（光学专业论文）原子力显微镜（afm）的几种成像模式研究.pdf

摘要 目前扫描探针显微镜的发展趋势是功能的复合化，根据原子力显微镜( a f m ) 的工作原理，可以开发适用于不同领域的显微镜，即a 阿不同扫描模式的拓展。 本文首先介绍了几种基本的a f m 成像模式，并从针尖一样品相互作用动力学 理论、能耗理论以及a - p z 曲线原理分析了轻敲模式下a f m 的相位成像，讨论了 如何由a - p z ( 振幅一相位针尖至样品距离) 曲线选择扫描振幅的设置参数，扫 描振幅参数的不同选择将直接影响相位图像的好坏，甚至是真假，所以选择一个 好的扫描振幅参数是至关重要的。其次介绍了新型复合显微镜原子力光子扫描 隧道显微镜( a f p s t m ) 的成像模式，并给出了很多具体实验结果，最后还对脉 冲力成像模式( p u l s e df o r c em o d e p f m ) 进行了详细的介绍。 关键词 原子力显微镜( a f m ) 相位成像 扫描振幅参数 原子力光子扫描隧道组合显微镜( a f p s t m ) 脉冲力成像模式( p f m ) a b s t r a c t a g e n e r a lt r e n dt os c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ( s p m ) i sm u l t i p l e f u n c t i o n a l i t i e s a c c o r d i n gt o t h e p r i n c i p l e o fa f m ，m i c r o s c o p e st h a ta r ea p p l i c a b l ef o rv a r i o u s d o m a i n sc a r lb ed e v e l o p e d ，n a m e l yt h ee x t e n d i n go f d i f f b r e n ts c a n n i n gm o d eo f a f m ， s e v e r a le l e m e n t a r yi m a g i n gm o d e so fa f ma r ef i r s ti n t r o d u c e d p h a s ei m a g i n gi n t a p p i n gm o d ea f mu s i n gd y n a m i c st h e o r y , e n e r g yd i s s i p a t i o nt h e o r yi nt i p - s a m p l e i n t e r a c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fa p - zc u r v eh a v eb e e na n a l y z e d ，h o wt os e tt h e s c a n n i n ga m p l i t u d ep a r a m e t e r sb ya - p zc u r v ei s d i s c u s s e d s t a n do rf a l lo fp h a s e i m a g e s i sd e t e r m i n e d b yt h ec h o o s i n g o fs c a n n i n g a n l p l i t u d ep a r a m e t e r s f a l s e p a r a m e t e r sm a yl e a d t of a l s e r e p o r t s o fe x p e r i m e n tr e s u l t si n p h a s ei m a g ea n d c o n s e q u e n t l y t h e i m a g e s a r e u n a u t h e n t i c c h o o s i n g ag o o d s c a n n i n ga m p l i t u d e p a r a m e t e r i s v e r yi m p o r t a n t i n p h a s ei m a g i n g ad e wt y p em u i f i p l em i c r o s c o p e a f p s t m ( a t o m i c f o r c e p h o t o n s c a n n i n g t u n n e lc o m b i n e d m i c r o s c o p e ) i s i n t r o d u c e da n ds o m ee x p e f m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e n a tl a s t ，p u l s e df o r c em o d ei n a f mi si n 仃o d u c e di dd e t a j l k e y w o r d s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) p h a s e i m a g in g