（光学工程专业论文）大扫描范围原子力显微镜的新方法研究及系统研制.pdf

浙江大学硕士论文6 8 9 2 8 8 摘要 在 2 0世 纪末，各 种电子元器 件、 机械机构等都有向 小型化、 微型化发展的 趋势。 许多纳米级的器件己 经被应用在科学研究与工业生产中，纳米科技越来越受到人们的 关注。 扫描探针显微镜( s p m ) 是研究 纳米科技的 重要工具。 在 s p m家族中，以原子力显 微镜( a f m ) 的 应用最为 广泛，它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝 缘体等多种材料进行观测，适应性很强。 a f m 的主要性能指标包括其最大扫描范围和测试分辨率等。扫描范围一般在几微 米至几十微米量级，有时无法满足某些特定场合的需求，例如对有些材料表面进行研 究时，研究人员希望能够同时观察几百微米范围内样品表面的形貌、缺陷等性质;非 接触模式a f m用于生物医学研究 观察蛋白 质一类生物大分子或是多分子聚合体时，人 们希望其扫描范围更大一些。单个蛋白 质分子的大小差别很大，较大的可能有几百万 a ，而较小的也会有上 万 a ， 此时几微米，甚至几十微米的扫描范围是远远不够的。对 于只有一个或几个蛋白质分子的样品图像来说，人们很难从中分析出很多数据。人们 总是希望能够在满足一定的扫描分辨率的同时，能够看到更多的东西。基于这个需 求，我们提出了 大扫描范围a f m的课题，并研制出 整个 a f m系统，在保证扫描分辨 率的情况下， 提高了扫描范围。 本论文分为六章，第一、二章介绍纳米科技、课题背景及 a f m的基本原理:第三 章介绍本课题提出的一些新方法及创新之处;第四章介绍本课题的研究成果即研制完 成的大扫描范围a f m系统; 第五章对该a f m系统的系统性能进行了 优化研究;第六 章展示制成功的大扫描范围a f m系统的应用结果，包括几种不同样品的扫描结果;第 七章为总结与展望。 本课题的创新之处包括: 提出压电陶瓷的推拉式控制方法。以前给压电陶瓷施加电压信号的方式多为单信 号加压，即，只给压电陶瓷的一侧施加电压信号，另一侧则接地。现在提出了压电陶 瓷的 推拉式控制方法， 给压电陶瓷内 外侧分别加上两个相位相差1 8 0 0的电 压信号，使 得加在压电陶瓷管壁上的电场方向交替变化，从而使得压电陶瓷极化方向交替变化， 这样就比单方向极化的压电陶瓷管伸缩距离大，扩大扫描范围。 浙江大学硕士 论文 改进压电陶瓷扫描器的驱动电路，采用相移式扫描控制方法及电路。由电脑灰山 一 路控制信号 ， 经过 相移式控制电 路， 产生另一 路与 原 信号 相 差1 8 0 。 的 信号 电 压， 此 电路采用模拟电 路，速度快，响应时间可以忽略，两列信号可以 严格保证在1 8 0 “的相 位差。 同时我们还提出了基于微动平台的序列图像扫描及拼接方法。引入微动平台，在 压电陶瓷驱动器扫描完一幅图 像后，通过微动平台将样品移动一定的距离( x , y 方向 均 可) ， 然后再扫描下一幅图像，最后将扫描完成的全部图像拼接起来，就可以得到一幅 完整的大范围样品图像。由于扫描时微动平台静止，所以整幅图像的分辨率仍然取决 于压电 陶瓷，不会因为微动平台的引入而降低分辨率。 设计研制了整个大扫描范围a f m系统， 包括探头、扫描机构、 控制机箱、计算机 硬件接口、扫描控制程序等。 对不同的样品进行了扫描，如2 0 0 0 线/ m m的光栅，多孔 氧化铝等等，获得了 很好的结果。实验表明，本课题研制的大扫描范围a f m在大气环 境下能够稳定工作，具有较大的扫描范围、优良的扫描稳定性、重复性以及良 好的图 像对比度和清晰度。其分辨率横向优于 l m n ，纵向优于 0 . l m n 。单幅图像的扫描范围 为9 lm x 9 lm , 整幅图像的大小可以 达到毫米级。 浙江大学硕士论 文 abs t ract a t t h e e n d o f 2 0 s c e n t u ry , t h e d e v e l o p m e n t t r e n d o f t h e e l e c tr o n i c c o m p o n e n t , m e c h a n i s m e t c . i s m i c r o m i n i a t u r i z a t i o n . ma n y c o m p o n e n t w h i c h i s i n n a n o m e t e r o r d e r h a s b e e n u s e d i n t h e s c i e n c e r e s e a r c h a n d th e i n d u s t r i a l m a n u f a c t o r y , t h e n a n o - t e c h n o l o g y i s b e i n g m o r e a n d m o r e a tt e n t i o n a l . i n t h e f i e l d o f n a n o - t e c h n o l o g y , o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t