原子力顯微鏡-試驗(yàn)報(bào)告

1、原子力顯微鏡姓名：董佳婿學(xué)號(hào)：141120021院系：物理學(xué)院摘要：本文闡述了原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，觀察了樣品的表面形貌,最后對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡，導(dǎo)電ITO,表面粗糙度1 .引言在當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)中，如何觀察、測(cè)量、分析尺寸小于可見光波長(zhǎng)的物體，是一個(gè)重要的研究方向。掃描隧道顯微鏡(STM)使人們首次能夠真正實(shí)時(shí)地觀察到單個(gè)原子在物體表面的排列方式和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。STM要求樣品表面能夠?qū)щ姡瑥亩沟肧TMR能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。為了克服STM的不足之處，推出了原子力顯微鏡(AFM)。AFM是通過探針與被測(cè)樣品之間微弱的相互作用力(

2、原子力)來獲得物質(zhì)表面形貌的信息。因此，AFM1導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。2 .原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)及工作原理在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)，如圖1所示。激光登瀏器二：厚宓逼近零桿壓電陶瓷管電機(jī)SPM控制器(1)力檢測(cè)部分在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。使用微懸臂來檢測(cè)原子之間力的變化量。如圖2所示，微懸臂通常由一個(gè)一般100500pm長(zhǎng)和大約500nm-5仙m厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖，用來檢測(cè)樣品-針尖間的相互作用力。圖2(2)位置檢測(cè)部

3、分在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了作用之后，會(huì)使得懸臂擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供SPM控制器作信號(hào)處理。聚焦到微懸臂上面的激光反射到激光位置檢測(cè)器，通過對(duì)落在檢測(cè)器四個(gè)象限的光強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，可以得到由于表面形貌引起的微懸臂形變量大小，從而得到樣品表面的不同信息。(3)反饋系統(tǒng)在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針

4、尖保持一定的作用力。原子力顯微鏡便是結(jié)合以上三個(gè)部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng)，再利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。3 .原子力顯微鏡的工作模式根據(jù)探針與樣品之間距離的不同，原子力顯微鏡有可分為三種工作方式。即：接觸式，非接觸式和輕敲式。本實(shí)驗(yàn)采用接觸模式：樣品掃描時(shí)，針尖始終同樣品“接觸”，即針尖-樣品距離在小于零點(diǎn)幾個(gè)納米的斥力區(qū)

5、域。此模式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。當(dāng)沿著樣品掃描時(shí)，由于表面的高低起伏使得針尖-樣品距離發(fā)生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發(fā)生改變。當(dāng)激光束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器不同象限會(huì)接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強(qiáng)度差值。反饋回路根據(jù)檢測(cè)器的信號(hào)與預(yù)置值的差值，不斷調(diào)整針尖一樣品距離，并且保持針尖一樣品作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測(cè)量模式稱為恒力模式。當(dāng)已知樣品表面非常平滑時(shí)，可以讓針尖一樣品距離保持恒定，這時(shí)針尖一樣品作用力大小直接反映了表面的高低，這種方法稱恒高模式。本實(shí)驗(yàn)采用恒力模4 .原子力顯微鏡的操作步驟(1)依次開啟：

6、電腦-控制機(jī)箱-高壓電源-激光器。(2)用粗調(diào)旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距<1mm(3)再用細(xì)調(diào)旋鈕使樣品逼近微探針：順時(shí)針旋細(xì)調(diào)旋鈕，直至光斑突然向PSD移動(dòng)。(4)緩慢地逆時(shí)針調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕并觀察機(jī)箱上反饋?zhàn)x數(shù)：Z反饋信號(hào)約穩(wěn)定在-150至-250之間(不單調(diào)增減即可)，就可以開始掃描樣品。(5)讀數(shù)基本穩(wěn)定后，打開掃描軟件，開始掃描。(6)掃描完畢后，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)調(diào)旋鈕退樣品，細(xì)調(diào)要退到底。再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)旋鈕退樣品，直至下方平臺(tái)伸出1厘米左右。(7)實(shí)驗(yàn)完畢，依次關(guān)閉：激光器-高壓電源-控制機(jī)箱(8)處理圖像，得到粗糙度5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1)導(dǎo)電ITO樣品的表面形貌粗糙度Ra:6.0n

