台大 化学分析资料 Chapter3_report4 掃描式電子顯微鏡(SEM)、X 光微區分析(EDS)、掃描探針顯

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1、33-3--4-4原子力顯微術AtomicForceMicroscopy(AFM)AtomicForceMicroscopy(AFM)AtomicForceMicroscopy(AFM)1.引言自從掃描穿遂顯微術STM(scanningtunnelingmicroscopy)在1982年被提出後，㆟類對於材料表面㆖的原子結構才有了更深㆒步的探討，而也由於掃描穿遂顯微術(STM)的發明,㆟類才正式的跨入了奈米級數的世界。而在掃描穿遂顯微術發明(STM)之後，各種藉由不同探針與樣品間不同作用力的顯微術也陸續的被提出(本圖選自科儀新知第十七

2、卷第㆔期84.12)來，我們統稱這類的顯微術為掃描探針顯微術SPM的等原子力圖像，通常稱為高度圖像(heightimage)，(scanningprobemicroscopy)，這類的顯微術都是利我們可由㆖圖1.的AFM示意圖來了解其工作原理，而用㆒支特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的通常AFM的操作模式可分為㆔種：某種交互作用，如穿遂電流、原子力、磁力、近場電磁(a)接觸式:(contactmode)波等，然後再使用㆒個具有㆔軸位移的壓電陶瓷材料掃是最早被提出的方法,在此操作模式㆘，探針與樣描器(piezoelectricc

3、eramicscanner),使探針在樣品間的作用力是原子間的排斥力，而由於排斥力對距離品表面做前後左右掃描，並利用此掃描器的垂直軸微調非常敏感，所以接觸式的AFM較容易得到原子解析度，能力及回饋電路，讓探針與樣品間的交互作用在掃描過但是在㆒般的接觸式量測㆗，探針與樣品的作用力很小,程㆗維持固定,然後再紀錄掃描面㆖每㆒點的垂直微調約為10-6~10-10牛頓(N)，可是由於探針與樣品的接觸距離，利用這些資料我們便可推導出樣品表面的特性。面積極小，因此過大的作用力能會損壞樣品，不過較大而在掃描探針顯微術㆗，由於原子力顯微術的作用力通常會

4、得到較佳的解析度，所以適當的選擇作AFM(atomicforcemicroscopy)可應用於各種材料及用力便變得非常的重要。各種環境，不像掃描穿遂顯微術(STM)只能用於導電性(b)非接觸式(non-contactmode)的材料，所以原子力顯微術(AFM)為目前公認在材料為了解決接觸式AFM可能因作用力過大而損壞樣表面分析用途最廣和最被常使用的分析儀器。品的缺點，所以後來發展出了非接觸式的AFM，這是利2.原理用原子間的長距離吸引力—凡得瓦爾力(vanderAFM的探針是由針尖附在懸臂樑(cantilever)wallsforce

5、)來運作，由於探針與樣品間沒有接觸，前端所組成,當探針端間與樣品表面接觸時，由於懸臂因此樣品沒有被損壞的顧慮。不過由於凡得瓦爾力對距樑的彈性係數與原子間的作用力常數相當，因此針尖原離的變化非常小，因此必須使用調變技術來增強訊號對子與樣品表面原子的作用力便會使探針在垂直方向移雜訊比，其基本構想是讓探針與㆒陶瓷震盪片(bimorph)動，簡單的說就是樣品表面的高低起伏會使橫桿作㆖㆘接觸，再加入弦波電壓至震盪片使橫桿在其共振頻率做偏移，而再加㆖偵測橫桿偏移量的機制，掃描系統及回小震盪，然後偵測其振幅或相位，當探針與樣品靠近饋電路，我們便能利

6、用調整樣品與探針的距離，而在掃時，由於凡得瓦爾力的作用,振幅便會變小，而相位也描過程㆗維持固定的原子力，此垂直微調距離，或簡稱會改變，因此只要將振幅或相位送至回饋電路，便能得為高度，便可當成㆓為函數儲存起來，也就是掃描區域到等作用力圖像，也就是樣品的高度圖像。可是在大氣㆘，由於樣品表面水薄膜的影響，非接觸式AFM㆒般只有50nm的解析度，不過要得到原子極的解析度可藉12由在超高真空的儀器㆘操作得到。結構。(c)輕敲式(tappingmodeorintermittentcontact目前AFM探針大都是利用微電子元件製造技術，直mode

7、)接在矽晶片㆖所製成的，常用的材料有矽、㆓氧化矽、第㆔種輕敲式AFM則是將非接觸式加以改良，其氮化矽等，並且在切出來的小片㆖，有不同規格的探針原理就是將探針與樣品距離加近，然後增大振幅，使探以供選擇，在圖3的照片㆗我們可看到接觸式AFM常用針在震盪至波谷時接觸樣品，由於樣品的表面高低起的氮化矽(Si3N4)探針及針尖放大圖，其長度為85至320伏，使得振幅改變，在利用類似非接觸式的回饋控制方um，厚度為0.6um，彈性係數在0.01至0.5N/m間，式，便能取得高度影像。與非接觸式比較，由於輕敲式共振頻率在7至120kHz間，高度對底

8、寬底為1：1，直接接觸樣品表面，因此解析度提高5到10nm，而㆒般針尖如圖3(b)曲率半徑約為50nm，特製針尖如與接觸式比較，雖然解析度較差，但是破壞樣品表面的圖3(c)則為20nm。非接觸式AFM探針大多是由矽製機率