第七章 原子力显微镜分析

①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。 ②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。
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。
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。
（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100～500μm 长和大约500nm～ 5μm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 100～500μm 长和大约 500nm～5μm 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
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。
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 2.5μmX2.5μm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。
例：云母表面的AFM像
云母表面结构图
扫描范围： 5nm×5nm X方向扫描速度为 30Hz
光盘表面的AFM图
扫描范围3.2um×3.2um, X方向的扫描速度30Hz
原子搬运
扫描范围：47nm×24nm
红细胞的原子力显微镜形貌图
几种其它扫描探针显微镜
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 到样品表面的磁特性。
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，可测 出样品表面温度在几十微米尺度上小于万分之一度的变 化。扫描热显微镜的探针是一根表面覆盖有镍层的钨丝， 镍层与钨丝之间是绝缘体，在尖端二者相连，这一钨/ 镍接点起热电偶的作用。探针稳定到样品表面后，向结 点通直流电加热，针尖的温度稳定下来时要比周围环境 温度高。由于样品是固体，导热性能比空气好，所以当 加热后的针尖向样品表面靠近时，针尖的热量向样品流 失使针尖的温度下降。通过反馈回路调节针尖与样品间 距，从而控制恒温扫描，和获得样品表面起伏的状况。 右图为用扫描热显微镜获得的在玻璃基底上的红细胞表 面轮廓。
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。
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。
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2～20nm），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。
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
1.接触模式
将一个对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（10-8～10-6N），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，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。
电子探针分析之二
第七章
原子力显微镜
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10-8～10-6N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。