提高原子力显微镜(AFM)成像质量的方法

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1、第2’卷第2期大学物理实验V0】．22No．22009年o6月出版PHYSICALEXPERIMENTOFCO工正GEJtm．2009文章编号：lOftY一2934(2009)02一{3001—04提高原子力显微镜(AFM)成像质量的方法冯璐(北京理工大学，北京，100081)摘要针对原子力显微镜AYM不要求样品具有导电性的优点，分析了影响原子力显微镜AFM扫描图像质赣的原因及提高AFM成像质量的方法。关键词原子力显微镜(AFM)；图像质量中图分类号：o4—34文献标识码：AAFM与STM相比的最大优点

2、是不要求样品具有导电性，AFM是利用探针尖端原子与试样表面原子的电子云相重叠时所产生的作用力，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。它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，因而AFM在研究绝缘体和非良导体样品时具有很大的优越性。用AFM已经获得了包括导体和绝缘体在内的不同材料的原子级分辨率图像。如层状化合物的石墨、二硫化钼和氮化硼；等离子晶体的氟化锂(大气环境)；还在大气和水覆盖下获得了云母片上外延生长的金膜表

3、面的原子图像。下面我们分析如何提高AFM扫描图像的质量。1力的传感器件AFM的核心部件是力的传感器件，包括微悬臂(Cantilever)和粘附在其上面的针尖组成，针尖接近样品并与其表面原子相互作用，该作用力使微悬臂发生形变或使其运动状态发生变化，由检测装置检测这些变化，最后就可获得作用力的信息，供计算机扫描成像。为了能准确反映出样品的表面形貌，力传感器要满足以下几个要求：1．1在接触模式中，为了不使针尖损坏样品，要求微悬臂有相对较低的力弹性常数，即受到很小的力就能产生可检测的位移。1．2为了降低仪器对低

4、频噪音的敏感性，并使其有较高的扫描速度，要求微悬臂有尽可能高的固有共振频率(一般为200-300kI-lz)。1．3因为微悬臂上的针尖与样品的摩擦力会引起微悬臂的横向弯曲，从而导致图像失真，这就要求微悬臂要有高的横向刚性，实际应用中将微悬臂制成V字形就可提高其横向刚性；如果系统在悬臂向样品方向弯曲状态下工作，这时扫描速率需要降低．因为系统收稿日期：2009—01—27在这种状态下丁作是不稳定的。1．4如果采用隧道电流方式来检测微悬臂的位移，微悬臂的背面必须要有金属电极，微悬臂背面的污染不能有污染，若采用

5、光学方法检测，则要求微悬臂背面有尽可能平滑的反射面。1．5若采用光学反射方法检测微悬臂位移时，如果微悬臂⋯端的线性平移量是一定的，那么臂长越短，微悬臂的弯曲度就越大，检测的灵敏度就越好。1．6针尖应尽可能尖锐。2AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。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。当样品的尺寸大小探针针尖的曲率半径时，会出现了实际观测到的样品宽度偏大的“扩宽效应”，I1j这种误差是由

6、于针尖边壁和样品的相互作用以及微悬臂受力变形引起的。。2、3另外，针尖的污染会使AFM图像失真。H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。为了减少可能存在的“扩宽效应”，一是制得更尖锐的探针，如用电子沉积法制得的探针，其针尖曲率半径在5一lOnm之间。5其二是对探针进行修饰，从而发展起针尖修饰技术．目前，用于AFM针尖修饰的技术-6主要有：①自组单分子膜修饰AFM针尖。这种化学修饰过的AFM针尖可用来定量测定基底与针尖自组膜的尾部基团之间的粘附力和摩擦力。』②

7、生物分子修饰AFM针尖。③纳米碳管修饰AFM针尖．纳米碳管具有非常适合于作为AFM针尖材料的物理、化学性质：良好的外形比例尖端极小、良好的弹性、碳原子的反应多种多样(易于制功能化AFM针尖)等。这些针尖修饰技术在传统探测的物理量(力场、电场、磁场等)的基础上，引入了“化学场”，从而大大地提高和改善了AFM的空间分辨率和物质识别能力。3工作模式3．1接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动。针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触时原子间的排斥力，约为10一～1ON。接触模式通常就是靠这种排斥力

8、来获得稳定、高分辨样品表面形貌图像。但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力，可能使得针尖受到损害，样品产生变形，故不适合于不易变形的低弹性样品。3．2非接触模式的特点是探针针尖始终不与样品表面接触，针尖原子的电子轨道将与样品表面原子的电子云产生相互作用，样品与针尖之间的相互作用力是吸引力——范德华力。由于吸引力小于排斥力，故灵敏度比接触模式高，但分辨率比接触模式低。非接触模式不适用于在液体中成像。用非接触式AFM所得到的图象的质