7、m;Ry:122.4nm;Rz:122.4nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm圖像大小X:400pixel;Y:400pixel二維表面形貌：1000200030004000nmfl2)A4紙樣品的表面形貌粗糙度Ra:9.4nm;Ry:150.0nm;Rz:150.0nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm圖像大小X:400pixel;Y:400pixel二維表面形貌:300020001DOO010002000300004000nm3)Cu樣品的表面形貌粗糙度Ra:11.7nm;Ry:131.9nm;Rz:131.9nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm圖像大小X:40

8、0pixel;Y:400pixel二維表面形貌：TTTiTT14)Si樣品的表面形貌粗糙度Ra:12.8nm;Ry:420.5nm;Rz:420.5nm掃描范圍X:4000nm;Y:4000nm一維表面形貌400030002000100000100020003D004UUDnm6.對(duì)實(shí)驗(yàn)的討論(1)AFM探測(cè)到的原子力的由哪兩種主要成分組成？吸引力即范德瓦耳斯力、電子云重疊而引起的排斥相互作用。(2)原子力顯微鏡有哪些應(yīng)用？在物理學(xué)中，AFM可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及動(dòng)態(tài)過程，超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層材料中的電荷密度等。從理論上講，金屬的表面結(jié)構(gòu)可由晶體結(jié)構(gòu)推斷

9、出，但實(shí)際上金屬表面很復(fù)雜。衍射分析方法已經(jīng)表明，在許多情況下，表面形成超晶體結(jié)構(gòu)(稱為表面重構(gòu))，可使表面自由能達(dá)到最小值，而借助AFM可以方便得到某些金屬、半導(dǎo)體的重構(gòu)圖像。AFM在高分子領(lǐng)域中的應(yīng)用已由最初的聚合物表面幾何形貌的觀測(cè)，發(fā)展到深入高分子的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和表面性能等新領(lǐng)域，并提出了許多新概念和新方法。對(duì)高分子聚合物樣品的觀測(cè),AFM可達(dá)納米級(jí)分辨率，能得到真實(shí)空間的表面形貌三維圖像，同時(shí)可以用于研究表面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)過程。在生物學(xué)上，AFMt匕STM更易闡明脫氧核糖核酸、蛋白質(zhì)、多糖等大分子結(jié)構(gòu)，且有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：生物大分子樣品不需要覆蓋導(dǎo)電薄膜；可在多種環(huán)境下直接實(shí)時(shí)觀測(cè)；圖像分辨率

10、高；基底選擇性強(qiáng)等。除物理、化學(xué)、生物、等領(lǐng)域外，AFM在微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、新型材料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和巨大的應(yīng)用前景。(3)與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡相比，掃描探針顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要受什么因素限制？傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長(zhǎng)或電子波長(zhǎng)以上線度的結(jié)構(gòu)。微懸臂和針尖是決定AFM靈敏度的核心。為了能夠準(zhǔn)確地反映出樣品表面與針尖之間微弱的相互作用力的變化。得到更真實(shí)的樣品形貌，提高AFM的靈敏度，微懸臂的設(shè)計(jì)通常要求滿足下述條件；較低的力學(xué)彈性系數(shù)，使很小的力就可以產(chǎn)生可觀測(cè)的位移較高的力學(xué)共振頻率高的橫向剛性，針尖與樣品表面的摩擦不會(huì)使他發(fā)生彎曲微懸臂長(zhǎng)度盡可能短©微懸臂帶有能夠通過光學(xué)、電容、隧道電流方法檢測(cè)其動(dòng)態(tài)位移的鏡子或電極針尖盡可能尖銳AFMK器的發(fā)展也可以說是微懸臂和針尖不斷改進(jìn)的過程。(4)要對(duì)懸臂的彎曲量進(jìn)行精確測(cè)量，除了在AFM中使用光杠桿這個(gè)方法外，還有哪些方法可以達(dá)到相同數(shù)量級(jí)的測(cè)量精度？電學(xué)方法:1 .隧道電流檢測(cè)法。根據(jù)隧道電流對(duì)電極間距非常敏感的原理，將STM用的針尖置于微懸臂的背面作為探測(cè)器，通過針尖與微懸臂間產(chǎn)生的隧道電流的變化就可檢測(cè)由于原子間的相互作用力令微懸臂產(chǎn)生的形變。2 .電容法。通過測(cè)量微