第七章 原子力显微镜

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1、第七章 原子力显微镜电子探针分析之二一.引言 由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构 ，对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微 镜的这一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台 原子力显微镜（AFM）。原子力显微镜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，针尖与样品的表面轻轻接触，由于 针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力（斥力10 -810-6N或范德瓦尔斯力），通过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

2、直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法和 隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化 ，从而可以获得样品的表面形貌信息。二. 特点：1.AFM（Atomic Force Microscope）是以STM为基础，和STM 为类似技术的扫描探针显微镜，它是通过研究样品表面与 针尖原子间的作用力同距离的关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。 2.它不象STM使用金属探针，而是使用一个尖端附有探针的 极灵敏的弹簧臂来作力敏元件，称之为微悬臂。当微悬臂 接近样品表面时，探针和样品表面原子力将产生相互作用 。 3.当距样品较远时（0.2nm10nm），主要是范德瓦尔斯力 （Van Der

3、Waals Force，简称VDW）起作用； 4.距离较近时主要是排斥力起作用。排斥力的大小取决于针 尖与样品表面的原子的接近程度。原子间范德瓦尔斯力和距离的关系三. AFM 的结构及工作原理在AFM工作时，探针尖端的原子同样品表面的原子将 产生相互作用，该相互作用使微悬臂发生形变或使其运 动发生变化，这一变化可使用电学或光学的办法探测出 来，变化的大小反映相互作用的大小。（一）隧道电流法检测的原子力显微镜图6-1为使用隧道电流检测的原子力显微镜结构原理 示意图。1. 结构组成主要由探头、扫描装置、计算机及显示终端等几部分 组成。 （1）探头：包括微悬臂、隧道电流探针、样品室、机械调 整装置和

4、压电陶瓷管等。 （2）扫描装置：一般有两种扫描方式，一种为恒流模式； 另一种为恒高模式。 （3）计算机处理及显示终端。2.原子力显微镜的工作原理v 当微悬臂上的探针在样品表面X和Y方向作相对扫描时， 因为样品表面是凹凸不平的，探针与样品表面的原子间的相 互作用力也随之发生变化，导致探针和微悬臂一起上下起伏 ，微悬臂的起伏与样品表面原子力等位面相对应，亦即和样 品表面的形貌相对应。对于恒高模式，在微悬臂上下起伏的 过程中，隧道电流针尖与微悬臂之间的隧道电流随之变化， 检测此隧道电流即获得样品表面的形貌信息。对于恒流模式 ，在微悬臂上下起伏的过程中，隧道电流针尖随之也 上下 起伏，检测此隧道电流针

5、尖在Z方向的移动，即获得样品表 面的形貌信息。将这些信息进行模数转换并送入计算机进行 处理，即可获得样品表面的超微结构图象或原子分布图。（二）光学偏转法检测的原子力显微镜1.结构原理图：右图为激光偏 转检测法示意图 ，其结构组成分 为三个部分：力 检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。微悬臂通常由一 个一般100500m 长和大约500nm 5m厚的硅片或氮化 硅片制成。 1.1 力检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原 子与原子之间的斥力或范德华力。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。微悬臂 通常由一个一般 100500m 长和

6、大约 500nm5m 厚的 硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检 测样品针尖间的相互作用力。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。右图是一典型的 AFM悬臂和针尖1.2 位置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 激光照射在微悬臂的末端时，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。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

7、器作信号处理。右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到 样品表面的不同信息。1.3 反馈系统在原子力显微镜（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一定的作用力 。2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二

8、象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。 三.AFM 操作模式1.接触式 (contact mode) 2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式）3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 4.相移模式将一个对

9、微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，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（10-810-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是 通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）-（ C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电子 控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描器 在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距离

10、，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定， 也就是使探针样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下 ，记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描 得到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。1.接触模式恒力模式：在恒力模式中，反馈系统控制压电陶瓷管，保 持探针同样品作用力不变；恒力模式不但可以用来测量表 面起伏比较大的样品，也可以在原子水平上观测样品。 恒高模式：在恒高模式下，保持探针同样品的距离不变。 恒高模式一般只用来观测比较平坦的样品表面。2.AFM的非接触模式在这种工作模式下，AFM微悬臂工作在距离样品较远的 地方，一般为，在这样远的距离上二者没有电子云重叠发生 ，此时主要是