t o o l s u s e d f o r o b s e r v a t i o n a n d r e s e a r c h i s s c a n n in g p r o b e m i c r o s c o p y ( s p m ) . a m o n g t h e g r e a t v a r ie t i e s o f s p ms , a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e ( a f m ) i s m o s t w i d e l y u s e d . a f m c a n b e u s e t o o b s e r v e a n d r e s e a r c h m a n y k i n d s o f m a t e r ia l s i n c l u d in g c o n d u c t o r s , s e m i c o n d u c t o r s , n o n c o n d u c t o r s . a n d t h e s a m p l e c a n b e p u t i n a i r , l i q u i d o r v a c u u m . i t p e r f o r m a n c e s w e l l , a n d i t s a p p l i c a b i l i t y i s b e tt e r . t h e m o s t i m p o r t a n t p e r f o r m a n c e i n d e x e s a re t h e s c a n n i n g r a n g e a n d t h e r e s o l u t i o n . c o m m o n ly , t h e s c a n n i n g r a n g e i s fr o m m i c r o n o r d e r t o s u b m i l l i m e t r e o r d e r . t h i s c a n t m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f t h e r e s e a r c h i n s o m e c e rt a i n o c c a s i o n . i n t h e s t u d y o f t h e s u r f a c e o f s o m e m a t e r ia l s , f o r t h e s a k e o f o b s e r v e t h e c h a r a c t e r s o f t h e s a m p l e s u r f a c e ( s u c h as p r o f i le , d i s f i g u r e m e n t a n d s o o n ) , t h e s c a n n i n g r a n g e i s n e e d e d t o b e e x t e n d e d t o s e v e r a l m i c r o n s . w h e n t h e n o n - c o n t a c t m o d e a f m i s u s e f o r b i o l o g y , b i o m e d i c i n e s t u d y t o r e s e a r c h t h e b i o l o g i c b i g m o l e c u l e ( in c l u d i n g m o l e c u l e o f p r o t e i d e e t c .) o r p o ly m e r o f s e v e r a l m o le c u l e s , t h e s c a n n i n g r a n g e n e e d e d i s m o r e l a r g e . t h e s i z e s o f a s i n g l e m o l e c u l e o f p r o t e i d e a r e v a r i o u s . t h e b i g o n e m a y b e s e v e r a l m i l l i o n s a n g s t r o m s , a n d t h e s m a l l o n e i s a t l e a s t s e v e r a l t e n t h o u s a n d s a n g s t r o m s . i n t h i s o c c as i o n , t h e m i c r o n o r d e r , e v e n t h e s u b m i l l i m e t r e o r d e r , i s f a r f r o m t h e r e q u i r e m e n t . t o w