1、原子力显微镜,3.1 原子力显微镜简介,1. 原子力显微镜的发明和扫描力显微镜的发展,2. 原子力显微镜的基本工作原理,立式AFM ( Hansma等, 1988 ),原子力显微镜后来又经过多次改进，现代的AFM不仅有原子级的分辨率(纵向0.01nm，横向0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小，基本不划伤试件，能测量软质试件，而且具有多项新的测量功能,3. 原子力显微镜的总体结构组成,3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式,1. AFM检测的要求,探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子)间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附
2、力、毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力(非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作用。,2. 作用力的检测模式,1) 恒力测量模式；2) 测量微悬臂形变量的测量模式； 3) 恒力梯度测量模式：1(kF )1/2 4) 力梯度测量模式。（Q 值通常指谐振器的品质因数. 一个较高的Q值可以使器件对外部阻尼运动非常敏感）,AFM的三种扫描成像模式,3. AFM检测时的扫描成像模式,AFM检测试件表面微观形貌时，现在采用三种不同的扫描成像模式：1)接触扫描成像模式(contact mode)，2)非接触扫描成像模式或抬高扫
3、描成像模式(non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式(tapping mode),1）接触扫描成像模式,该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑力大小在1081011 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像，有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下：（1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。（2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧化层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹，或
4、粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。（3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。,2）非接触扫描成像模式,非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖试件间距离大致在520 nm。 非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。,AFM轻敲扫描针尖振荡示意图,3）轻敲扫描成像模式,3.3 探针与试件间的作用力,1. 探针与试件间的各种作用力,1）各种长程力和短程力,探
5、针试件间距离在10 m左右时，空气阻尼力探针试件间距离在1001000nm时，主要静电力和磁力相互作用探针试件间距离在10100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力针尖试件距离到达10 nm左右时 ，原子(分子、离子)间吸引的范德华力针尖试件间距离小到1 nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用,2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力,3）AFM测量时利用的相互作用力,在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力；在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力,4）针尖试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜,针尖试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)；针尖试件