11、VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均较小， 所以要采用谐振的办法来检测，即将微悬臂安装在一个压电 陶瓷片上使微悬臂在其谐振频率上振动，当微悬臂上的针尖 在样品表面上作相对扫描时，VDW发生改变，VDW的改变使微 悬臂的运动发生变化，产生“相移”或振幅改变，测得这个 “相移”或振幅改变即可获得VDW梯度，积分后可得VDW。 VDW随着微悬臂上针尖和样品之间的相对运动而变化，将这 种VDW的变化转换为形貌即得样品表面的超微结构或原子分 布图象。 3.轻敲模式用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的 最低机械共振频率（50kHz）。由于探针的振动频率接近其共振频率， 因此它

12、能对驱动信号起放大作用。当把这种受迫振动的探针调节到样品表 面时（通常220nm），探针与样品表面之间会产生微弱的吸引力。这种 吸引力会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大，探针 尖端的振幅减少。这种振幅的变化可以用激光检测法探测出来，据此可推 出样品表面的起伏变化。当探针经过表面隆起部位时，这些地方吸引力最强，其振幅变小；而 经过表面凹陷处时，其振幅增大，反馈装置根据探针尖端振动情况的变化 而改变加在Z轴压电陶瓷上的电压，从而使振幅（也就是使探针与样品表 面的间距）保持恒定。同STM和接触模式AFM一样，用Z驱动电压的变化来 表征样品表面的起伏图像。在该模式下，扫描成像时针尖对

13、样品进行“敲击”，两者间只有瞬间 接触，克服了传统接触模式下因针尖被拖过样品而受到摩擦力、粘附力、 静电力等的影响，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点，适合 于柔软或吸附样品的检测，特别适合检测有生命的生物样品。4 相移模式作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相移模式是通过检 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、粘 弹性质等。因此利用相移模 式，可以在纳米尺度上获得 样品表面局域性质的丰富信 息。迄今相移模式已成为原 子力显微镜的一种重要检测 技术。例：云母表面的AFM像扫描范围：

14、 5nm5nm X方向扫描速度为 30Hz云母表面结构图光盘表面的AFM图扫描范围3.2um3.2um, X方向的扫描速度30Hz原子搬运扫描范围：47nm24nm红细胞的原子力显微镜形貌图1.磁力显微镜（MFM）磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy,MFM） 也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品表面，所不同 的是这种探针是沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探 针。当这一振动探针接近一块磁性样品时，探针尖端就 会像一个条状磁铁的北极和南极那样，与样品中磁畴相 互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而 改变其振幅。这样检测探针尖端的运动，就可以进而得 到样品表面的

15、磁特性。几种其它扫描探针显微镜下图为使用MFM观察得到的磁光盘表面的磁数据位的磁结构 （凹坑伏）。2.静电力显微镜（EFM）在静电力显微镜（Electron Force Microscopy, EFM）中，针尖和样品起到一个平 行的板极电容器中两块极板的作用。当其在样品 表面扫描时，其振动的振幅受到样品中电荷产生 的静电力的影响。利用这一现象，就可以通过扫 描时获得的静电力图象来研究样品的表面信息。 下图为2.5mX2.5m的蓝宝石表面EFM图象，其 中左面一幅图象用排斥力获得，右面一幅图用吸 引的静电力获得。3.弹道电子发射显微术（BEEM）弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的 基础上发展

16、起来的，它所用的样品是由金属/半 导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结 。当针尖被调节到接近异质结表面时通过真空隧 道效应，针尖向金属/半导体发射弹道电子。通 过观察针尖扫描时各点的基极-收集极电流Ic和Z 电压Vz，可以直接得到表面下界面结构的三维图 象和表面形貌。右图为Au/GaAs(100)肖特基势垒 结构的STM形貌象（上）和BEEM象（下），二者 是同时采集的。4.扫描离子电导显微镜（SICM）扫描离子电导显微镜是由Hansma等人设计的一种用 于生物学和电生理学研究的微观探测仪器。它是将一个 充满电解液的微型滴管当作探针，非导电样品放在一个 电解液存储池底部，将滴管探针调节到样品表面附近， 监测电解液电极和存储池中另一电极之间的电导变化。 当微型滴管接近表面时，允许离子流过的空间减少，离 子电导也随之减小。在滴管探针（或样品）横向扫描时 ，通过反馈控制电路使探针（或样品）上下移动以保持 电导守恒，则探针运动的轨迹代表了样品的表面形貌。5.扫描热显微镜扫描热显微镜用于探测样品表面的热量散失，可