1、SPM(扫描式探针显微镜 )一般用语 SPM(扫描式探针显微镜； Scanning Probe Microscope) 于试料表面以微小探针扫描，探针与试料间相互作用的物理量 (穿隧电流、原子间力、摩擦力、磁力力等 )检测，对于微小领域的表面形状检测及物性分析等行为的总称。 主要代表 SPM 的有 STM(扫描式穿隧电流显微镜 )、 AFM(原子力显微镜 )等。 STM(扫描式穿隧电流显微镜； Scanning Tunneling Microscope) 使用导电性探针与试料间微小电流的利用，对探针与试料间的距离扫描控 制，以分析试料表面形状，获得原子级图像的 SPM。 使用测定试料必须为导电
2、性材质。 AFM(原子力显微镜； Atomic Force Microscope) 于挠性微悬臂先端的探针与试料表面微小作用力的接触，控制微悬臂的受力值，对探针与试料间的距离扫描控制，以分析试料表面形状，获得原子级图像的 SPM 表面形状。 另外可区分为接触式 (DC mode) 与非接触式 (AC mode) 二种类型的 AFM。 使用测定试料可为导电性材质或绝缘体，亦可探测试料表面物性 (摩擦力粘弹性表面电位等 )的应用。 LFM(侧 向摩擦力显微术； Lateral Force Microscopy) 接触式 AFM 模式下可探测试料的摩擦力分布， LFM 属于 SPM 的探测方式之一。
3、 针对试料的 Y 轴方向侧振动，此时探针连杆产生的扭转角度讯号可求得摩擦力分布的图像。 试料面的凹凸对连杆扭曲的形状影响较小。 FFM(摩擦力显微术； Friction Force Microscopy) 接触式 AFM 模式下可探测试料的摩擦力分布， FFM 属于 SPM 的探测方式之一。 主要根据探针连杆扭转方向变化 (扭转角度范围的设定值为 -90 至 90 )，此时产生的扭转角度讯号 (FFM 讯号 ) 可求得摩擦力分布的图像。 主要应用于无法试料表面形状判别的材质性问题，如参杂物分布的状况调查。 FFM 讯号的正负及强度是由连杆扭转方向变化决定，而且试料面的凹凸部分也会影响连杆扭曲的
4、形状。 相位模式 (相位测定； Phase Mode) SPM的测定模式的一种，在非接触式的 AFM模式下，利用相位的变化差异测定表面物性的方式。 主要应用于试料表面，由于吸着力与粘弹性等特性造成探针挠性连杆振动的位相变化，使用相位模式探测可得到较佳的影像，且可与表面形状同时测定。 带 电的试料、柔软的试料，且其吸着力强时，使用相位模式的探测较有利。 VE-AFM(微粘弹性测定 -原子力显微镜； Viscoelastic AFM) 非触式 AFM模式探测与试料与 VE-AFM为不同的作业方式、 VE-AFM属于 SPM的探测方式之一。 方法为于试料 Z 方向施与微小周期性振动、使探针连杆产生挠
5、性的振幅变化、且振幅分解为 sin . cos 成分、求得微粘弹性力分布的图像。 SMM(表面电位显微镜： Scanning Maxwell-stress Microscope) 表面电位分布的测定、属于 SPM的探测方式之一。 探针尖端与试料间产生电场作用、此时的静电力与探针振动发生交互作用、此状况下可求得试料微小区域的表面电位微分布的图像。 KFM(表面电位显微镜： Kelvin Probe Force Microscope) 非触式 AFM 模式探测下表面电位分布的测定、属于 SPM 的探测方式之一。探针尖端与试料间产生电场作用、此时的静电力与探针振动发生交互作用、此状况下可求得试料微小
6、区域的表面电位微分布的图像。适用于导电性试料、半导体试料、薄型绝缘膜等表面电位的探测。 MFM(磁力显微镜： Magnetic Force Microscope) 磁性包覆探针与试料间磁力的作用测量 (磁力测定、试料表面的磁场分布图像 )属于 SPM的探测方式之一。 使用于硬盘磁力记录器状态的观察或也可使用于磁性材料扇区的分布观察。 AFM/电流同时测定 (AFM/Current Imaging) AFM 测定时于探针与试料间给予任意的偏压以量测电流值、可观察试料表面的电流图像。 使用于导电性的 cantilever 量测。 亦可使用于导电后表面氧化之试料加工。 AFM/CITS(AFM/Cu
7、rrent Imaging Tunneling Spectroscopy) 使用 AFM 量测时亦可针对试料表面各点之 I/V曲线的测定。属于 AFM/电流同时测定的扩充机能、导电性的 cantilever 量测。任意的偏压等级产生的电流图像。 STM/CITS(STM/Current Imaging Tunneling Spectroscopy) 使用 STM 量测时亦可针对试料表面各点之 I/V 曲线的测定。属于 STM/电流同时测定的扩充机能、导电性的 cantilever 量测。可表示任意的偏压等级电流图像。 EC-AFM(电化学扫描式显微镜： Electrochemical AFM)