a r d t h e s a m p l e im a g e s o f o n e s i n g l e m o l e c u l e o f p r o t e i d e o r s e v e r a l m o l e c u l e , t h e r e s e a r c h e r s c a n g e t o n l y a l i tt l e i n f o r m a t i o n s . t h e re s e a r c h e r s a l w a y s w a n t s e e m o r e a r e a o f t h e s a m p l e a t t h e s a m e h i g h s c a n n i n g r e s o l u t i o n . b as e o n t h i s r e q u i r e m e n t , w e p u t f o r w a r d t h e s u b j e c t o f a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e o f l a r g e s c a n n i n g r a n g e t h e w h o l e s y s t e m h as b e e n d e v e l o p e d . t h e s c a n n i n g r a n g e i s e n l a r g e d i n t h e c as e o f n o d e c r e a s e o f s c a n n i n g r e s o l u t i o n . t h e t h e s i s h as 6 c h a p t e r s . c h a p t e r 1 a n d c h a p t e r 2 i n t r o d u c e t h e n a n o - t e c h n o l o g y , t h e b a c k d r o p o f t h i s p r o j e c t ; c h a p t e r 3 p r e s e n t s t h e p ro j e c t s in n o v a t i o n i n t h e c o n t r o l l i n g a n d d e t e c t i n g m e t h o d s . c h a p t e r 4 p re s e n t s t h e r e s e a r c h fi n d in g s , n a m e l y , t h e a f m w i t h l a r g e s c a n n i n g r a n g e w e d e v e l o p e d ; c h a p t e r 5 p r e s e n t s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e a f m w e d e v e l o p e d , i n c l u d i n g th e i m a g e s o b t a i n e d b y a f m o f s o m e d i ff e r e n t k i n d s o f s a m p l e ; c h a p t e r 6 i s t h e e x p e c t a t i o n . i n 浙 江 术 * 9 全 it ) c 一 t h i s p r o j e c t s i n n o v a t i o n i n c l u d i n g : we b r i n g f o r w a r d a n e w m e t h o d t o c o n t r o l t h e p z t t u b e . f o r m e r l y , t h e v o l t a g e s i g n a l c o n n e c t w i t h t h e p z t t u b e i s m o s t l y s i n g l e , v i z . o n e s i d e o f t h e p z t t u b e i s p u t o n t h e s i g n a l , a n d t h e o t h e r s i d e c o n n e c t w i t h t h e g n d . n o w , w e b r in g f o r w a r d t h e n e w m e t h o d t o c o n t r o l t h e p z t t u b e . c o n n e c t t w o s i d e s o f t h e p z t t u b e w i t h t w o s i g n a l w h i c h h as a 1 8 0 0 p h a s ic d i f f e r e n c e , m a k i n g t h e d ir e