s c a n nin ga m pii r u d ep a r a m e t e r s a f p s t m ( a t o m i cf o r c e p h o t o ns e a n n i n gt u n n e lc o m b i n e dm i e r o s c o p e ) p u l s e df o r c em o d e ( p f 耐) 前言 从1 9 8 2 年世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜问世以来， 扫描探针显微镜( s p m ) 在近2 0 多年的时间里有了突飞猛进的发展，在表面科学、 材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景。新型的 显微镜不断出现，如扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、光子扫描 隧道显微镜( p s t m ) 等。其中原子力显微镜( a 刚) 就是非常有广阔应用前景的 一种。 目前扫描探针显微镜的发展趋势是功能的复合化，目前已经有很多种多模式 产品，如“电子隧道近场光学”扫描显微镜( “e t n f 0 ”5 m ) 、“剪切力近场 光学”扫描显微镜( “s f n f 0 ”s m ) ，原子力光子扫描隧道组合显微镜( a f p s t m ) 等。 根据a f m 的工作原理，可以开发适用于不同领域的显微镜。我们可以称它们 为a f m 的某种模式，也可以称它们为某种显微镜，总的来说都是a f m 不同扫描模 式的拓展，区别在于采用不同的探针，利用探针与样品之阁不周的作用模式，以 及工作在不同的接触区域来获取信息。 本文共五章，分别介绍了a f m 的各种成像模式，第一章主要介绍了a f m 的发展、原理、几种最基本的成像模式和功能拓展。第二章到第四章分剐详细的 介绍了a f m 的相位成像模式、a f p p s t m 成像模式、脉冲力成像模式( p f m ) 。 第二章用针尖一样品相互作用动力学理论、能耗理论以及a p z 曲线原理分析了 轻敲模式下a f m 的相位成像，并讨论了如何在相位成像中设置扫描参数。第三 章介绍了一种新型复合显微镜a f p s t m ，并给出了很多具体实验结果。第四章 是作者介绍了原子力显微镜的脉冲力成像模式。第五章是全文的总结与展望。 i 原子力显微镜的几种基本成像模式 原子力显微镜( a f u ) 的几种成像模式研究 1 原子力显微镜的几种基本成像模式 原子力显微镜是扫描探针显微镜家族的一个成员。本章先对扫描探针显微镜 的原理、发展及其应用进行介绍，并对现在发展起来的几种主要的新型扫描探针 显微镜，扫描隧道显微镜、光子扫描隧道显微镜和原子力显微镜进行介绍。最后 介绍了原子力显微镜的几种基本成像模式。 1 1 扫描探针显微镜( s p m ) 的发展 s p m ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ) 是扫描探针显微镜的缩写，利用带有超 细针尖的探针在样品表面扫描从而获得其原子级及微米级的性能特征，探针与样 品表面不同的作用模式就形成不同的探测方式。 s p m 的发展要追溯到1 9 2 8 年的s y n g eeh ，他提出用+ 个比衍射极限小的 孔紧贴物体表面去收集光场信息，并指出这有可能获得比分辨极限高得多的图 像，但由于当时条件与技术所限，这一思想未能得以证实。直到1 9 7 2 年，a s he a 等人才用3 c m 波长的微波进行了演示实验。1 ，获得了z 6 0 的分辨率。 1 9 8 2 年，葛宾尼( g e r db i n n i g ) 和海罗雷尔( h e i n r i c hr o h r e r ) 在i b m 苏黎士研究所研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜 ( s c a n n i n gt u n n e li n gm i c r o s c o p e ，以下简称s t m ) 。它使人类第一次能够实时 地观察原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在 表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前 景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之。1 9 8 6 年，宾尼和罗 雷尔因此被授予诺贝尔物理学奖。 p o h ldw 等人”1 利用s t m 技术首先开始了扫描近场光学显微镜的研究工作。 他们用镀上金属的石英针尖做成探光小孔逼近样品，用金属针尖与样品之间的电 子隧道效应作反馈控制，让针尖在样品表面扫描，得到了近场光学图像。在扫描 近场光学显微镜的研究中取得较大成功的是a t & tb e l l 实验室的b e t z i ge 等人 “，他们在光纤针尖的侧壁镀上金属铝，以进一步减小针尖的光学孔径并提高光 信号的传输效率，在1 9 9 1 年前后，得到了a 2 0 的光学分辨率。