸引或排斥力），微悬臂偏转。扫描时控制这种作用力恒定，则带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面。微悬臂在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电检测系统其偏转进行扫描，测得针尖相对于扫描各点的位置变化，将信号放大、转换，即可得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。 AFM的核心部件是力的传感器件，包括微悬臂和固定于其一端的针尖；其成像的关键过程是检测微悬臂的运动。检测方法很多，主要可分为两类：电学方法和光学方法。电学方法主要包括隧道电流检测法和电容检测法两种；光学法则是通过测量激光束在微悬臂背面的反射来测量探针运动，包括偏转探测法、自差法、外差法和干涉法等。 2.2 AFM的工作方式 当AFM的微悬臂与样品表面原子相互作用时，通常有几种力同时作用于微悬臂，其中最主要的是范德瓦耳斯力和电子轨道重叠引起的斥力。原子力与针尖至样品表面原子间的距离关系如图1所示。当两个原子相互靠近时，它们先相互吸引，随着原子间距的减小，引力将逐渐被两个原子间的电子斥力抵消，原子力将逐渐由引力过渡到斥力。利用该性质，让针尖与样品处于不同的间距，AFM将有三种不同的工作方式，即接触模式、非接触模式和共振模式或轻敲模式。 3. 实验描述 3.1 方法描述 本次实验采用偏转探测法检测微悬臂的运动。检测方法示意图如图2所示。一束激光经微悬臂的背面反射到一个位置灵敏探测器（PSD）上，当微悬臂弯曲时，激光束在探测器上的位置将发生移动。PSD本身可测量光点小至1nm的位移，而通过利用光杠杆放大原理，系统可探测针尖在垂直方向上小于0.1nm的位移。 微悬臂位移的放大倍数为悬臂至探测器的距离与悬臂长度之比的两倍。如图3，当激光束聚焦入射到悬臂外端时，大部分将被反射到PSD的光敏面上。起始状态，反射光点位于A；原子力状态，样品原子通过针尖推动悬臂移动，偏转角。显然，反射光束偏转角，光点移动到B，位移量。设悬臂长，光电接收元件到悬臂的距离为L，则有 上式说明通过光杠杆的作用，可将针尖的微小位移放大倍。在本仪器中取L=10cm，=200m，可知放大倍数为1000倍。 3.2 仪器描述 本次实验的实验装置示意图如图4所示。样品相对于探针的横向扫描由计算机通过D/A接口控制扫描电路实现，在扫描过程中，为使探针与样品保持一定的纵向距离，引入了反馈控制电路系统。 系统的软件部分分为图像扫描和图像处理两部分。前者实现样品表面的成像，后者实现图像的着色、平滑、反转和裁剪，并可求出样品表面粗糙度以及对图像进行尺寸标注。 3.3 实验内容 本次实验以A4纸为样品，分别沿两个相互垂直的方向对其进行了扫描，实验步骤如下： (1) 依次开启电脑，控制机箱，高压电源和激光电源； (2) 观察光斑，安装样品； (3) 用粗调旋钮将样品旋至距探针间距小于1 mm，再顺时针旋转细调旋钮，直至光斑突然向PSD移动； (4) 反向调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数，使Z反馈信号稳定在－150至－250之间（不单调增减即可）； (5) 打开扫描软件，设置参数，开始扫描，待图像稳定后，捕获图像； (6) 扫描完毕后，退样品，细调要退到底，粗调旋至样品平台伸出1厘米左右； (7) 依次关闭激光器，高压电源，控制机箱； (8) 处理图像，标注尺寸，得到粗糙度统计。 4. 实验结果 4.1 x方向扫描结果 图5和图6分别表示沿x方向扫描A4纸获得的二维表面形貌和三维立体表面形貌。通过软件分析，获得结果为 粗糙度 Ra: 10.3 nm Ry: 349.2 nm Rz: 349.2 nm 扫描范围 X: 4000 nm Y: 4000 nm 图像大小 X: 400 pixel Y: 400 pixel 4.2 y方向扫描结果 图7和图8分别表示沿y方向扫描A4纸获得的二维表面形貌和三维立体表面形貌。通过软件分析，获得结果为 粗糙度 Ra: 2.6 nm Ry: 39.4 nm Rz: 39.4 nm 扫描范围 X: 4000 nm Y: 4000 nm 图像大小 X: 400 pixel Y: 400 pixel 5. 实验思考题 (1) AFM探测到的原子力由哪两种主要成分组成？ (2) 和传统的光学显微镜、电子显微镜相比，扫描探针显微镜的分辨本领主要受什么因素限制？ (3) 原子力显微镜几种成像模式的特