c t i o n o f t h e e l e c tri c a l f i e l d a d d e d t o t h e p z t t u b e c h a n g i n g a l t e rn a t e l y , s o t h a t t h e d i r e c t i o n o f p o l a r i z a t i o n o f t h e p z t c h a n g e s a l t e r n a t e l y . b y d o i n g t h i s , t h e r a n g e t h e p z t t u b e c a n e x p e n d t o c a n b e m a d e l o n g e r , a n d t h e n t h e s c a n n i n g s c a l e i s e n l a r g e d . t h e d r i v i n g c i r c u i t o f t h e p z t s c a n n e r i s i m p r o v e d . u s i n g a p h a s e d i s p l a c e m e n t m e t h o d . o u t p u t a c o n t r o l s i g n a l f r o m t h e p c , a n d t h e n w e c a n g e t a n o t h e r c o n t r o l s i g n a l b y u s i n g a c i r c u i t w it h p h a s e d i s p l a c e m e n t . t h e n e w s i g n a l h as a 1 8 0 0 p h a s i c d i ff e r e n c e . t h i s c i r c u i t i s a f a s t a n a l o g c i r c u i t , s o t h a t t h e r e s p o n s e t i m e c a n b e i g n o r e d . t h e t w o s i g n a l s p h asi c d i ff e r e n c e c a n b e a c c u r a t e l y p r e s e r v e d . we a l s o b r i n g f o r w a r d a n i m a g e s p l i c i n g m e t h o d b as e d o n t h e m i c r o d ri v e s t a g e . b y a d d i n g a s t a g e t o t h e s y s t e m , w e c a n f u r th e r i m p r o v e t h e s c a n n i n g s c a l e . a ft e r s c a n n i n g a s a m p l e im a g e 场t h e p z t s c a n n e r , m o v e t h e s a m p l e f o r a c e rt a i n d i s t a n c e b y u s i n g t h e m i c r o d r iv e s t a g e ( c a n b o t h i n t h e x o r y d i r e c t i o n ) , a n d t h e n s c a n t h e s a m p l e f o r t h e n e x t i m a g e . a f t e r a l l t h e i m a g e s c a n n in g , w e c a n s p l i c e t h e i m a g e s e r i e s i n t o a l a r g e i m a g e . b e c a u s e t h e s t a g e i s s t a t i c w h e n s c a n n i n g , t h e re s o l u t i o n o f t h e f i n a l i m a g e o b t a i n e d a ft e r i m a g e s p l i c i n g s t i l l d e p e n d o n t h e p z t . t h e re s o l u t i o n w o n t b e d e c r e a s e d w h e n a d d i n g t h e m i c r o d r i v e s t a g e t o t h e s y s t e m. we h a v e a l re a d y d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d t h e w h o l e s y s t e m