1 9 9 2 年，他们又 研制成功了剪切力控制机制的扫描近场光学显微镜“1 ，通过光纤尖与样品表面之 间剪切力随距离变化而发生变化的关系来控制尖与样品表面之间的距离，这种显 微镜成为了s n o m 商品历史中第一个商品化的仪器。 9 0 年代初期，光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 在国际上发展起来，它具有纳米 级三维分辨本领，成为光学显微镜的重大突破。1 9 9 3 年，我国首次研制成功p s t m ， 横向分辨率优于l o n m 。据报道0 1 ，日本的大津元一教授领导的p s t m 研究小组用 锁相放大技术提高了p s t m 实验系统的横向分辨率到2 3 n m 。 以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微 镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，以下简称a m ) 、横向力显微镜( l a t e r a lf o r c e m i c r o s c o p e ，以下简称l f m ) 等。 和其它表面分析技术相比，s p m 具有以下几种独特优点”3 ： l 、原子级高分辨率。如s t m 在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可 达0 i n m 和0 0 1r l m ，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。 ! 堕王查星塑丝塑墨茎苎查些堡坚苎 一 2 、可实时地得到实空间中表面的三维图像可用于具有周期性或不具备周 期性的表面结构。 3 、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性 质。 4 、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它 溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。 5 、配合扫描隧道谱s t s ( s c a n n i n gt u n n e l i n gs p e c t r o s c o p y ) 可以得到有关 表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面 势垒的变化和能隙结构等。 s p m 广泛应用于各种学科，包括基础表面科学、常规表面粗糙度分析以及引 人入胜的三维成像从硅原子到活细胞表面微米量级的凸起。 扫描探针显微镜是动态范围很大的成像工具，跨越光学、电子显微镜两个领 域。它同时具有前所未有的三维分辨度。扫描探针显微镜能够测量某些情况下的 物理特性，如：表面传导性、静电荷分布、局部摩擦、磁场和可分解的模量”1 。 所以说s p m 的应用是非常广泛的。 1 2 扫描隧道显微镜( s t m ) 扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p e ) 是扫描探针显微镜家族的第 一个成员。它是g e r db i n n i g 和h e i n r i c hr o h r e r 于1 9 8 i 年发明的。s t m 是第 个能够在原子分辨尺度上产生表面空间图像的仪器设备。 s t m 的基本原理是利用量子理论中的电子隧道贯穿效应，其核心部件是一个 能在样品表面上扫描、与样品间保持一定偏压、其直径为原子尺度的导电的金属 探针，其分辨率可达到原子级，并对样品无破坏作用。但是它要求样品具有导电 性，这样对祥品是一个很大的限制。 由于电子隧穿的几率与势垒的宽度呈现负指数关系，当针尖与样品的距离非 常接近时，其间的势垒变得很薄，电子云相互重迭，在针尖和样品之间施加一电 压，电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖，形成隧道 电流。通过控制针尖与样品间隧道电流为设置常量进行扫描就可以得到样品表面 的形貌信息，见图l l 。隧道电流取决于探针尖与样品之间的距离，用它来生成 s t m 图像的信号。为了让隧穿发生，样品与探针尖必须是导体或半导体，s t m 不 能使绝缘体材料成像。 隧道电流与距离是指数关系：如果探针尖与样品盼距离变化i 溉( 约为i a ) ， 隧穿电流就会有很大的变化。指数关系使s t m 具有很高的灵敏度。s t m 使样品表 面所成的像在垂直方向有亚埃量级的分辨率，在水平方向可精确到原子尺度。 l 原子力显微镜的几种基本成像模式 图卜1 ，5 1 3 1 中探针与样品相互作用示意图 s t m 有两种成像模式：恒高模式( c o n s t a n tc u r r e n tm o d e ) 及恒流模式 ( c o n s t a n th e i g h tm o d e ) ，如图卜2 所示。 图卜2 。s t m 工作模式图解 在恒流模式中，s t m 通过反馈系统调整探针尖在每一测试点的距离，保持产 生的隧道电流为一恒定值。例如，如果反馈系统探测到隧道电流降低，它将调节 载加在扫描头上的压电陶瓷上的控制电压，增加探针尖与样品的距离，以保持隧 道电流的恒定。通过检测扫描头在每个测量位置上高度的变化，从而获得样品的 形貌像。但高度信息准确及时的获取受反馈系统响应速度的限制，大扫描范围和 不规则样品表面都使扫描速度减慢。 