6、间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场的电势的静电力显微镜(EFM)；探针试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜(FFM)；,2. AFM工作时针尖试件间的相互作用力,石墨H位上的两种电荷密度分布,1）相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力 （1）原子间的排斥力 原子（分子）间的排斥力是由于原子外面的电子云相互排斥而产生的，原子间的排斥力是很强的，在AFM测量时排斥力在1081011N数量级，是短程的相互作用力，作用距离在1010m，随距离增加排斥力迅速衰减。,（2）原子间的相互吸引力 原子(分子)间相互吸引的范德华力, 是原子或分子靠近时产生相互极化而产生的微弱引
7、力。属长程力，作用距离可达108 m以上。,范德华力，由三部分组成：(1) 偶极偶极相互作用力，即两个偶极子之间的作用力；(2) 偶极感应偶极间的相互作用力,同被它感应的偶极子间的相 互作用力；(3) 色散力，它存于中性的原子或分子间。这些中性的原子或分 子的时间平均偶极矩为零，但是由于电子不断围绕原子核运 动，在某一瞬间可能产生一定的偶极矩，使得中性原子或分 子之间产生瞬时间偶极矩作用，从而产生了色散力。,Fv =,Hamaker常数A是决定范德华作用能大小的关键性参数,2）针尖试件原子间作用力和距离的关系,3）针尖和试件“接触”的概念,当两物体逐渐接近到二者之间的相互作用合力为零的临界点时
8、，这两物体被认为开始接触。即两物体之间相互作用的合力是排斥力时，这两物体是被认为相互接触的; 两物体之间相互作用的合力是吸引力时，这两物体是被认为相互不接触的。,4）AFM的接触测量和不接触测量,不易用于测量,3. 悬臂针尖试件相互作用的动力学分析,1）针尖试件相互作用的势能,r两原子间距离两原子间作用能的系数在u (r)= 0时的两原子间距离,针尖试件间距离为z的总势能,系统的总能量uT ，应是针尖试件相互作用能与悬臂弯曲势能之和,3.4 毛细力和AFM在液体中测量,1. 试件表面的吸附层,2. 毛细力及其对AFM测量的影响,在R = 50100 nm，相对湿度在4080时，毛细力大约在几十
9、nN数量级。,3. 液体中针尖试件间的相互作用力,探针和试件都浸入液体内进行测量时，可以完全消除毛细现象，因此可不受毛细力的干扰，使测量时的作用力大大减小，而且可以：1)检测软质试件；2)可以观察检测活的生物细胞；3)可以观察研究“固液界面” 。,现在还不能完全控制AFM在液体中不同条件时的针尖试件间的相互作用力，作用机理也不完全清楚。但AFM在液体中测量，因消除了毛细力，可以使针尖试件间的作用力，比在真空中测量降低两个数量级。这对检测柔软生物细胞，低弹性模数的软质材料极为重要。,4. 在液体中AFM的检测,水下Au111)的AFM图像(Manne,1990)原子分辨率的起伏幅度约1 。,DN
10、A的AFM图像(Digital Instruments),3. 5 影响AFM测量精度的若干问题分析,1. 探针作用力引起的试件表面变形,2. 微悬臂对测量结果的影响,1)在AFM采用接触测量时，ki 0，实测高度z将小于试件表面真实的起伏。2)在AFM采用恒力测量模式时，针尖一试件间的相互作用力需保持不变。当检测中作用力发生变化kih时，反馈系统通过改变z,使悬臂的变形力产生变化, 而达到平衡 ：kc (z h) = ki h,3)在AFM测量时, 针尖的预置力越大，纵向测量结果的放大作用也越大，即纵向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。4) AFM测量结果的纵向放大量（畸
11、变）和微悬臂的刚度有关。在采用等间隙测量模式时，从式中可看，采用刚度kc较低的微悬臂较为有利，可以减小纵向测量误差。但如采用恒力测量模式时，从式(4-22)看，为减小纵向测量误差, 应采用刚度较高的微悬臂，和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。因此可知，微悬臂刚度的选择和AFM的测量模式有关。,故在恒力测量模式时，测出的试件廓形高低, 大于真实的高低，即测量结果在垂直方向有放大作用，造成测量廓形的误差,3. 探针尖曲率半径对测量结果的影响,4. 试件表面廓形高低起伏不平对测量结果的影响,1) 纯几何的测量误差, 即针尖和试件表面接触点改变，造成的测量误差。；2) 针尖试件间的横向作用力, 使探针弯