8、 电解溶液中电化学反应的控制应用、同时观察 AFM的成像。 EC-STM(电化学扫描式显微镜： Electrochemical STM) 电解溶液中电化学反应的控制应用、同时观察 STM 的成像。 STM的探针需为导电性材质。 SNOM(扫描式近接场光学显微镜： Scanning Near Field Optical Microscope) 于试料表面使用光学量测方式之 SPM 总称。 探针与试料间约 100nm 以下近距离扫描，且同时传递各种光学讯息例如光波的偏振性、相位、 波长及萤光性等来作为光学显微影像的对比。工作距离之回馈方式常用的雷射光回馈，藉由雷射光聚焦在光纤振荡上所产生光偏折，透
9、由位移传感器量知光纤振荡振幅变化；近场光学显微术是将光纤探针与近年来新兴的扫描探针显微术相结合，除了可获得高分辨率的表面粗糙度影像外，同时亦可藉由光纤探针来接收或传送光学讯号而得到光学影像，此乃光学检测技术之一大突破。 向量式扫描仪 (Vector Scan) 扫描仪于平面上可以任意的向量移动、适用试料表面的加工处理等功能。 穿遂电流 (STM) STM 的量测原理为于探针与试料间距离 于 1nm 以内且施加偏压的状态下、 由于探针偏压的极性、试料表面电子将通过 1nm 间隙到达探针、而产生的电流就是所谓的穿遂电流。 由于穿遂电流与距离关系位一指数函数、而探针与试料间的距离变化约 0.10.2
10、nm 之间、因此穿遂电流的变化。换言之、如果可控制 1/10 的变动的话、则两者间的距离则可达 0.01nm 的精度。 (扫描仪 )Scanner 使用压电材料作为探针扫描的机构以观察试料表面。 一般使用 PZT为压电材料。 (管型扫描仪 ) Scanner 管型扫描仪的优点为结构简单、但对于大平面扫描 时会产生数 nm数十 nm 歪斜产生。 此歪斜于测定资料时将使用补正程序使之缓和。 压电材料 电压材料的特性为当改变给予电压时材料的形状亦改变 (反之易然 )、且可有高频的响应、应用层面极广。 PZT( (Pb(Zr,Ti)O3) 属于电压材料的一种。应用于 SPM的扫描机构致动器。 PZT的
11、电压分辨率约为 0.1数 nm/V 的程度、使用于型变小的工具上。此外、低电压亦可有大的变形量、板状压电材料的利用如震动器、薄型加工的压电材料将电极交互积层成一体与积层型 (伸缩方向 )等的构造研发中。 粗动机构 就 SPM 而言、为达到探针与试料间的距离调整、 Z 方向的动作调整机构。使用步进马达控制。高速与低速 2 种。 微动机构 就 SPM 而言、为达到探针与试料间的距离调整机构。一般为压电材料组立成的简单机构。 探测 SPM 试料表面扫描的探测总称。 悬臂粱 连接探针头与挟持片本体的挠性悬臂粱亦为探测时主要运动的机构。 探针 直接与试料表面接触的针头直约为一个至数十个原子的尖端亦可使用
12、奈米碳管制作。 光杠杆方式 悬臂粱背面受雷射光的照射而反射光产生位置变化及放大作用的统称 (光路的变化 )再利用光检出器检出位 移量获得变动讯号、如悬臂粱的挠曲 (可获得 DIF 讯号 )与扭曲 (可获得 FFM 讯号 )。 雷射光 以光杠杆型式探测的 SPM 机构。 大部分使用半导体雷射光源。波长 660 685nm 的半导体雷射光源。 光检出器 受光面接受入射的光量再以比例产生电压输出的功能。 就 SPM而言、光检出器接受雷射光分为四个领域 (A,B,C,D) 的检出、各领域的检出光量经过比较后可获得悬臂粱的位移变化。 ADD讯号 光检出器接受雷射光量所对应输出的讯号。 DIF 讯号 悬臂
13、粱上下方向震动时 (振幅的改变 )产生的信号。藉 由光检出器四个领域所接受的雷射光量经过差分计算的信号 ( (A+B)-(C+D)。 FFM讯号 悬臂粱横方向扭曲变位产生的信号。藉由光检出器四个领域所接受的雷射光量经过差分计算的信号 ( (A+C)-(B+D)。 力曲线 (接触式 ) 探针与试料间活动距离的上下限设定点、探针与试料间的距离与悬臂粱挠曲量的关系所对应的曲线。 AFM 测定模式下、可同时测定探针受到的引力与吸着力、可探测试料的硬度等及相互作用力。 AFM 的力曲线测定是、探针与试料间数 nm数十 nm 近距离内受力过程、首先为引力的作用其次为斥 力的作用。 接着探针压到试料表面上、悬臂粱弯曲后离开试料表面、再受吸着力的作用。 再回到水平位置的受力变化过程。 力曲线 (非接触式 ) 探针与试料间活动距离的上下限设定点、探针与试料间的距离与悬臂粱振幅衰减量所对应的曲线。 AFM 非接触式的测定模式下、可同时测定探针受到的引力与吸着力。 AFM 的非接触式力曲线测定是、探针与试料间数 nm数十 nm 近距离内以悬臂粱振动振幅探测原子间力的相互作用过程。 探针越接近试料表面时振幅衰减量大。 如此可求得受力变化过程。