在恒高模式中，针尖始终保持在样品上方一个恒定的高度面上，隧道电流随 着样品的形貌和样品表面的电学性能变化丽变化，通过测定样品表面上每个测量 点产生的电流变化来获得样品的电流图像。在恒高模式中扫描头无需上下移动， 从而加快了扫描速度，实际上只有样品的表面非常光滑平整才能产生这种图像。 每种模式都有各自的优缺点。恒高模式探测速度快，因为系统无须上下移动 探j 9 1 i i 器，但它只能在相对平整的表面提供有用的信息。恒流模式能够高精度的探 4 ! 堕至垄星垡望塑墨壁苎奎些堡堡苎一一 测不规则的表面，但需花费更多的时间。 近似的说，隧道电流的图像描绘了样品的形貌。严格的讲，隧道电流与样品 表面电子密度分布状况密切相关。与其说s t m 是在测量表面形貌，不如说它是在 测量样品表面恒定电子密度。s t m 是通过在保持针尖与样品恒定的距离来测量电 流与电压的关系或是保持针尖与样品恒定的电压来测量电流与距离的关系，因此 s t m 隧道谱是用来研究样品表面原子级电子结构和性能的很好工具。 1 3 光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 光子扫描隧道显微镜( p h o t o ns c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p e ) 是种新型 的s p m ，也是近场光学显微镜( s n o m ) 中的一种，它是仿照电子扫描隧道显微镜 ( e s t m ) 的名称提出来的。因此的原理和工作方式在许多方面与s t m 非常相似。 1 9 9 1 年美国的费雷尔( f e r r e lt m ) 等0 1 利用光纤尖作为扫描隧道显微镜的探针， 成功地研制成世界上第一台光子扫描隧道显微镜。 s t m 是利用电子隧道效应，而p s t m 则是利用光子隧道效应，它用光纤探针探 测样品表面附近被全内反射所激励的隐失场，从而获得表面信息。下面将介绍 p s 删的物理机理，工作原理，主要特点及其应用。 1 ，3 1 光子隧道与p s t m 的物理机制 “光子隧道”概念是由电子隧道概念的类比与拓展而产生的。当平行光束由 光密介质以入射角大于临界角射向光疏介质时，则在光疏介质一边靠近界面处存 在一个隐失波，此光波的电磁场为隐失场，该场的存在对入射光子而言犹如一个 “垒”，它将阻止入射光子越过，使其不能传输到光疏介质的远场处。但是，当 有另一光密介质接近全内反射界面而进入隐失场时，隐失场将会受到抑制，此时， 全反射将有部分被破坏，部分入射光子将可越过这个“垒”，通过“第二( 疏) 第三( 密) ”界面而进入第三介质，从而传输至日远场。这个过程可理解为入射光在 “密疏”介质界面产生全内反射过程中传输波转换为隐失波过程的“逆”过程( 根 据光可逆性原理) 。1 9 5 1 年，b o h md 最早将隐失场受抑现象称为“光子隧道”“”1 。 p s t m 利用光纤尖进入样品表面的隐失场，使隐失场局域“受抑”，由光纤尖 引出样品表面的隐失场信息，p s t m 的物理机制即是建立在此概念( 光子隧道机 理) 基础之上。由光纤尖引出的样品表面隐失场信息称为光子隧道信息。p s t m 中三介质系统( 样品一空气隙一光纤尖) 的光波电场振幅示意图如图卜3 所示。 、之 | g ) 居蒯 善睫， 一- 一。 ( 赫 坩 ? 图i - 3 光波电场振幅示意图 l 原子力显徽镜的几种基本成像模式 图中曲线显示某一瞬时三介质中的光波电场波形。e 。为产生隐失波( 振幅为 e ) 的入射波( z 向分量) 的电场振幅，e 为透过波的电场振幅。图中，点划线为空 气隙中隐失波的振幅衰减曲线，点线为不存在光纤尖时点划线的继续，而当光纤 尖存在时，隐失场受抑，点线部分将不复存在。光纤尖端头隐失场e ( z ) 通过耦 合进入光纤尖的透射光将在光纤中传至远场，构成光予隧道信息。 1 3 2p s t m 工作原理 p s t m 是让入射平行激光束在入射角超过全内发射临界角条件下，在样品的 表面上产生隐失波。当光纤尖的端头进入样品表面隐失波区域时，产生局域“全 内反射受抑”，光纤尖端头界面将有隐失场光耦合进入光纤。通过光电探测器将 此光信息转变为电信号。由固定在压电陶瓷管的光纤尖和x ，y ，z 三维驱动电 路实现三维扫描。利用微机控制输出扫描图像，来探测样品的细微结构。 图卜4 光子扫描隧道显微镜原理框图 p s t m 的原理是基于它的成像物理机制，其原理框图如图1 - 4 所示。透明样 品以光学接触的方式放在由玻璃半圆柱或直角棱镜构成的载物台上，平行激光柬 以入射角大于全内反射临界角的条件照射，从而在样品上表面产生隐失波。光纤 尖采集的光信号由光电探溺器转换为电信号，输入反馈电路，将这一信号与预先 设定的参考电信号进行比较，所得的差值信号由反馈电路输出给z 向驱动器，从 而调节光纤尖在z 方向进行移动，以使光纤尖能进入近场区域。当光纤尖的端头 进入样品表面的隐失场区域后，可进行等强度扫描成像、等间距扫描成像或等高 度扫描成像。设置比较信号为常量，可获得等强度扫描p s t m 图像i 设置尖与样 品等间距扫描，可获得等间距扫描p s t m 图像；保持光纤尖高度不变扫描可获得 等高度扫描p s t m 图像。 1 3 3p s t m 的特点 与其它一些显微镜相比，p s t m 具有以下特点： l 、p s t m 的空间分辨能力很好，并且具有表面三维信息分辨能力。