原子力顯微鏡探針的分類及應用

     原子力顯微鏡是一種具有原子分辨率的表面形貌、電磁性能分析的重要儀器。原子力顯微鏡探針由于應用范圍僅限于原子力顯微鏡，屬于高科技儀器的耗材，應用領域不廣，全世界的使用量也不多。

原子力顯微鏡探針的分類

　　原子力顯微鏡探針基本都是由MEMS技術加工Si或者Si3N4來制備。探針針尖半徑一般為10到幾十nm。微懸臂通常由一個一般100~500μm長和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。典型的硅微懸臂大約100μm長、10μm寬、數微米厚。

　　利用探針與樣品之間各種不同的相互作用的力而開發了各種不同應用領域的顯微鏡，如原子力顯微鏡AFM(范德法力)，靜電力顯微鏡EFM(靜電力)磁力顯微鏡MFM(靜磁力)側向力顯微鏡LFM(探針側向偏轉力)等，因此有對應不同種類顯微鏡的相應探針。

　　原子力顯微鏡的探針主要有以下幾種：

　　1、非接觸/輕敲模式針尖以及接觸模式探針：最常用的產品，分辨率高，使用壽命一般。使用過程中探針不斷磨損，分辨率很容易下降。主要應用與表面形貌觀察。

　　2、導電探針：通過對普通探針鍍10-50納米厚的Pt(以及別的提高鍍層結合力的金屬，如Cr，Ti，Pt和Ir等)得到。導電探針應用于EFM，KFM，SCM等。導電探針分辨率比接觸和輕敲模式的探針差，使用時導電鍍層容易脫落，導電性難以長期保持。導電針尖的新產品有碳納米管針尖，金剛石鍍層針尖，全金剛石針尖，全金屬絲針尖，這些新技術克服了普通導電針尖的短壽命和分辨率不高的缺點。

　　3、磁性探針：應用于MFM，通過在普通接觸和輕敲模式的探針上鍍Co、Fe等鐵磁性層制備，分辨率比普通探針差，使用時導電鍍層容易脫落。

　　4、大長徑比探針：大長徑比針尖是專為測量深的溝槽以及近似鉛垂的側面而設計生產的。特點：不太常用的產品，分辨率很高，使用壽命一般。技術參數：針尖高度>9μm;長徑比5:1;針尖半徑<10nm。

　　5、類金剛石碳原子力顯微鏡探針/全金剛石探針：一種是在硅探針的針尖部分上加一層類金剛石碳膜，另外一種是全金剛石材料制備(價格很高)。這兩種金剛石碳探針具有很大的耐久性，減少了針尖的磨損從而增加了使用壽命。

　　還有生物探針(分子功能化)，力調制探針，壓痕儀探針。

原子力顯微鏡操作模式

　　隨著原子力顯微鏡技術的發展，各種新應用不斷涌現。具體包括如下技術:

　　①接觸模式：最早的模式，探針和樣品直接接觸，探針容易磨損，因此要求探針較軟，即懸臂的彈性系數小，一般小于1N/m。

　　②輕敲模式：探針在外力驅動下共振，探針部分振動位置進入力曲線的排斥區，因此探針間隙性的接觸樣品表面。探針要求很高的懸臂彈性系數來避免與樣品表面的微層水膜咬死。輕敲模式對樣品作用力小，對軟樣品特別有利于提高分辨率。同時探針的壽命也較接觸模式的稍長。

　　以上是最常用的原子力顯微鏡模式，別的模式還有很多，如：

　　橫向力顯微鏡：檢測樣品表面微區對探針橫向的摩擦力，可以獲得材料的力學性能)。

　　非接觸模式顯微鏡：與輕敲模式基本相同，區別是非接觸模式探針工作在力曲線的吸引區)。

　　力調制顯微鏡：探針對檢測樣品表面微區有很大的力，可以獲得材料微區的彈性系數等力學性能。

原子力顯微鏡探針的作用

　　原子力顯微鏡用一個微小的探針來“摸索”微觀世界，它超越了光和電子波長對顯微鏡分辨率的限制，在立體三維上觀察物質的形貌，并能獲得探針與樣品相互作用的信息。原子力顯微鏡具有分辨率高、操作容易、樣品準備簡單、操作環境不受限制、分辨率高等優點。

　　因此，原子力顯微鏡正在迅速應用于科學研究的許多領域，并且取得了許多重大的科研成果。而作為影響原子力顯微鏡測量的重要因素之一探針，卻魚目混珠、良莠不齊、品牌種類繁多，對科研工作者造成一定的困擾。同時，儀器操作者往往非專業人員，對使用過程中出現的一些異常情況束手無策。