原子力显微镜原理、仪器及应用.ppt

Click to edit Master title style,AQUARELLE POWERPOINT TEMPLATE,*,*,Click to edit Master title style,原子力显微镜原理、仪器及应用,汇报人：,XXX,起源,AFM,全称,Atomic Force Microscope,即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（,Scanning Tunneling Microscope,）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵。,LOOK AT THIS,2,结构简图,AFM,利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替,STM,隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。,3,原子力显微镜,(Atomic Force Microscopy,AFM),是由,IBM,公司的,Binnig,与史丹佛大学的,Quate,于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（,SPM,）进行观测。,原子力显微镜的基本原理是：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，通过在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。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。,基本原理,4,能量的角度,若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从,Lennard Jones,的公式中到另一种印证。,从公式中知道，当,r,降低到某一程度时其能量为,+E,，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设,r,增加到某一程度时，其能量就会为,-E,；同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。,为原子的直径为原子之间的距离,6,力检测部分,位置检测部分,反馈系统,原子力显微镜的硬件架构,图,2,、原子力显微镜,(AFM),系统结构,在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：,7,各部分介绍,2.1,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。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。,2.2,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,cantilever,的末端时，其反射光的位置也会因为,cantilever,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。,8,原子力显微镜,10,工作过程,11,集中工作模式,作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式,(,相位移模式,),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、硬度等。因此利用相移模式,(,相位移模式,),，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,(,相位移模式,),已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。,相位移模式,13,必须确定激光已落在针尖的背面，才能进针进行扫描！,光路的判断,激光落在悬臂后部，左右移动激光器可以看到水平的衍射条纹；向前移动激光器则没有垂直的衍射条纹；,激光落在悬臂边缘，此时可以看到十字或倾斜的衍射条纹；,激光落在基片上，纸条上出现光斑；大范围左右移动激光器，光斑无变化，没有衍射条纹出现；,材质：,硅、氮化硅；,悬臂形状：,矩形或三角形；,镀层：,背面镀铝、镀金、镀铂等；,尺寸参数：,长度、宽度、厚度；,力参数：,力常数、共振频率；,针尖参数：,针尖尺寸、高度、锥角；,AFM,探针,针尖的种类,AFM针尖,样品台,AFM,样品测试台,测试样品台解析,AFM图像,SPM Console,在线控制软件,Imager,图像处理及分析软件,软件,AFM,的应用,利用,AFM,可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。,还可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、,VCD,涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。,