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1、原子力显微镜物理学院101120104邱博通一、引言在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。扫描隧道显微镜(STM)使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构。为了克服STM的不足之处，推出了原子力显微镜(AFM)。AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域将更为广阔。除物理，化学生物等领
2、域外，AFM在为微电子，微机械学，新型材料，医学等领域有着广泛的应用，以STM和AFM为基础，衍生出一系列的扫描探针显微镜，有激光里显微镜，磁力显微镜，扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳米线上进行成像和分析。二、实验目的1了解原子力显微镜的工作原理2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法三、原子力显微镜结构及工作原理（1）AFM的工作原理在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。主要工作原理如下图：10在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。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),引起微悬臂偏转。扫描时控制这种
3、作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动,因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,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。将信号放大与转换从而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(Cantilever)和固定于其一端的针尖。 根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为：F=KΔZ。ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为Can2tilever
4、的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever被检测。（1）AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移;②较高的力学共振频率;③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲;④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极;⑥针尖尽可能尖锐。(3)AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。如
5、右图。目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm,因此足以检测出物质表面的微观形貌。但是,探针针尖曲率半径的大小将直接影响到测量的水平分辨率。当样品的尺寸大小与探针针尖的曲率半径相当或更小时,会出现“扩宽效应”,即实际观测到的样品宽度偏大。这种误差来源于针尖边壁同样品的相互作用以及微悬臂受力变形。某些AFM图像的失真在于针尖受到污染。一般的机械触针为金刚石材料,其最小曲率半径约20nm。普通的AFM探针材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4),其最小曲率半径可达10nm。由于可能存在“扩宽效应”,针尖技术的发展在AFM中非常重要。其一是发展制得更尖锐的探针,如用电子沉积法制得的探
6、针,其针尖曲率半径在5～10nm之间。其二是对探针进行修饰,从而发展起针尖修饰技术。探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计。只有设计出更尖锐、更功能化的探针,改善AFM的力调制成像(forcemodulationimaging)技术和相位成像(phaseimaging)技术的成像环境,同时改进被测样品的制备方法,才能真正地提高样品表面形貌图像的质量。 (4)AFM的工作模式10 AFM有三种不同的工作模式:接触模式(contactmode)、非接触模式(noncontactmode)和共振模式或轻敲模
7、式(TappingMode)。 ①接触模式 接触模式包括恒力模式(constant2forcemode)和恒高模式(constant2heightmode)。在恒力模式中过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x、y方向扫描时,记录Z方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像。这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样