o f t h e a f m w i t h l a r g e s c a n n i n g s c a l e , in c l u d i n g t h e p r o b e , s c a n n e r , s i g n a l c o n t r o l l e r , p c h a r d w a r e i n t e r f a c e , s c a n n i n g p r o g r a m e t c . s o m e s a m p l e s w e r e s c a n n e d b y t h i s a f m, s u c h a s g r a t i n g ( 2 0 0 0 l i n e s / m m ) , a l u m i n a . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s a f m c a n w o r k w e l l i n a i r . i t h a s m o r e l a r g e r s c a n n in g r a n g e , h i g h r e p e a t a b i l i t y a n d a g o o d s t a b i l i t y f o r i m a g e a c q u i s i t i o n , w i t h a n n i c e i m a g e c o n t r a c t . t h e l a t e r a l re s o l u t i o n i s h i g h e r t h a n i n m , a n d t h e v e rt i c a l o n e i s h i g h e r t h a n 0 . 1 r im . t h e s c a le o f a s i n g l e im a g e i s 9 1 x m x 91m, a n d t h e s c a l e o f t h e t o t a l i m a g e c a n r e a c h mi l l i me t e r o r d e r . 浙江大学硕士论文 第一章:绪论 1 . 1纳米科技概述 纳米科技是 2 0 世纪中 后期开始发展起来的 新兴学科。 它被认为是最有可能在未来 取得突破的科学和工程领域。纳米科技并不只是向小型化迈进了一步，而且迈入了一 个 崭 新 的 微 观世 界 1 1% 1 9 0 0年，德国物理学家普朗克发表了一篇论文，导致了量子理论的出现。当时他 正在从事研究热物体的辐射热能在各波长上的分布问题。普朗克发现，在某种理想条 件下，此能量是按某种特征方式分布的。普朗克证明，只有假设物体是以离散包或离 散方式发射电磁辐射，才能 对这种特征方式做出说明，他称这种离散包或离散束为量 子。普朗克提出 “ 量子论”，吹响了 2 0世纪物理学革命的号角。到 2 0 0 0年，人们在 量子论、相对论、基因论、信息论等多方面都取得了人类以前难以想象的飞跃发展。 2 0世纪初期大量实验事实和量子论的发展，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时还具 有波动性，他们的运动不能用通常的宏观物体运动规律描写。量子力学的建立大大促 进了原子物理、固体物理和原子核物理等学科的发展，并标志着人们对客观规律的认 识从宏观世界深入到微观世界。 1 9 5 9 年 1 2 月2 9日 ， 理论物理学家查德 费曼首次提出了 纳米技术的 基本概念， 他当时寓言，控制物体极细微模型上的排列方式将得到异乎寻常的 特性。 但是他所提 出的这一概念就像伟大的科学家爱因斯坦提出的相对论一样，在当时并没有引起科学 家们的关注，纳米技术的研究未有萌芽就胎死腹中。 直到 2 0世纪 7 0年代中期，隶属 美国国家航空航天局位于加利福尼亚州的艾姆斯研究中心的一个 4 7 人研究小组致力于 纳米材料及计算机硬件方面的研究，纳米科技才慢慢地被人们所关注。几十年来，科 学技术一直进行着 “ 自 上而下”的微型化。就是在制造机器设备的时候，总是把大型 材料先小型化成单个可制作的机器零件，然后用它们来装配独立的功能的零件或功能 单元。最后，再一个一个地装配成整个设备。人们设计的由越来越小的微型芯片驱动 的越来越小的机器，里面装满了越来越小的集成电路。与此相反，纳米技术科学家们 相信一种 “ 自 下而上”的方法。他们说，以原子和分子为例，一般可以把他们制成大 一些的物体，比如像超强度材料，设计师使用的原料甚至还有微型机器人。曾经被人 们认为只是一个幻想的纳米技术己经成为了一项严肃的研究活动，不仅在美国国家航 浙江大学硕士论文 空航天局，而且在美国的斯坦福大学核哈佛大学以及德国的汉堡核美因茨大学都设有 研究前沿阵地。日 本发起投资两亿美元、 长达1 0 年的 纳米科技研究行动。1 9 8 9 年，国 际商用机器公司( i b m ) 的科学家们利用扫描隧道显微镜和类似小镊子的工具移动氮原 子，最后把它们拼成了这个公司著名的由三个字母构成的商标。同样是这个实验室又 进一步进行了类似的微型建造活动，其中包括把一排铁原子拼成日本汉字中的 “ 原 子”二字。