原子力显微镜原 理、仪器及应用汇报汇报 人：XXX起源AFM全称Atomic Force Microscope即原子力显微镜，它是继扫描隧 道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具 有原子级高分辨的新型仪器，可 以在大气和液体环境下对各种材 料和样品进行纳米区域的物理性 质包括形貌进行探测，或者直接 进行纳米操纵。LOOK AT THIS2结构简图AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM隧道 针尖，通过探测针 尖与样品之间的相互作用力来实现 表面成像的（右上图）。3原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学 的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜 （SPM）进行观测。原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂 一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触， 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过 在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖 与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起 伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对 应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。基本原理4原理原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜 （STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效 应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假 设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的 探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间 的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与 距离的关系如“图1”所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子 云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥 力的作用，反之若两原子分开有一定距离时， 其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云 之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的 作用。图图 1 、 原 子 与 原 子 之 间间 的 交 互 作 用 力 因 为为 彼 此 之 间间 的 距 离 的 不 同 而 有 所 不 同 ， 其 之 间间 的 能 量 表 示 也 会 不 同 。 5能量的角度若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间 能量的大小也可从Lennard Jones的公式中到另一种印证。从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空 间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时， 其能量就会为-E；同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且 能量为负值 。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸 引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之 间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。 6为原子的直径 为原子之间的距离力检测 部分位置检测 部分反馈系统原子力显显微镜镜的硬件架构在原子力显 微镜 的系统 中，可分成三个部分：7图图2、原子力显显微镜镜(AFM)系统统结结构各部分介绍2.1 力检测检测 部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测 的力是原子与原子之间的范 德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测 原子之间力的 变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖 的形状，而这些规格的选择 是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选 择不同类型的探针。 2.2 位置检测检测 部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后 ，会使得悬臂cantilever摆动 ，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射 光的位置也会因为cantilever摆动 而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整 个系统中是依靠激光光斑位置检测 器将偏移量记录 下并转换 成电的信号，以 供SPM控制器作信号处理。8各部分介绍2.3 反馈馈系统统：在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测 器取入之后， 在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常 由压电 陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作 用力。原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现 出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来 感测针 尖与样品之间的交互作用，这作用力会使cantilever摆动 ，再利用激 光将光照射在cantilever的末端，当摆动 形成时，会使反射光的位置改变而造 成偏移量，此时激光检测 器会记录 此偏移量，也会把此时的信号给反馈系 统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈 现出来。9原子力显微镜1 0工作过程1 1集中工作模式微悬臂探针紧压样 品表面，检测时 与样品保持接触，作用力（斥力）通过 微悬臂的变形进行测量。接触模式针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针 尖对样 品的作用力较大，适 合表面结构稳定的样品。用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样 品表面进行扫描，样品表面起 伏使微悬臂探针的振幅产生相应变 化，从而得到样品的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针 尖对样 品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有 效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤 ，适合于柔 软或吸附样品的检测 。轻敲模式1 2集中工作模式作为轻敲模式的一项重要扩展技 术，相移模式(相位移模式)通过检 测驱动 微悬臂探针振动的信号源的 相位角与微悬臂探针实际 振动的相 位角之差（即两者的相移）的变化 来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的 组分、硬度等。因此利用相移模式( 相位移模式)，可以在纳米尺度上获 得样品表面局域性质的丰富信息。 迄今相移模式(相位移模式)已成为原 子力显微镜的一种重要检测技术。1 3相位移模式注意事项项：l 弹弹片要用两个手指均匀用力l 不可以将弹弹片提起太高，以免弹弹 片变变形安装探针针必须须确定激光已落在针针尖的背面，才能进针进进针进 行扫扫描！光路的判断激光落在悬悬臂后 部，左右移动动激 光器可以看到水 平的衍射条纹纹； 向前移动动激光器 则则没有垂直的衍 射条纹纹；激光落在悬悬臂边边 缘缘，此时时可以看 到十字或倾倾斜的 衍射条纹纹；激光落在基片 上，纸纸条上出 现现光斑；大范 围围左右移动动激 光器，光斑无 变变化，没有衍 射条纹纹出现现；材质质：硅、氮化硅；悬悬臂形状：矩形或三角形；镀层镀层 ：背面镀铝 、镀金、镀铂 等；尺寸参数：长度、宽度、厚度；力参数：力常数、共振频率；针针尖参数：针尖尺寸、高度、锥角 ； AFM探针针AFM探针针针尖的种类AFM针尖样品台AFM样品测试台测试样 品台解析AFM图像SPM Console在线线控制软软件Imager图图像处处理及分析软软件软软件AFM的应应用利用AFM可以对样 品进行表面原子搬运，原子蚀刻， 从而制造纳米器件。还可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒 度解析、突起与凹坑的统计处 理、成膜条件评价、保 护层 的尺寸台阶测 定、层间绝缘 膜的平整度评价、 VCD涂层评 价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺 陷分析等。