SPM3讲3.1.2.ppt

書式設定,書式設定,第,2,第,3,第,4,第,5,*,1,第三讲 原子力显微术,AFM,AFM,仪器（,SPM-9500,J3,）,操作示意图,Chapter 3 Atomic,Force Microscopy,2,31,AFM,基础知识,311 工作原理,AFM,是利用一个对力敏感的探针探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。,将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10,-8,10,-6,N),时，微悬臂会发生微小的弹性形变。,3,图,31,AFM,原理示意图,(,Hooke Law),Fkz,(31),4,针尖和样品之间的力,F,与微悬臂的形变,z,之间遵循虎克定律.,其中，,k,为微悬臂的力常数。,测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。,针尖与样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变，针尖就会随表面的起伏上下移.,5,记录针尖运动的轨迹,这种检测方式被称为“恒力”模式,(,Constant Force Mode),。,AFM,的图像也可以使用,“,恒高,”,(,Constant Height),模式来获得，也就是在,x,、,y,扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂,z,方向的形变量来成像。,这种方式可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。,6,3,1,2,微悬臂形变的检测方法,AFM,是通过检测微悬臂形变的大小来获得样品表面的图像的，所以微悬臂形变检测至关重要。,到目前为止，检测微悬臂形变的方式主要有以下几种,47,：,7,隧道电流检测法；,电容检测法；,光学检测法；,压敏电阻检测法。,由于针尖与样品之间的作用力为微悬臂的力常数和形变量的乘积，所以无论哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常数，而且对形变量的检测须达到纳米级以上。,8,隧道电流检测法,Binnig,，,Quate,和,Gerber,的第一台原子力显微镜就是采用的隧道电流检测法。将微悬臂作为一个电极，在微悬臂上方设置一个,STM,针尖作为另一个电极.,微悬臂的微小变形就会引起隧道结距离的变化，从而引起隧道电流的剧烈变化，通过反馈回路控制,AFM,样品和,STM,针尖做相反的运动，保持隧道电流的恒定，也就是保持隧道间隙的恒定，就可以获取表面形貌的高分辨图像。,9,隧道电流法的灵敏度相当高，,z,方向的分辨率可以达到,0.01,nm,，,但是信噪比比较低。主要原因有两个：,一是在大气环境下工作时，微悬臂或者,STM,针尖的污染会造成隧道电流无法准确测定；,二是微悬臂的热振动和热漂移会造成隧道电流的较大变化，热噪音的水平较高。,10,电容检测法,平行板电容器的电容和极板之间距离成反比。如果将微悬臂作为一个电容极板，在微悬臂上方设置一块与微悬臂平行的极板，二者就构成电容器。,微悬臂的变形会造成极板之间距离的变化，保持扫描时电容值恒定，就可以获得样品表面的形貌信息。这种检测方法的灵敏度较低，,z,方向的分辨率只能达到0.03,nm。,11,光学检测法；,光学检测法包括,光学干涉法、光束偏转法两种。,1987,年,Martin,提出了差动式光学干涉法检测微悬臂形变量的原理,8,：,参考光束和探测光束为相互正交的线偏振光，一束为,P,偏振光，一束为,S,偏振光，两束光分别探测微悬臂的固定端和针尖部位，经过微悬臂的反射以后，两束光发生干涉，干涉光的相位与探测光束的光程相关。