从此时起，科学界兴起了一股纳米科技热浪，几乎在当代科技的全部分支 中都融合了纳米科技。目前，纳米科技地主要应用领域有: 1 .纳米材料学 纳米材料包括了 所有微观世界之中纳米范围内的物质材料和由纳米材料构成的材 料。1 9 8 4 年，德国物理学家格莱特经过 4 年的不懈努力，终于研制成功 f e , c u , a u , p a黑色金属超微粉。实验表明，任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑色。 纳 米材料就这样诞生了。后来相继问世的由纳米半导体薄膜，纳米陶瓷，纳米磁性材 料， 纳米生物医学材料等。近 1 0 多年来，世界各工业发达国家加紧开展超微粒材料的 基础研究和开发应用。美国发展的超微粒材料的吸波应用研究，用于飞机和军舰的隐 身。日 本已 将超微粒材料应用与高密度磁记录和高效催化剂等方面。纳米材料学是材 料科学的一部分。纳米材料按纳米材料的形态，可将其分为纳米颗粒型材料、纳米固 体材料、纳米固体膜材料、纳米磁性液体材料等四种。它们在国防、医学、工业、印 刷等多个领域都有广泛地应用。 2 .纳米机械学 2 1 世纪是微观工业兴起的世纪。 全球经济不仅由 宏观工业也由 微观工业支撑住。 纳米材料产业与航天航空、生物工程、 信息技术等其他现代工业产业组成了2 1 世纪世 界工业大格局。科学家们利用纳米技术，制造出了尺寸越来越小的机器。这些越来越 小的机器被称微机械。目 前，微机械所用的材料不是钢铁或有色金属，而是硅材料。 人们巧妙地利用了硅材料的极优良的力学性质、各向同性和各向异性的化学腐蚀性 质，采用集成电路平面技术、薄膜技术和微焊接技术等，做出各种特殊形态的硅材料 部件。很明显，微机械技术是随着微电子技术和纳米技术的发展而迅速崛起的一门综 合性的高科技。它对微观工业， 特别是医学方面有着极大的贡献。 浙江大学硕士论文 3 .纳米生物学及医学 纳米科技的兴起，带动了生物学及医学的研究往更深层次发展。纳米科技的应 用，使得基因组、动物克隆、人造细胞、人造生物器官、攻克癌症顽疾等多方面取得 突破。基因组科学与纳米科技有着十分密切的关系。人类对基因组的研究，都是纳米 级的研究。在遗传学、转基因学等领域的研究都饱含了纳米技术。由于纳米科技的发 展， 科学家们在基因学方面取得了 重大突破。 2 0 0 0 年 6月， 我国科学家和世界其他 5 个国家的科学家一起完成了人类基因序列 “ 工作草图”。这标志这人类对基因组解码 的开始。理论上来说，纳米技术可以复制一切事物，甚至是人的器官和复制人类自 身。这同 克隆技术不同，克隆只是复制基因，而纳米技术则可以 将原体身上的每个细 胞都重现一遍。人们利用纳米技术造出了许多人造器官，如纳米眼球、人造血浆等， 甚至更换细胞。这对于医学药物及治疗方法方面开辟了新道路。 4 .纳米电子学及物理学 在量子器件的研制上，除了已经研制成功的量子晶体管、量子开关，纳米科技将 进一步研究更新型的量子器件和分子电路元件，并随着根据最新的纳米材料、纳米化 学等领域的发展而发生进一步的飞跃。纳米物理学的深入将使得特殊的导电激励、小 尺寸界面效应、量子隧道效应、库仓阻塞效应等问 题明朗化。这将对开发物质钳子信 息 和结 构潜 力，以 及电 子 技术 产生 重大的 影响 2 1 纳米科技的深入与发展离不开纳米检测技术的发展。 扫描探针显微镜( s p m ) 家族就 是其中 最重要的 纳米检 测仪器。 从扫描隧道显微镜 ( s t m ) 到 原子力显微镜 ( a f m ) ， 再到 后来的 磁力显微镜( m f m ) ， 横向 力( 摩擦力 ) 显微镜( l f m ) ， 静电 力显微镜( s f m ) 等等， 其适应性也不断加强。现在s p m已经成为纳米科技一个不可或缺的臂膀。 1 . 2扫描探针显微镜的发展 妇. 2 . 1传统显微镜的出现及发展 显微镜和其他仪器一样，是在科学和生产发展的一定水平上诞生并得到发展的。 由于人眼的缺陷，如近视、分辨率等，很多时候人们需要一些工具来帮助自己。一般 浙江大学硕士 论文 情况下，在 2 5 m m的明视距离内，人眼只能分辩相距 o . l m m的两个物体，这就是人眼 的分辨率极限。于是，在十三世纪玻璃被发明后，逐渐被磨成各种透镜来补偿人眼镜 的缺陷，同时也发现了它能把物体的像放大，这样就出现了 放大镜。到了十六世纪眼 镜业在欧洲己 经很发达， 放大镜己 被广泛使用，磨镜技术也大大提高，这就为显微镜 的出现奠定了基础。 第一台复式显微镜的诞生是在十六世纪的后半叶，荷兰眼镜制造商詹森父子在 1 5 9 0年偶然将两个不同的透镜重叠至适当距离时，发现物体被放大了许多，于是他们 用两个口 径不同的铁桶把两个透镜固定起来，并且两个铁桶可以套合滑动，以改变透 镜的距离， 这便是复式显微镜的雏形。 荷兰人列文虎克在 1 6 7 1 年至 1 7 2 3 年期间 对于显微镜的制造合观察作出了 十分卓 越的 贡 献 14 1 。 他 所 使 用的 透 镜曲 率 很 大， 焦 距 在 l m m以 下 。 这 种 显 微 镜 必 须 紧 贴 眼 睛 对着光线进行观察。它虽然异常简单， 但是放大率高达 2 4 0 2 8 0 倍， 分辨率能够达到 1 j 7 0 0 m m。 