常规光 ! 堕三塑星丝篁塑墨塑墨圭壁堡鳖茎一 学显微镜( c o m ) 由于受到衍射分辨极限的限制，最大放大率只能达到l ，5 0 0 倍， 共焦激光扫描显微镜( c f o i ) 大约只能达到3 ，0 倍，扫描近场光学显微镜 ( s n o i ) 的实验研究己达5 ，0 0 0 倍，我国第一台p s t m 经专家鉴定，已达3 0 ，0 0 0 倍。 2 、p s t m 可以显示样品微区( 以象元分辨) 的折射率的图像，而且能够响应的最小 折射率变化大约为0 0 0 3 ，因此显象灵敏度高。p s t m 与扫描隧道显微镜( s t m ) 、 原子力显微镜( a f r o ) 相比，空间分辨能力差了一个量级，但是，后两者都不能显 示样品的折射率参数。 3 、p s t m 可以保持生物样品的活性。由于p s t m 可以在常温、常压、大气条件以 及潮湿条件下。也即生命的天然或准天然条件下成像，并且所用照明激光器的功 率较小，样品不用染色，所以，它解决了在成像中保持生物样品活性这一技术难 题。 4 、p s t m 样品制各简单，并且由于它可以在常规条件而非真空条件下扫描成像， 因而其维护费用较低。 但是，p s t 自i 图像存在假象问题。具体理论推导清参考文献“，它是出样品表面 形貌图像、折射率变化图像和样品表面起伏引入的假象混合而成，这个原理上的 缺陷使得第一代p s t m 的应用范围受到很大的局限。这也是我们的a f p s l m 系统 要解决的一个重要问题1 9 9 3 年月和1 9 9 6 年9 月吴邀法老师申请了两个发明 专利“”1 ，解决了p s t m 中消假像和分解样品形貌与光学图像两大难题。 1 3 4 p s t m 的应用 预计p s t m 将在以下多个方面得到广泛的应用： 1 、超光滑光学表面成像，纳米光洁度计量； 2 、光学薄膜纳米结构成像检查： 3 、金刚石切削光学表面成像检查； 4 、光记录介质、光盘成像检查： 5 、透明材料、光学玻璃纳米结构研究； 6 、微粒矿的光学参数研究； 7 、光导、集成光学研究： 8 、生物、医学、生命科学研究中的成像技术等。 最有诱惑力的远期应用是将p s t m 发展成为观察d n a 的显微镜和改造d n a 的 手术刀，两者可以通过共用一个光纤尖来实现。另外，由于p s 豫是一种对存储 信息斑折射率改变检测非常敏感的近场光学技术，所以它的另一项重要的远期应 用是发展p s t m 阵列超高密度存储技术。在未来的二十一世纪，p s t m 将会在生命 科学、遗传工程、表面科学、纳米高科技、分子生物医学、药理学等重大科技领 域作出划时代的贡献。 1 4 原子力显微镜( a f m ) s t m 的局限性是显而易见的，它不能应用在绝缘材$ 4 2 - 。原子力显微镜 ( a f m ) 1 1 9 8 6 年由葛宾尼( g e r db i n n i g ) 等人发明，是近年来发展起来的一 一一! 壁兰生墅壁望塑凸塑苎查堕堡堡塞 种新型表面分析仪器，通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微 弱的原子问作用力来研究物质的表面结构。它克服了扫描隧道显微镜的不能应用 于绝缘材料上局限性，可用于导体、半导体和绝缘体材料表面的结构研究，因而 在表面科学、材料科学和生命科学等领域的研究中有其特殊的重要意义。 1 4 1 a f m 的物理机理 f - o 把e 俨嚣 1 。4 2a f m 的工作原理 a f m 图像是通过在样品扫描时测量微悬臂受力弯曲的程度褥到的。目前市场 上大多数的a 刚对悬臂的定位采用光学技术，即是由光杠杆来监控尖至样品的间 距1 。 图l 一6 所示的就是由光杠杆来监控尖至样品的间距的a f m 的工作原理：烽一一 个对微弱力极其敏感的长i 0 0 到2 0 0 微米的s i 或s i 。心材料的微悬臂一端固定， 8 原f 力显徽镜的几种基本戏像摸式 另一端固化一个针尖，针尖与样品轻轻接触，针尖尖端原子与样品表面原子恻的 极微弱的排斥力，使微悬臂向上弯曲。监控用的激光束打在悬臂背面后通过一个 反射镜反射到一个对位置敏感的光电探测器( p s t d ) 中。当悬臂弯曲时，探测器上 激光束斑的位置会发生移动，p s t d 自身能测量n 4 , 至1 0 埃的光束位置变化。用 光杠杆系统可非常敏感地监测微悬臂的偏转。通过检测微悬臂背面反射出的激光 光斑在一个光学探测器上的位置变化可以转换成力的变化( 被反射激光光斑的位 置的变化或是悬臂梁弯曲的变化与力的变化成正比) ，通过控制针尖在扫描过程 中这种力的恒定，同时测量针尖纵向的位移量，从而晟终还原出样品表面的形貌 像。 山磁_ 一避 陌鼬 d d t e c 抽r 图卜6 光杠杆监控的a f m 原理 9 l 原子力显微镜的几种基本成像模式 1 ，4 3 a f m 的几种基本成像模式 1 4 3 1 a f m 接触式成像模式( c o n t a c tm o d e ) r e p u l s i v ef o r c e c o n t a c tr e g i m e i n t e r m i t t e m c o n t a c tr e g i m e d i s t a n c eb e t w e e l l 兰- - - - - - - 三，i “p8 “ds a m 9 1 泸m m 吲。 