原子力显微镜的原理与应用研究生研讨课讲诉.ppt

AFM （原子力显微镜） 报告人： 目录 一、 AFM 工作原理 二、仪器介绍 三、成像模式 四、应用举例 五、缺陷 1. 工作原理 ·AFM (Atomic Force Microscope)原子力显微镜 ，是 以原子间力为理论 基础 的显微镜，从 STM （扫描隧道显微镜）发展而来。以原子尺寸观察物质 表面结构，金属、半导体、绝缘体等均可以观测，可以在大气、液体环境下 直接观察。 ·在原子力显微镜的系统中，是 利用微小探针与待测物之间交互作用力 ，来呈 现待测物的表面物理特性。 ·将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端固定针尖当针尖在样品表 面扫描时， 因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力，使微悬臂产生 微小弯曲 。根据扫描样品时探针的偏移量或改变的振动频率重建三维图像， 就能间接获得样品表面的形貌。 1. 工作原理 Expulsive force atom atom Attractive force atom atom 2. 仪器介绍 控制系统 Z X Y 入射激光 位敏光电探测器 显示屏 步进电机 调节螺杆 反馈 探针针尖 试样 压 电 陶 瓷 管 X Y 探针悬臂 样品台 △ α 2 △ α 2. 仪器介绍 2. 仪器介绍 1 、 检测系统 悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检 测，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流 法、电容检测法等。目前 AFM 系统中常用的 是 激光反射检测系统 ，它具有简便灵敏的特 点。激光反射检测系统由探针、激光发生器 和光检测器组成。 2 、 探针 探针是 AFM 检测系统的关键部分．它由悬臂 和悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术 的发展，人们已经能制造出各种形状和特殊 要求的探针。悬臂是由 Si 或 Si 3 N 4 经光刻技术 加工而成的．悬臂的背面镀有一层金属以达 到镜面反射。在接触式 AFM 中 V 形悬臂是常 见的一种类型 2. 仪器介绍 商品化的悬臂一般长为 100-200 μ m 、宽 10-40 μ m 、厚 0.3-2 μ m ，弹性系数变化范 围一般在几十N·m -1 到百分之几N·m -1 之 间，共振频率一般大于 10kHz 。探针末端 的针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的 曲率半径与 AFM 分辨率有直接关系．一般 商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米 范围． V 型悬臂： 它的优点是具有低的垂直反射机械力阻和高的 侧向扭曲机械力阻．悬臂的弹性系数一般低于 固体原于的弹性系数， 悬臂的弹性常数与形 状、大小和材料有关．厚而短的悬臂具有硬度 大和振动频率高的特点． 2. 仪器介绍 3 、光电检测器 AFM 光信号检测是通过光电检测器来完 成的。激光由光源发出照在金属包覆的悬臀上， 经反射后进入光电二极管检测系统．然后，通 过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换 成电压信号方式来指示光点位置。 4 、扫描系统 AFM 对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现 的．扫描器中装有 压电转换器 ．压电装置在 X ， Y ， Z 三个方向上精确控制样品或探针位置。目前构成 扫描器的基质材料主要是钛锆酸铅 [Pb(Ti,Zr)O 3 ] 制 成的压电陶瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加 电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成 比例关系．压电陶瓷能将 1mV~1000V 的电压信号 转换成十几分之一纳米到几微米的位移。 5 、反馈系统 2. 仪器介绍 原子力显微镜的分辨率 原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直 分辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素： 采集图像的 步宽 (Step size) 和针尖形状 ． 1. 步宽因素 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的 形式如图 3.3 所示．扫描器沿着齿形路线进行 扫描，计算机以一定的步宽取数据点．以每幅 图像取 512x 512 数据点计算，扫描 1 μ m x1 μ m 尺寸图像得到步宽为 2nm(1 μ m ／ 512) 高质量针尖可以提供 1~2nm 的分辨率．由此 可知，在扫描样品尺寸超过 1 μ m x1 μ m 时， AFM 的侧向分辨率是由采集图像的步宽决定 的。 2. 仪器介绍 2. 针尖因素 AFM 成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针 尖的形状是影响