原子力显微镜在微纳操作中的应用.doc

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1、研究生课程论文(2013-2014学年第2学期)原子力显微镜在微纳操作中的应用研究生：提交日期：2014年9月27日研究生签名：学号学院华南理工大学机械与汽车工程学院课程编号S课程名称基于机器人的纳米操作和自动化学位类别学术型学位硕士任课教师教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日原子力显微镜在微纳操作中的应用摘要：原子力显微镜有着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的特性。而微纳操作技术是在微/纳米尺度上制造具有特定功能结构与器件的方法，该技术获得广泛的关注和研究。本文简述原子力显微镜探测物体表面形状的基本原理以及

2、其核心构件的组成与功能，关键词：原子力显微镜微纳操作0引言纳米材料在光、电、磁等方面具有独特的性能，将其制成特定的结构和器件已成为当今研究的热点问题。纳米物体的操作方法是制造纳米器件的关键技术，影响着器件的精度和性能。它通过对微米、亚微米与纳米尺度上的物体进行物理、化学和生物等特性的测量，通过推拉、提取、搬运和放置等方法构造与改变物体形状结构，从而完成微纳机器人、传感器与机电系统的构建[1]。微纳操作技术将对人类社会产生极其重要的影响，例如人造细胞和细胞修复机器人能对不可治愈疾病所造成的坏损细胞进行替代或修复，并能延长人类的寿命[2]。而现有的纳米操作方法中，AFM由于其不受材料限

3、制，并具有原子级分辨能力，因此被看作为一种重要的微加工工具，广泛应用于纳米技术的研究[3]。AFM全称AtomicForceMicroscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜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。自从原子力显微镜(AFM)发明以来，作为一种高精度的形貌检测工具，广泛地应用到生物、物理、化学和机械等领域。基于AFM的纳米操作技术还可用于进行纳米微粒的精确操作与装配，对纳电子和纳机电器件研究作出重大贡献，在生物医学和仿生学中也有着广范的应用[4]。例如，随着A

4、FM技术的发展，通过AFM探针与表面的相互机械作用，人们发现可以在微纳米尺度上去除材料，如Mate等在1987年首次采用AFM获得了钨针尖和石墨表面、云母表面间的原子级摩擦力。因此，AFM也广泛地应用在纳米摩擦磨损领域，显示出其非凡的能力[5]。原子力显微镜AFM在光盘质量检测中也有着深远的应用。AFM能够在nm尺度上直接对光盘及其模板上的信息位几何结构的特征尺寸及其误差进行三维测量，从而可以建立生产工艺参数和信息位几何结构之间、信息位几何结构和盘片电气性能之间的关系，进而找出影响光盘质量的直接原因[6]。在纳电子及纳机电器件研究方面，研究人员已经研制出一些纳电子原型器件，如单电子

5、晶体管、纳米场效应晶体管、纳米化学成分传感器等；另外，有学者还研制出了各种纳机电原型器件，如纳米旋转驱动器、纳机电震荡器、纳米镊等。上述纳米原型器件不仅在尺度上远小于常规器件，而且在一些关键性能指标方面也远超出常规器件，它们的研制成功将会进一步加快各种纳米器件或系统的研制步伐[7]。1原子力显微镜的工作原理当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升，如图1所示。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息[8]。具体来讲，AFM是用一端固定，而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密

6、切相关的针尖与样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品与针尖相互作用的直接反映。通过检测微悬臂产生的弹性形变量X，就可以根据微悬臂的弹性系数k和函数式F=k×X直接求出样品与针尖间相互作用F。图1原子间作用力-距离的关系曲线在由于微悬壁的变形非常小，直接求取其变形是非常固难的，因而需要一此放大装置来方便检测形变。AFM利用接收照射在悬臂尖端的激光束的反射来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值。当

7、样品在XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x，y])，若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖与样品相互作用与间距的关系，得到样品表面的高度变化信息Δh(x，y)，即样品表面任意点(x，y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌。AFM主要由四大件组成：扫描探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机和自动逼近控制电路。图2是AFM工作原理示意图。半导体激光器发出激光束，经透镜汇聚打到探针头部，并发射进入四