a t t r a c t i v ef o r c e 图卜7 a f m 作用力曲线中三个不同的区段 接触a f m 模式，也被称为斥力模式，a f j i 尖与样品表面进行轻微臼匀物理接 触。在扫描器引导探针尖扫过样品的过程中，接触力使悬臂转弯以适应力势的变 化。为了更详细的分析这一环节，参照图卜7 的原子问相互作用力关系曲线。 随着尖与样品表面原子逐渐的靠到一起，它们开始微弱的相互吸引。这种吸 引逐渐增加直到原子间的距离近到相互排斥为止。随着原子间的距离逐渐减小， 排斥力越来越大，并逐渐抵消吸引力。当原子相距两埃时，大约一个化学键长时， 相互作用合力接近于零，原予开始相接触。 在接触a f m 模式中，针尖与样品表面的距离只有几个埃，产生的范德瓦尔斯 力大约有0 ，l t o o o n n “，此外样品表面的薄层水膜产生的毛细作用力以及微悬 臂自身的弹性应力也同时存在。水分子向针尖的毛细移动会加剧毛细作用力，可 达1 0 n n ，能使样品对针尖产生很强的粘附力力的大小随针尖和样品表面距离 的变化而变化。微悬臂自身的力对样品的作用就像是一个被压缩的弹簧的力。吸 引力和排斥力的大小主要取决于微悬臂的弯曲程度和弹性系数。在接触模式的实 际操作中，针尖通常是受到这些力的综合作用，而且要通过原子间排斥力来平衡 探针。 类似于s t m ，a f m 也有两种工作模式：恒力模式和恒高模式，如图卜2 所示； 在恒力模式中，根据a f m 反馈系统的信息，精确控制扫描头随样品表面形貌在z 方向上下移动，从而来维持微悬臂所受作用力的恒定，从扫描头的z 向移动值得 出样品的形貌像。这种模式中，扫描速度受反馈系统响应速度的限制实质上力 的恒定就是微悬臂的反射值的恒定。在恒高模式中，扫描头尖的高度则固定不变， 从微悬臂在空间中的偏转信息中可以直接获取样品的形貌像。恒高模式常被用与 微悬臂的偏转和所受作用力的变化非常小，表面非常乎整的样品，比如样品的原 子级像，而且因其扫描速度快的缘故，常被用于即时测量表面动态变化的样品。 a f m 可以通过样品表面单个点的力曲线测量来研究材料的性能。a f m 的力曲 1 0 l 原子力显微镜的几种基本成像模式 线主要是样品作用于针尖的z 向力和z 向距离的关系，严格的讲，力曲线是测量 由微悬臂弯曲引起的激光斑反射值相对于压电陶瓷扫描头的z 向伸缩。除了分子 间作用力，样品自身的弹性性能也影响着力曲线。图卜8 所示为一个力曲线测量 周期中a f m 微悬臂及针尖的动作流程，曲线的右段表示压电陶瓷p z t 在收缩，针 尖离开样品，微悬臂不受力不弯曲；随着压电陶瓷的伸张，针尖逐渐靠近样品表 面，当接近到定程度，针尖开始感受到范德瓦尔斯吸引力的作用，在这之前微 悬臂一直保持自然状态，等到针尖突然接触到样品表面( 如图卜8a 与c 中所示 的点2 ) ，微悬臂开始向样品表面弯曲：随着压电陶瓷的继续伸长，微悬臂的弯 曲度也线形增加( 如图1 - 8 中点2 与点3 之间所示) ；等到压电陶瓷完全伸长到 达力曲线的最左端时，压电陶瓷开始收缩，微悬臂也开始先前过程的逆向返回( 假 如没有迟滞现象) ，直到扫描头将针尖完全拉离样品表面。 当a f m 工作在空气中对，因为样品表面污染或水薄膜层的存在，会生成相应 的很强的毛细管粘附性的作用力，这就会使得力曲线中的返回啦线不完全相同。 当针尖被拉离表面时，水膜会吸附针尖使其继续与表面接触，而且会使微悬臂朝 表面反向发生明显的弯曲( 图卜8a 中4 5 ) 。弯曲度会因各个测量点处水膜厚 度的不同而不同，一旦扫描头旃加在针尖的力超过该点的最大吸附力，微悬臂就 会恢复自然状态，针尖又会行动自如( 图1 - 8a 中点5 ) 。而在液体中，由于各 向同性的原理，力曲线则完全成图l _ 8b 所示状，针尖的受力会大大减弱。 力曲线不同时段体现中的特性，可很好的反映出样品表面污染层的粘度以及 样品表面各点处不同的弹性属性。接触式成像可被操作在力曲线上的任何一个时 段，如吸附力或排斥力时段。如力曲线中吸附力起主导作用的时段可分析柔软些 的样品，这样可以有效的减少样品与针尖的相互作用力，但会带来些不稳定性并 且最大扫描速度会降低。 2p i e z ov 。j i a 9 e zp i e z ov o l t a g e 上 12 3 f4 5 6 o n l yi nc o n t a c ! m o d e 图卜8 力曲线图解，在空气中如) ，在液体中( b ) ，微悬臂及针尖的动作流程( c ) 。 1 。4 3 2 非接触式成像模式( n o n - c o n t a c tm o d e ) 撇洲龇撼引 一一一一一 一肌一一 一一一一一 一一一一一 托僦蝴一椭 一一一一一 l 原子力显微镜的几种基本成像模式 的振幅发生减小。与轻敲模式和接触模式相比，非接触模式横向分辨率较低，这 是由针尖与样品之间分离所限。 由于提供了一种几乎不使探针尖与样品接触的测量样品表面形貌的方法，非 接触式a f m 是很有价值的。如同接触式a f m ，非接触式a f m 除能用于测量导体的 形貌外，还能用于测量绝缘体和半导体的形貌。探针尖与样品在非接触区的合力 非常小，大约只有i o e 一2 0 牛顿。这个小作用力对研究软质或弹性材料是很有利 的，而且样品在与探针尖相互作用的过程中不会被污染。 