AFM原理及应用

1、AFM(原子力显微镜)目录：目录： AFM基本原理基本原理 AFM设备介绍设备介绍 试验试验方法方法 应用实例应用实例AFM基本原理一、AFM概述 原子力显微镜（Atomic Force Microscope）即AFM。它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）即STM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；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。AFM基本原

2、理 AFM是由G.Binning（IBM苏黎士研究实验室）在STM的基础上于1986年发明的表面观测仪器。AFM与STM相比，能观测非导电样品。AFM基本原理二、工作基本原理 当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。 将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个微小的针尖，当针尖在样品表面扫描时，探针-样品表面间存在极微弱的排斥力，引起微悬臂的变形；激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他

3、表面形貌。AFM基本原理探针与样品表面之间作用力与距离有关如右图，当两者靠得很近时，原子之间电子云斥力大于原子核与电子云之间的吸引力，此时合力表现为斥力，反之表现为吸引作用。AFM设备介绍 AFM（原子力显微镜）的硬件结构主要包括力检测系统、位置检测部分和反馈系统。AFM设备介绍 力检测系统：在AFM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来检测原子之间力的变化量。微小悬臂有一定的规格，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。AFM设备介绍 位置检测部分：AFM系统中，当针尖与样品之间有

4、了交互作用之后，会使得悬臂摆动。所以当激光照射在悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。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信号，以供SPM控制器作信号处理。AFM设备介绍 反馈系统：在AFM系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中将此信号当做反馈信号，作为内部调整的信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的三秒器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。AFM设备介绍 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AFM系统中，使用微小悬臂来感测针尖 与样品之间的额交互作用，这种作用力会使微悬梁摆动，再利用激光将

5、光照射在微悬梁的末端，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。实验方法 AFM工作模式： 接触式（contact） 非接触式（non-contact） 轻敲式（tapping）实验方法 接触式（contact） 利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。由于排斥力对距离非常敏感，所以较易

6、得到原子分辨率。实验方法 非接触式（non-contact） 为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。在空气中由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。实验方法 轻敲式（tapping） 将非接触式AFM 改良，将探针和样品表面距离拉近，增大振福，使探针再振荡至波谷时接触样品由于样品的表面高低起伏，使的振幅改变，再利用接触式的回馈控制方式，便能取得高度影像。分辨率界于

7、接触式和非接触式之间，破坏样品之机率大为降低，且不受横向力的干扰。不过对很硬的样品而言，针尖仍可能受损。实验方法模式模式优点优点缺点缺点备注备注Contact扫描速度快，在AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品更适用在空气中横向力影响图像质量，针尖会损坏软质样品耗材，损耗率很高Non-contact对样品表面无损伤扫描速度低，向分辨率低，仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄耗材，损耗率较上大幅降低Tapping消除了横向力的影响，降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎或胶粘性样品，不会损伤其表面比Contact Mode AFM的扫面速度慢中和上述两款产品的优先，产品综合水平得

8、到大幅提升实验方法 横向力显微镜（LFM）； 相移模式(相位移模式)； 导电原子力显微镜（C-AFM）； 曲线测量； 纳米加工（Nanolithography）。AFM其他模式应用实例 导体半导体绝缘体表面的高分辨成像 生物样品有机膜的高分辨成像 表面化学反应研究 纳米加工与操纵 超高密度信息存储 分子间力和表面力研究 摩擦学及各种力学研究 在线检测和质量控制应用实例应用实例随着衬底N化时间的增加（40s400s），GaN外延层的表面均方根粗糙度（RMS）逐渐减小（3.3651.475）；而N化时间为400s时，GaN外延层表面和其他的相比，表面更加均匀一致，并且具有最小的晶粒尺寸，峰谷值为4

9、.247nm。应用实例AFM的优点 原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。能够提供各种类型样品的表面状态信息；与常规显微镜比较，在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要经其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图像。并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。 应用范围广：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。 软件处理功能强：其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析