2 原子力显微镜（.ppt

《2 原子力显微镜（.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2.2原子力显微镜（AFM）2.2.1原子力显微镜的基本原理STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材料，STM将无能为力，应用受到了限制。为了弥补STM的不足，分辨绝缘表面上的单个原子，1986年，Binnig，Quate和Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。AFM是一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于二维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。它与STM主要不同点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖来代替STM的隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道

2、电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨率来看，AFM要比STM略微低一些。12.2.1原子力显微镜的基本原理AFM的工作原理如图所示。对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定，另一端则有一微小的针尖。在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(10-8~10-6N)，会使悬臂产生微小偏转。这种偏转被检测出并用作反馈来保持力的恒定，就可以获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图像。各种形式的A

3、FM的区别主要在微悬臂偏转的检测方式上，通常有隧道电流检测法，光学检测法和电容测量法。22.2.1原子力显微镜的基本原理AFM的微小的针尖32.2.2原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法AFM的图像是通过在样品表面上扫描时测量微悬臂受力弯曲后偏转的程度得到的。采用不同的微悬臂偏转的检测方式就构成了不同的AFM工作原理。检测微悬臂偏转的方式有很多种，其精度将直接影响到AFM的原子分辨率。最常用的有四种：(1)隧道电流检测法；(2)光学干涉测量法；(3)光束偏转测量法；(4)电容测量法。为了得到高分辨的AFM，对检测方式一方面要求具有纳米级的灵敏度，另一方面还要求

4、检测时不应该对微悬臂产生任何附加的作用力，避免造成信号误差。42.2.2.1隧道电流检测法隧道电流检测法是用STM来检测微悬臂的偏转。Binnig,Quate和Gerber发明的第一台AFM就是采用这种检测方式。这种检测法在微悬臂的上方设有一个隧道电极(STM针尖)。通过测量微悬臂与STM针尖之间隧道电流的变化就可以检测微悬臀的偏转。隧道电流检测法的优点是灵敏度高，而且不需要特别的检测手段，只要在STM仪器上稍加改进就可以实现AFM测量，其缺点是信噪比低，它的测量精度取决于在微悬臂上产生的隧道电流，工作在大气条件时，微悬臂上吸附的微小污染物往往造成无法准确

5、地检测出隧道电流，而使性能下降。因而，这种检测方法比较适合于工作在超高真空环境下工作的AFM。隧道电流检测法的垂直位移检测精度应该和STM垂直方向的分辨率相同，为0.01nm左右。52.2.2.2光学干涉测量法用光学方法来检测微悬臂的偏转，可以克服隧道电流检测法的缺点，因为微悬臂上吸附的微小污染物不会影响光学方法的检测精度。1987-1988年，Martin等人提出了光学干涉测量方法。其原理是利用光学干涉的方法来探测微悬臂共振频率的位移(或偏振光的相移)及微悬臂偏转的幅度。如Martin设计的差动式干涉测量方法，用两束相互正交的偏振光，参考光束和探测光束，

6、分别检测微悬臂的旋转部位和针尖部位；这两束光从上述部位反射后会发生干涉，并产生一个相位依赖于探测光束光程的光束；当AFM扫描时，样品和针尖之间的原子排斥力会使微悬臂发生微小偏转，这就使得探测光束的光程发生变化，进而使得参考光束和探测光束之间的相位出现移动。这种相移的大小直接反映了微悬臂偏转角度的大小，并且和微悬臂上受到的原子力成正比。62.2.2.2光学干涉测量法光学干涉测量法的主要优点除了对微悬臂上微小污染物不敏感以外，它还不要求微悬臂具有持别平滑的高反射性的表面。在各种测量微悬臂偏转的方法中，光学干涉测量法的测量精度最高。它的垂直位移检测精度达到0.0

7、01nm。光学干涉测量法的缺点是设置在微悬臂前端的光纤要求较高的定位精度。72.2.2.3光束偏转测量法光束偏转测量法比光学干涉测量法要简单的多，它在微悬臂上的顶部设置了一枚微小的镜子，通过检测小镜子上反射光束的偏转就可以得到微悬臂偏转的信息。光束偏转测量法的精度很高，当氦-氖激光器的波长是选用670nm的红光时，已经证明其探测的极限可以高达0.003nm。光束偏转测量法比较简单，用于测量的光束在微悬臂前端的位置不需要十分精确地定位，技术上容易实现，因而，光束偏转测量法在AFM中应用最为普遍。但是，光束偏转测量法也有它的不足之处，它要求微悬臂上要具有很光滑

8、的光学反射表面。这种反射表面通常是在微悬臂的前端部位镀上对红外线几