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1、实验2.3原子力显微镜一、概述在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重要的研究方向.1933年德国Ruska和Knoll研制了第一台电子显微镜.继后,许多用于表面结构分析的现代仪器问世.如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等,但是多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界.1982年,GerdBinnigHeinrichRohrer在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanningtunnel2ngmicrosc
2、ope,STM)[1],使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质[2].1986年,Binnig和Rohrer被授予诺贝尔物理学奖.STM是继高分辨透射电子显微镜、场离子显微镜之后,第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜,其分辨率水平方向可达0.1nm,垂直方向可达0.01nm.STM不受其他表面结构分析仪器的真空测试环境的限制,可在大气、液体环境下,直接观察到物质的表面特征.目前STM已在化学、物理、生命科学和材料科学等学科的许多领域得到广泛的应用.STM的工作原理是基于量子理论中的隧道效应.将原子线度
3、的极细探针和被研究的样品的表面作为两个电极,当样品的表面与探针针尖的距离非常近时(一般小于1nm),在外加电场作用下,电子会穿过两个电子之间的势垒流向另一电极,从而产生隧道效应.STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的,因此STM要求样品表面能够导电,从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构.对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证,且导电薄膜掩盖了物质表面的细节.为了克服STM的不足之处,Binnig,Quate和Gerber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介,把微悬臂放在样品和STM的针尖之间,于198
4、6年推出了原子力显微镜(atomicforcemicroscope,AFM)[3].AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息.因此,AFM除导电样品外,还能够观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域将更为广阔.它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌,可以补充STM对样品观测得到的信息,且分辨率亦可达原子级水平[4].正如Binnig在研制出AFM之初时所指出的那样:“该仪器能测出小到单个原子间的相互作用力,若在低温条件下,甚至能检测出10-18N的微小作用力”[5].1988年,国外开始对AFM进行
5、改进,研制出了激光检测原子力显微镜(Laser-AFM)[6-8].我国中国科学院化学所白春礼等人在1988年初成功地研制了国内第一台集计算机控制、数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜(STM).在同年底又研制出我国第一台原子力显微镜(AFM),其性能一下子就达到原子级分辨率.后来又在已有的STM和AFM的基础上[9,10],成功地研制出国内首台全自动Laser-AFM[11],其横向分辨率为0.13nm.以STM和AFM为基础,衍生出了一系列的扫描探针显(scanningprobemicroscope,SPM),有激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(
6、MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、近光光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等.扫描探针显微镜(SPM)标志着对物质表面在纳米级上成像和分析的一个新技术领域的诞生,必将为纳米技术的发展注入新的活力.二、AFM的工作原理和工作模式 (1)AFM的工作原理AFM的工作原理结构示意图见图1.在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针代替STM中的简单的金属极细探针.当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力),引起微悬臂偏转.扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应
7、于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动,通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像.AFM的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(Cantilever)和固定于其一端的针尖. 根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为[12]F=KΔZ 式中,ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为Can2tilever的弹性系数. 力的变化均可以通过Cantilever被检测.根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类
8、是检测探针的位移;另一类是检测探针的角