,12,由于光学干涉法的光束直径较大，所以对微悬臂上的微小污染和表面粗糙度都不敏感，所以信噪比比较高.,=检测手段中，这种方式的检测精度最高，,z,方向的分辨率高达,0.001,nm,。,光束偏转法,1988,年,Meyer,等发展了光束偏转法,9,，其原理是:微悬臂的形变可以通过反射光束的偏移量来表征.,13,将激光器发出的激光聚焦在微悬臂的背面，从具有反射面的微悬臂的背面反射进入位置灵敏的光电二极管检测器,Photodiode,，,(Position Sensitive Detector,，,PSD),，,微悬臂的形变通过反射光束的偏移量来表征。,通过反馈回路控制反射光束偏移量恒定，便可以对表面进行成像。光束偏转法的精度很高，当激光的波长为,670,nm,时，极限分辨率可以达到,0.003,nm,。,14,图,3-2,具有衍射光栅结构的交指型微悬臂,光束偏转法的原理和技术简单，但精度却不如光学干涉法高。,为此，,Quate,等将微悬臂进行了改进，制备了如图,3-2,所示的具有衍射光栅结构的交指型微悬臂,10,。,15,其中与针尖相连的悬臂带有一套指状结构，在扫描的过程中可以随样品表面的起伏而偏转；另外一套指状结构固定在微悬臂的基底上，扫描时固定不动，作为位置的参考基准。,这样采用光束偏转法检测微悬臂的形变量时，从光栅结构的微悬臂上反射的光束会产生多级衍射条纹，可以达到与光学干涉法接近的精度，但比干涉法的检测复杂程度却低很多.,16,图,33,是,DI,公司的多功能,SPM(Multimode SPM),的,AFM,头及其主要组件,激光器,(1),发出的激光束经过,x,和,y,方向的调整之后，经过反射镜,(2),的反射聚焦在微悬臂,(3),的背面，微悬臂将入射光反射到一面倾斜反射镜,(4),上，经过反射后投射到位置灵敏光电二极管检测器,(5),上。,17,通过调整倾斜反射镜的角度和光电二极管检测器的调节旋钮可以将激光束投射到检测器的合适的位置上，如中心位置。,如图3-4所示，,DI,采用了四象限光电二极管检测器。不同的操作模式(详见32)下，四象限检测器的四个单元组合提供不同的信息，但是所有的模式下，四象限结合都形成总(,SUM),信号,18,在接触模式,AFM,下，上面两个单元(,A,和,B),和下面两个单元(,C,和,D),的垂直差分信号,Vertical Differential Signal,3-2,3-3,3-3,19,图,3-4,四象限光电二极管检测器,经过放大后可以直接作为微悬臂形变量的度量；相似的，左面两个单元(,A,和,C),与右面两个单元(,B,和,D),的横向差分信号,Lateral Differential Signal.,20,可以作为横向力显微镜,Lateral Force Microscope(LMF),也可称为摩擦力显微镜，,Friction Force Microscope，FFM).,微悬臂扭转量的度量；在轻敲模式(,Tapping Mode),下，反馈回路控制微悬臂在一个恒定的振幅下振动，这样光电检测器上的光斑就垂直振荡，振荡的信号经过光电二极管的整流和低通滤波转换成直流电压信号(,RMS,振幅)，,RMS,振幅就可以作为微悬臂运动的度量。,21,一是减小微悬臂的力常数,k，,一是增大微悬臂和检测器之间的距离。微悬臂的力常数越小，灵敏度越高，但也势必会造成热涨落和振动噪音水平的提高。,微悬臂和检测器之间的距离也不能太长，否则，光源和检测器中的照射噪音和空气的波动就会对光路造成较大的干扰，使得噪音水平提高。,根据以上可知，为了获得较大的灵敏面应该有足够大的光亮的光学反射面，而且为了获得较大的灵敏度，针尖与样品之间微小的力应该能够转换成为激光束在检测器上的较大位移。