这台显微镜算是第一台制作精良 的光学显微镜。 列文虎克用它探索了许多 领域，包括细菌、精子和血细胞等等，他的许多研究成果知道十九世纪还没有被证实 或进一步发展。此后，随着机械加工工艺， 材料学的发展，光学显微镜的放大倍率、 分辨率越来越高，各种像差、色差也得到了不同程度的矫正。时至今日，光学显微镜 已经发展得相当成熟，并且在光学、生物学、医学等流域有着广泛的应用。 但是，光学显微镜并不是万能的，它也存在一定的局限性。光学显微镜的分辨率 和有效放大率不可能无限制地提高。所有光学仪器的分辨率都受光学系统中孔径光阑 的 衍射影响，点光源经任何光学系统形成的像都不可能视一个几何点，而是一个衍射 斑，叫做艾里斑。根据瑞利判据，艾利斑半径a 为: 0 . 6 1 8 a 之 na ( 1 一 1 ) ( n a为数值孔径， x 为光波长) 根据道威判断，两个相邻像点之间的两 衍射斑中心距为 0 . 8 5 a 时，则能被光学系统分辩，即显微镜的极限分辨率。 为: 。 = 0 .8 5 a = 0 .5 ) na ( n a为数值 孔径， 义 为光波长 ) 而光学显微镜的有限 放大率r 一 般近似 地写 成: 5 0 0 n a _ r 8 ) 来 描 述， 也 可以 通过一级指数方程来描述。 金属粘附力是当金属原子在晶体中凝聚时产生的。他们来源于使离子区域结合在 一起的自由共价电 子。而两个金属表面互相接触时，也可观察到相似的效应。为减少 表面自由能，电子云将不短扩散，此时就可观察到呈较强指数衰减的吸附力金属 粘附力。 分子间力也叫范德华力，稀有气体、固体和液体，多层l b 膜、胞囊和脂质体的自 组装、 毛细现象、润湿膜、接触角、表面张力等都和范德华力有关。范德华力是很强 的，可以 将宏观物体移动微观距离。而且范德华力存在于各种原子或分子间，它的有 效作用距离从几个a到几百a，其主要由三部分组成: 浙江大学硕士论文 1 .偶极一偶极力:具有永久偶极矩的分子通过偶极一偶极相互作用。具有永久多 偶极子的分子可以诱导偶极矩，否则为非极性分子。 2 .诱导偶极力:永久偶极场可以 在非极性分子中诱导产生一个偶极子， 之后同 这 个诱导偶极子的相互作用也称为偶极一偶极相互作用。 3 .色散力:由于电荷分布的波动，正电荷中心对应负电荷中心瞬间会存在偏移。 这样在一定时刻就有偶极子存在，并在另一原子中诱导偶极子。 如氖) 或分子也是互相吸引的。因为电 荷波动发生在差不多与 因此， 非极性原子( 例 u v光相同的频率左右 ( 1 15 s ) ， 而 且u v光 是散 射 或色 散的， 色散 力因 此而 得名。 范 德 华 势 是 这 三部 分的 总 和u ,d w = u l , + u , 十 嘛 对于两个极化气体分子，一阶近似有 ( 2 - 1 ) 1-尸 口 -h 1 r . 4 . 。 v .d w 一l 4 rrs o j 1 3 k t p za + 互 a 2 其中， p 是偶极矩， t是温度，“ 是分子的静态极化率， e p 是自 由 空间的 介电 常数，h r) 是电子的基态振动能。注意到开始两项是静电 性质，而色散项在本质上却从属于量子 力学。 当两个物体在距离上互相接近时，它们之间会产生各种各样的相互作用力，而且 与物体的 特性有关。例如范德华力总是存在的， 在几百 a的范围内都是灵敏的;而金 属粘附力作为量子力学交换相互作用只在表面间隔几个a时起作用。 a f m 中，当探针和样品相互逼近到接触范围时， 样品离子和探针离子之间的离子 排斥力占主导。在这个区域扫描，得到的是样品表面形貌。但其他相互作用也会对力 针尖 范德华力 离子排斥力 ( a f m成像力 ) 磁力和 静电力 粘附 摩擦力 表面的 弹性与塑性 图2 - 1 与a f m有关的一些相互作用 浙江大学硕士 论文 信号产生影响，并且与它们的大小和范围有关。由于它们也能够给出不同的图像反 差，因 此可对磁畴或单个电 荷等特征进行成像。图2 - 1 归纳了一些与a f m最相关的相 互作用力。 探针在与样品十分接近的情况下进行扫描，范德华力和接触排斥力一般是给出样 品的形貌。磁和静电力则产生一个额外吸引和排斥力，而粘附和结合力在摩擦力研究 中很重要，会产生原子尺度上的针尖粘附滑移行为;同时样品的弹性和塑性性质则可 通过刻压类实验来研究，并且改变接触模式中的图像反差。 如 果要计算 探针与 样品间的 力， 情况将发 生变化。 需要考 虑以 下 几 个方面 1 9 . 1 .对测量产生影响的针尖原子个数与相互作用特性有关。虽然针尖含有大约 0 e 个原子，但对于相互作用，只需要考虑很少一部分。 2 . 作用力不是简单两个物体间的力，而是几个物体间的力。 3 .必须考虑环境因素，当在气体、液体或是真空中测量时，力会有显著的不同。 环境对双电常数，即对范德华力是有影响的。 4 .扫描是一个动态过程，其中很容易产生摩擦力。因此，简单的静态理论是不完 全适用的。 5 . 样品不是严格的晶 体。有可能发生弹性形变或原子松散。 6 .目前还不清楚战舰对样品电子机构有多大的影响以及针尖和样品间是否有结 合。在极端情况下，这可能导致针尖或样品原子的重排。事实上， 没有一般理论同时 考虑到所有这些情况，但已经有处理其中一些方面的研究。 