12、曲, 造成测量误差。3) 针尖试件间作用力和距离变化的非线性，造成测量误差。,纯几何的测量误差,作用力倾斜引起的测量误差 作用力非线性引起的测量误差,3.6 AFM的微悬臂和针尖,1. 对微悬臂和针尖性能的要求,针尖尖锐程度, 直接决定AFM测量的横向分辨率。理想针尖的尖端是单原子，现在的商品针尖端曲率半径在10050 nm，正努力希望能达到曲率半径R = 10 nm或更小。 微悬臂应该对垂直于试件表面, 作用于针尖的Z向微弱力极为敏感，应该可以检测到几nN力的变化，因此微悬臂在Z向的弹簧常数k必须很小。 在扫描过程中, 针尖受摩擦力和横向力作用，因此要求悬臂有很高的横向刚度以减少测量误差。
13、微悬臂的自振频率须足够高，以便在扫描检测时, 针尖能跟踪试件表面的起伏。在典型测量中，扫描时轮廓起伏信号的频率可以达到几kH, 因此微悬臂的固有频率必须高于10 kHz,这样才能测出正确的试件表面微观形貌。 由于微悬臂Z向弹簧常数k很小，要求的自振频率又较高，这决定了微悬臂的尺寸（长度），必须很小，常用100m量级，质量也必须很小，应小于1 mg。,2. 微悬臂和针尖的结构形式,粘结针尖的矩形薄片微悬臂用金属丝制成的微悬臂和针尖V形薄片微悬臂带金字塔形针尖的一体化的V形薄片微悬臂,V形薄片微悬臂(C.Quate) (137 m100 m),a)玻璃基板带4个微悬臂 b)单个带针尖的V形微悬臂
14、c)金字塔形针尖 (1.75 mm1.30 mm) (142 m105 m) (4.2 m3.2 m)带金字塔形针尖的Si3N4一体化V形薄片微悬臂(C.Quate),5) 带圆锥形针尖的一体化的V形薄片微悬臂,带圆锥针尖V形SiO2微悬臂制造过程,带针尖的微悬臂(50 m36 m) 圆锥形针尖(6.25 m4.5 m)带圆锥形针尖的SiO2一体化V形薄片微悬臂(C.Quate),6) 粘晶须针尖的微悬臂,7) 碳纳米管针尖的微悬臂,a) 硅针尖加碳纳米管 b)局部放大 c)尖端放大AFM的碳纳米管探针尖(H.Dai),3. 微悬臂的力学性能分析,1) 对微悬臂的力学性能要求,要求它能高灵敏度
15、地检测出在针尖上的作用力，并将此作用力转化成能测量的微悬臂形变或位置偏移。 为使针尖扫描时能随迅速变化起伏的试件表面廓形上下，微悬臂必须有足够高的自振频率。,2) 矩形薄片微悬臂的力学计算,悬臂梁自由端最大挠度z1,悬臂梁的弹簧常数k,悬臂梁的固有频率1,me = 0.24 md + mc,3) 圆柱形细丝微悬臂的力学计算,4) 若干AFM的微悬臂的物理力学性能,10,10,10,10,10,10,10,3. 7 AFM针尖作用力和悬臂变形位移的测量,1. 对检测针尖作用力和微悬臂位移变形量的要求,通过测量受力后微悬臂的变形位移, 而获得作用力的变化信息； 使用力调制技术测出力梯度的变化，因为
16、梯度变化使调制信的频率和相位产生变化，从而 获得作用力的变化信息。现在第一类方法，因测量操作要简单些，用得较多； 微悬臂使用力敏材料制造, 微悬臂受力后变形产生电阻变化，从电阻变化量而测出微悬臂的受力变形量； 微悬臂制成交指型，针尖受力微悬臂变形偏转，从微悬臂反射的光束将产生多级衍射条纹，从而测出微悬臂的受力变形量。这方法不仅测量分辨率甚高，而且可以在AFM采用多微悬臂平行阵列时的测量。,2. 隧道电流测量法检测针尖和微悬臂位移,这测量方法的垂直分辨率甚高，达到10-2 nm； 影响因素较多。,3. 电容测量法,4. 光干涉测量法,1)悬臂和针尖可以允许一定程度的污染，故比隧道电流检测法更可靠
17、；2)检测系统加在微悬臂上的力极小，可以忽略不计；3)由于光束直径较大，故对微悬臂背面的粗糙度不甚敏感；4)用光学检测法时, 允许微悬臂有较大的形变位移（可以超过100 nm），而隧道电流法检测时，允许的最大位移不到1 nm；5)对微悬臂材料无导电性能要求; 6)检测结果稳定可靠。,激光干涉测量法,5. 激光反射测量法,3.8 微悬臂的激振,1. 微悬臂需要激振的原因,2. 双压电晶片振动驱动器,3. 用双压电晶片驱动微悬臂振动,不同/0比值时的微悬臂振幅,存在F 双压电晶片驱动微悬臂的振动,振动的试件驱动微悬臂振动,振动试件驱动时的振动,力梯度F使微悬臂的共振产生变化,力调制技术检测试件表面硬度变化,云母AFM图像,AFM图像-积层电路,AFM图像-材料缺陷,