由图3-3可知，实现这一点可以从两个方面:,22,上述三种微悬臂形变量的检测方法都是利用外加传感设备实现，检测系统和微悬臂之间必须对准，所以扫描成像时，微悬臂不能运动，压电陶瓷扫描管驱动样品运动以实现针尖和样品的相对扫描，这就限制了,AFM,的扫描速度和扫描范围,Quate,小组,12,在1991年研制成功了带有压敏电阻偏转传感器的微悬臂，不用外加传感器就可以实现微悬臂形变量的检测，同时有效解决了扫描速度和扫描范围的限制。图3-5,13,是一种带有,Si,压敏电阻偏转传感器的新型微悬臂。,23,图,35,b,惠斯登电桥测定微悬臂偏转的原理图,(图35,a,带有压敏电阻偏转传感器的微悬臂结构示意图，略)压敏电阻材料的特点是材料的电阻随外加应力的变,化而变化，,Si,是一种很好的压敏电阻材料，所以在微悬臂的自由端沉积一定厚度的,Si,薄膜，并修此压敏电阻作为惠斯登电桥的一个电阻臂,(,图,35,b),24,313 微悬臂的设计、制备,AFM,的分辨率除了和检测技术有关以外，还和作为,AFM,仪器力传感器的微悬臂有密切的关系，所以,AFM,微悬臂设计和制作非常重要。,Fig 3-6,AFM,微悬臂,25,微悬臂的材料、形状和结构设计直接影响到,AFM,的分辨率和噪音水平，为了达到原子级分辨率，微悬臂必须有很小的力常数，即受到很小的作用力，微悬臂就会发生可被检测的形变。,针尖的力常数一般为0.01100,Nm，,而微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到纳米量级，这样针尖与样品之间零点几个纳牛顿(,nN),作用力的变化就可以被检测到。,26,微悬臂的材料、长度、厚度、几何形状、针尖尖端形状和尺寸控制、金属镀层等对于微悬臂的制作都是很重要的。,1987,年，,Quate,小组,15,的研究人员利用微电子加工技术成功地制备了,V,字形的,SiO,2,微悬臂,(,图,3-7),，提高了横向刚性，但是微悬臂上没有外加的针尖。,利用倾斜的微悬臂的尖端与样品接触扫描，他们获得了,HOPG,，,HOPBN,等表面的高分辨原子像。,27,由于直接用倾斜的微悬臂的尖端作为针尖很容易造成与表面之回的多点接触，出现多针尖效应，而在微悬臂尖端粘结针尖又很困难。,1989年，,Quate,小组,16,的研究人员又成功地利用微加工技术制作了尖端带有金字塔形针尖的,V,字形,Si,3,N,4,微悬臂。,Fig 3-7,不带有金字塔形针尖的,SiO,2,微悬臂,28,由于阳极键合后玻璃与,Si,3,N,4,的结合强度大于,Si,本身，所以利用,KOH,可以除去全部的硅基片，微悬臂的固定端就固定到了玻璃基底上。,制备带有金字塔形针尖的,V,字形,Si,3,N,4,微悬臂的流程如图,3-8,所示：首先在,Si(100),基片上热生长一层,SiO,2,薄膜作为屏蔽材料，然后在,SiO,2,薄膜上利用光刻微加工技术腐蚀出一个方形的窗口，利用,KOH,对,Si,的各相异性腐蚀，在窗口出腐蚀出一个金字塔形的凹坑。,之后去掉,SiO,2,薄膜屏蔽层，在,Si,基片上沉积一层,29,图,3-9,带有金字塔形针尖的,Si,3,N,4,微悬臂,由于,Si,3,N,4,材料的脆性较低，并且材料的厚度可以薄至0.3,m，,所以可以大大降低微悬臂的截面积,S,和质量,m，,另外，针尖和微悬臂的一体化设计也使得规模化制作成为可能。,这种微悬臂具有力常数小、共振频率高、质量小、横向刚性强、带有尖锐针尖等特点，利用它可以获得高分辨的原子像。,30,3,1,3,3,微悬臂力常数的测定,要准确了解针尖和样品的作用力与距离的关系，需要将微悬臂的弯折量转化为作用力，这就要求准确地测量针尖微悬臂的力常数。,因此，针尖的微悬臂力常数的测定，在,AFM,应用中是一个重要和基础的工作。,