如前所说，在近距离扫描样品，主要通过范德华力得到样品的表面形貌。在针尖 一样品距离几埃到几百埃范围内，范德华力是显著的。 利用它们测量表面形貌可达到 纳米级的分辨率，但还不清楚能否用这个力获得原子分辨率。因为这些力的作用距离 在原子尺度之外，而且目 前还没有利用范德华力得到的原子结构。 a f m 中， 人们不可能知道所有针尖和样品材料的极化率、原子密度和基态振动频 率。这种情况下， 考虑表面能则有助于简便而独立的来测量h a m a k e r 常量a a 表面能 y 定义为范德华能的 一半， 是指将两个接触平面分离无限 远所需能量。 u 1 a 1 1 1 y二- =,1 - ! r1一- 7 i 乙 l l ! l g j l d p v - ( 2 - 2 ) 或 其中d 。 是接触时的界面距离 y = 刁2 4 z 蠕( d = 0 0 ) 等于0 . 1 6 5 n m 7 1 o ( 2 - 3 ) 浙江大学硕士论文 目前，有关用a f m对针尖与样品表面间的力进行研究的报告有很多。结果表明， 所检测到的力及表面能函数关系并不完全符合上面分析的范德华理论。这可能是由于 针尖或样品上的较小的粗糙起伏引起的误差。实际上，范德华力是集合的而不是相加 的相互作用。利用折射系数和双电常数可以更正确地计算 h a m a k e r 常数。同时，极化 和诱导作用也应同色散里一起包括在范德华相互作用中。材料 i 和1 1 通过介质m相互 作用的h a m a k e r 常数可表示为 j3 k , t f c , 一 e , i f ， 一 。 ; 13 h co h二一 刃 一 1 日 十二 一 r 仔 l e l 十 s , j l 几十 凡 j 8 - 4 2 ( 2 一 n s ) ( n z 一 n 2 )3 (n ,2 + n 32 )u z (n z + n 3 )2 ( ,2 + ct3 )2 + ( n z + ry2 )zz ( 2 - 4 ) 其中， k 3 是b o lt z m a n n 常数， t 是k e l v i n 温度， 。 ， 、 n i 分别是介质i 的双电 常数和反射 系数。电子基态振动能量h co ， 对于三种介质是相等的。 动态模式测量过程中，探针针尖一般在表面上方几个纳米，除了对于电荷或磁化 表面，在这个距离范德华相互作用占主导。恒力或恒力梯度扫描结果反映的是样品形 貌。由于范德华力与材料有关，因此能够揭示样品表面的化学物理不均匀性。在范德 华力区域扫描成像是非接触的，可以避免损伤探针。 毛细力是指由于毛细现象而产生的相互作用力。其普遍存在于固液、固气接触 面。磁力存在于磁性材料之间。磁性材料有三种分类:抗磁、顺磁和铁磁。抗磁和顺 磁材料，由于热振动，电子自 旋是无取向的，不产生净永久磁矩。然而，铁磁材料 中，称为交换祸合的较强量子效应引起自 旋排列，存在永久磁矩。类似于磁力，可以 应用 m a x w e l l 理论来处理带电针尖与材料带电部分间的相互作用。力显微镜对检测静 电力是很敏感的，因此有许多不同的应用。 对于磁力、静电力、范德华力和毛细力，它们有一个共同的特点，就是都属于长 程力。因此针尖的大部分对力都有贡献。有效针尖通常被近似为半径几百埃的球。而 对于排斥力这样的短程力，有效针尖则更小。为得到真正原子分辨率，针尖的大小应 当 可同 原子尺 度相比 较。 针 尖的 大小 一般在纳米尺度( 5 - 4 0 n m ) ，因 此在原子尺度上， 有几个效应都对图像反差起作用: 1 .泡利和离子排斥:这些力一方面可以阻止针尖穿入样品，另一方面对于由总电 荷密度变化引起的原子波动能够给出简单的解释。 2 .物理、化学吸附:针尖和样品间可能形成键。在一些材料中，这个键将在原子 浙江大学硕士论文 尺度上产生吸引力，从而引起额外的变化。 3 .金属粘附力:当两个金属表面相互接近以至于它们的单个电子云相互重叠，电 子交换能很大时，就产生了与距离呈指数关系的吸引力。 4 .摩擦力:摩擦力的方向平行与表面，有时甚至是相当大的。一些研究表明摩擦 力在原子尺度上也是有变化的。 5 . 弹性:弹性形变对图 像反差的影响也是很大的。已 经有些理论结果表明， a f m 可以 观察到层状材料的定点弹性变化情况。 6 . 塑 性形 变: l a n d m a n 等人 2 0 1 利 用大 量分 子力 学计 算 研究了 不同 几 何形 状 针尖与 样品间的相互作用。结果表面对于一些金属一金属和硅一硅间相互作用，表面有较强 的塑性形变，通常伴有针尖和样品表面几何形状的完全破坏。这些结果显示将一般的 针尖材料应用到特殊样品材料时，是有局限 性的。 粘附问题在技术上很重要，因而人们一直对粘附的基本过程进行研究，同时促进 了接触过程中的粘附研究。两物体间的粘附力强度与它们的体相和表相基本性质有 关。与粘附有关的表面性质包括重组、聚集和表面物质的化学性质。如果表面存在杂 质或缺陷，短时间内的粘附过程就会变得更加复杂。 7 0年代首次完成了平面上的接触 粘附 实 验2 1 2 2 1 。 到 今日 ，己 有 很 多 科学 家 做了 有关 粘附 的 实 验， 得出了 如下 一些 初 步 结论: 1 .假如没有悬臂的不稳定性，针尖一 样品接触过程中在力距离曲线