原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope ,AFM),一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定,另一端的微小針尖接近樣品,這時它將與其相互作用,作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時,利用傳感器檢測這些變化,就可獲得作用力分布信息,從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。
它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監控其運動的反饋回路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測,當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時,檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像,一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM測量對樣品無特殊要求,可測量固體表面、吸附體系等。
概括
原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱AFM)利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力,從而達到檢測的目的,具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導體,也可以觀察非導體,從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧于一九八五年所發明的,其目的是為了使非導體也可以采用類似掃描探針顯微鏡(SPM)的觀測方法。原子力顯微鏡(AFM)與掃描隧道顯微鏡(STM)最大的差別在于并非利用電子隧穿效應,而是檢測原子之間的接觸,原子鍵合,范德瓦耳斯力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。
詳細
原子力顯微鏡的基本原理是:將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定,另一端有一微小的針尖,針尖與樣品表面輕輕接觸,由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力,通過在掃描時控制這種力的恒定,帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法,可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化,從而可以獲得樣品表面形貌的信息。我們以激光檢測原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM)來詳細說明其工作原理。
如圖1所示,二極管激光器(Laser Diode)發出的激光束經過光學系統聚焦在微懸臂(Cantilever)背面,并從微懸臂背面反射到由光電二極管構成的光斑位置檢測器(Detector)。在樣品掃描時,由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力,微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏,反射光束也將隨之偏移,因而,通過光電二極管檢測光斑位置的變化,就能獲得被測樣品表面形貌的信息。
在系統檢測成像全過程中,探針和被測樣品間的距離始終保持在納米(10e-9米)量級,距離太大不能獲得樣品表面的信息,距離太小會損傷探針和被測樣品,反饋回路(Feedback)的作用就是在工作過程中,由探針得到探針-樣品相互作用的強度,來改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓,從而使樣品伸縮,調節探針和被測樣品間的距離,反過來控制探針-樣品相互作用的強度,實現反饋控制。因此,反饋控制是本系統的核心工作機制。本系統采用數字反饋控制回路,用戶在控制軟件的參數工具欄通過以參考電流、積分增益和比例增益幾個參數的設置來對該反饋回路的特性進行控制。
在原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)的系統中,可分成三個部分:力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統。
力檢測部分
在原子力顯微鏡(AFM)的系統中,所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統中是使用微小懸臂(cantilever)來檢測原子之間力的變化量。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。微懸臂頂端有一個尖銳針尖,用來檢測樣品-針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規格,例如:長度、寬度、彈性系數以及針尖的形狀,而這些規格的選擇是依照樣品的特性,以及操作模式的不同,而選擇不同類型的探針。
位置檢測部分在原子力顯微鏡(AFM)的系統中,當針尖與樣品之間有了交互作用之后,會使得懸臂cantilever擺動,當激光照射在微懸臂的末端時,其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變,這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉換成電的信號,以供SPM控制器作信號處理。
反饋系統
在原子力顯微鏡(AFM)的系統中,將信號經由激光檢測器取入之后,在反饋系統中會將此信號當作反饋信號,作為內部的調整信號,并驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動,以保持樣品與針尖保持一定的作用力。
總結
AFM系統使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料,當在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時,壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關系。即可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X,Y,Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀,通過控制X,Y方向伸縮達到驅動探針在樣品表面掃描的目的;通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達到控制探針與樣品之間距離的目的。
原子力顯微鏡(AFM)便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現出來的:在原子力顯微鏡(AFM)的系統中,使用微小懸臂(cantilever)來感測針尖與樣品之間的相互作用,這作用力會使微懸臂擺動,再利用激光將光照射在懸臂的末端,當擺動形成時,會使反射光的位置改變而造成偏移量,此時激光檢測器會記錄此偏移量,也會把此時的信號給反饋系統,以利于系統做適當的調整,最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來。