但由于探针尖与样品在非接触区的作用力很小，测量就显得困难多了。并且 因为较软的悬臂会被拉向样品与之接触，n c a f m 的悬臂必须比接触a f m 中所用 的悬臂更加坚硬。非接触区的小作用力与n c a f m 中使用硬度很高的探针尖都是 使n c a f m 信号变小而更难于测量的因素。所以，n c - a f m 要使用敏感的探测器。 在n c a f m 模式中，系统探测悬臂的共振频率或振幅通过一个使探测器上下 移动的反馈协助保持其恒定。通过使共振频率或振幅恒定，系统能保持针尖与样 品平均距离恒定，如同接触a f m ( 恒力模式) 。 n c a f m 在测量软质材料时比接触a f m 更为出色。在硬质材料上，接触和非 接触l 虱像也许看起来一样。但是，如果硬质材料表面附有水薄层，图像会大不相 i 司。接触a f m 会穿过水膜对下面的样品成像，而a f m 的非接触模式将对水膜表面 成像( 如图卜9 ) 。 图卜9 接触式与非接触式a f m 对有水滴的表面成像 接触模式中横向力的存在不利于表面结合弱和软的样品分析，这是因为针尖 的横向滑动会破坏样品表面形貌，并可能导致结果图像不清晰，而非接触模式由 于针尖和样品之间分离，横向分辨率较低，另外一种a f m 操作是可行的：轻敲扫 i 原子力显微镜的几种基本成像模式 描模式。轻敲扫描模式在一些应用中是非常有用的，下面我们就对它进行一些详 细介绍。 143 3 轻敲成像模式( r a p p i n gm o d e ) 轻敲模式原子力显微镜( t t d - a f k t ) 的工作区域在图卜7 的原子问相互作用力 曲线中显示。和n c a f m 一样，t m - a f m 悬臂的振动振幅随着探针尖与样品的距离 变化而变化，通过探测变亿来产生表面的形貌图像。t m a f r o 比接触a f m 更不容 易破坏样品，因为它消除了探针尖与样品间的横向力( 摩擦或拉力) 。一股的浣， 已经证实在可能包括大范围样品形貌变化的大扫描尺寸上，t m a f m 比n c a f m 更 有效率。由于克服了接触式和非接触式的一些局限，t m a f m 已经成为一个重要 的a f m 技术。 轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之蒯的成像技术。扫描过程中微悬臂 也是振动的并具有比非接触模式更大的振幅( 大于2 0 h m ) ，针尖在振荡时间断地 与样品接触。由于针尖与样品接触，分辨率通常几乎同接触模式一样好；但因为 接触是非常短暂的，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，克服了常规 扫描模式的局限性。轻敲模式在大气中成像，是利用压电晶体在微悬臂共振频率 附近驱动微悬臂振荡。当针尖不与表面接触时，微悬臂是高振幅“自由”振荡的。 当振荡的针尖向下移向表面直到它轻轻接触表面，由于微悬臂没有足够空间去振 荡，其振幅将减少：然后，针尖反向向上振荡，微悬臂有更多空间去振荡，同时 振幅增加( 接近空气中自由振荡振幅) ，反馈系统根据检测器测量的这个振幅， 通过凋整针尖一样品间距来控制微悬臂振幅，也即作用在样品上的力恒定，从而 得到样品的表面形貌。图1 1 0 给出了轻敲模式的a f m 示意图，针尖一样品l 司的作 用力通常为1 0 。l o - n 。它可以对柔软，易脆和粘附性较强的样品成像并对它们 不产生破坏。 轻敲模式避免了针尖粘附到样品上以及在扫描过程中对样品的损坏。不同于 接触非接触模式，轻敲模式的针尖在接触表面时，它有足够振幅来克服针尖一样 品间的粘附力。同时，由于作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力，压缩力和 剪切力的影响较小。轻敲模式同非接触模式相比较( 图卜7 ) 的另一优点是大且 线性的操作范围，使得垂直反馈系统高度稳定，可重复进行样品测量。轻敲模式 所使用的微悬臂较长，一般为2 2 5 微米，而接触模式所使用的微悬臂一般为1 2 5 微米。 在液体中进行轻敲模式操作同样具有类似的优点。由于液体介质能够减少微 悬臂的垂直共振频率，同空气中轻敲模式不同，整个液体池被振荡来驱动微悬臂 振荡。当针尖月始接触样品，微悬臂的振幅也将减少，类似于空气中轻敲模式操 作。同空气中操作相比，振荡的微悬臂进步减少了样品上的横向摩擦力和剪切 力，避免了接触模式中经常引起的样品损伤。 ! 堕王查里塑垡塑丛翌茔查鏖堡壁垄一 髦领西 蘸律彗 型，氏巫扣鲎飞几里黼 图卜1 0 轻敲模式a f m 示意图 要获得高分辨，高质量的图像，针尖同样品表面接触又不破坏被扫描样品是 关键因素。在a f m 对软，粘性或易脆样品研究中，轻敲模式成像技术的发展是至 关重要的。对那些易损伤而且与基底结合松散或者用其他a f m 技术成像困难的样 品，用轻敲模式可以进行高分辨表面形貌成像。尤其是，轻敲模式克服了与摩擦， 粘附，静电力有关的问题，解决了困扰常规a f m 扫描方法的困难。用这种方法也 成功的获得了相当多的样品的高分辨图像，包括：硅表面，薄膜，金属和绝缘体， 感光树脂，高聚物和生物样品等。轻敲模式在大气或液体中对这些样品表面的研 究，极大的扩展了a f m 技术在新材料表面的应用领域。 1 4 4a f m 的功能拓展 根据a f m 的工作原理，可以开发适用于不同领域的显微镜。我们可以称它们 为a f m 的某种模式，也可以称它们为某种显微镜，总的来说都是a f m 不同扫描模 式的拓展，区别在于采用不同的探针，利用探针与样品之间不同的作用模式，以 及工作在不同的接触区域来获取信息。下面简单介绍几种典型的显微镜。 力调制扫描模式( f o r c em o d u l a t i o nm o d e f 删) l l 刘 当针尖与样品接触时，经过调制的针尖或样品可用于提取样品表面机械性能 的信息。力调制模式是接触模式的拓展。其对z 向调制的频率和振幅远小于轻敲 模式。表面机械性能( 图卜1 1 ) 的不同引起振幅和相位发生变化，从而得到的振 幅和相位对应的样品表面弹性和粘性资料，此时高度不同的影响可以忽略。 回 图1 11 力调制模式图解：调制针尖的振幅随样品表面的机械性能的变化丽变化 静电力模式( e 1 e c t r o s t a t i cf o r c em i c r o s c o p e e f m ) 【l6 】静电力模式是在 样品和针尖之间施加个电压，同时微悬臂悬浮在样品表面上方不进行接触，当 微悬臂扫描通过静电荷区域时会发生偏转，如图1 - 1 2 所示。e f m 描绘样品表面 的局部电荷域，这种工作方式同m f m 描绘样品表面的磁畴结构相似。微悬臂偏转 的幅值与表面的电荷密度正比例，因此用标准光束反射系统便可测量。e f m 是用 来研究表面的电荷载体密度的空间分布变化情况。例如当一个静电芯片被用作开 原予力显微镜的几种基本成像模式 关装置时e f m 可以被用来探测其静电场。这种技术被称作“电压探针”并被认为 在亚微米量级上测试生物微处理器的一个很有价值的工具。 磁力模式( m a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p e m f m ) m 】i v l f m 是对样品表面的磁 力空间分布成像的。此时，针尖被涂了一层铁磁性薄膜，系统工作于非接触模式， 检测依赖于针尖一样品间的磁场变化所引发的微悬臂共振频率的变化，见图卜1 3 。 m f m 可以用来对天然及人工制作的磁畴结构进行成像。因为原子间的磁力所发生 作用的距离要大于原子间范德华力发生作用的距离，所以当针尖靠近样品表面时 以非接触a 附进行工作得到的是形貌信息，当针尖与样品间距增大，磁力便显现 出来。同时以不同的针尖与样品间距获得的信息是分离表面形貌与磁力像的办法 之一。磁力显微镜主要应用于磁介质与材料的研究，前者包括磁畴结构、表面形 态、媒体噪声、读写磁头，磁记录体系等，而后者包括亚表层磁结构、“软”磁 材料和永磁材料的退火影响等。 = 婴j 徽是骨扫拦路径7 = 一 图卜1 2 静电力显微镜工作原理图图卜1 3 磁力显微镜工作原理图 扫描电容模式( s c a n n i n gc a p a c i t a n c em i c r o s c o p e ) u s is c m 是扫描探针显 微镜的一个很重要的扩展， s c m 能在不损失分辨率和精度的情况下，同时提供a f m 图像及搀杂体和载 流子的二维信息，这对于半导体器件的研发及制造极具价值。s c m 的主要应用领 域包括：以纳米尺度对载流体密度成像。s c m 可以探测到在m o s f e t 门下的p n 结 的位置，这样便可以对半导体失效的分析找到真实的证据。总之，对于半导体器 件的失效分析、加工处理的合理性、硅片的缺陷分析等，s c m 都能发挥出极大的 作用。 其他扫描模式 其他a f m 扫描模式。还有如相位成像模式，a f m 与p s t m ( 光子扫描隧道显微 镜) 结合的a f p s t m 模式脉冲力模式等，将在以后的章节中逐介绍，其中相 位成像模式和a f p s t m 模式将作为重点介绍。 参考文献 1 s y n g e ，p h i l m a g ，6 ( 1 9 2 8 ) ，3 5 6 2 u d u r i g ，d p o h l ，f r o h n e r ，j a p p l p h y s ，5 9 ( i 9 8 6 ) ，3 3 1 8 3 b e t z i ga n dj k t r a u t m a n ，s c i e n c e ，2 5 7 ( 1 9 9 2 ) ，1 8 9 4 c o u r j o n ，j m v i g o u r e u xe ta 1 ，a p p 2 o p t i c s ，2 9 ( 1 9 9 0 ) 3 7 3 4 l 原子力显徽镱的几种基本成像模式 5 l e w i s 。k l i e b e r m a n ，n a t u r e ，3 5 4 ( 1 9 9 1 ) ，2 1 4 6 k u p k a ，y c h e n e ta 1 ，j v a c s c i t e c h n 0 1 b ，1 2 ( 1 9 9 3 ) ，6 6 7 ： y c h e ne ta 1 u l t r a m i c r o s c o p y ，( 1 9 9 5 ) 7 白春礼编扫描隧道显微镜技术及其应用，上海科技出版社 8 扫描隧道显微镜简介与基本原理，w w n n i c o m c n m i c r o s c o p e 9 r e d d i c krc ，w a r m a c krj ，f e r r e l