顯微鏡的發(fā)展歷史：

1983年，IBM公 司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家GerdB inni g和Heinr ich Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)。

STM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以只能測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體。

1985年，IBM公司的Binn i ng和Stanford大學(xué)的Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡(AFM)，彌補(bǔ)了STM的不足，可以用來測量任何樣品的表面。

AFM的原理

AFM是在STM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種顯微技術(shù)。

首先，了解一下STM的工作原理。

STM是利用原子間的隧道效應(yīng)進(jìn)行測量的。

隧道效應(yīng)

經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過勢壘，有一閾值能量;粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。

如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)(quantum tunneling) ?？梢?，宏觀上的確定性在微觀.上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。

STM就是根據(jù)這種效應(yīng)制成的。

當(dāng)針尖和樣品面間距足夠小時(shí)(<0.4nm) ，在針尖和樣品間施加一偏置電壓，便會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，電子會(huì)穿過勢壘，在針尖和樣品間流動(dòng)，形成隧道電流。在相同的偏置電壓下，電流強(qiáng)度對針尖和樣品間的距離十分敏感，隧道電流隨間距呈指數(shù)變化，樣品表面的形貌影響著隧道電流的劇烈變化，這種電流變化有計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理就可以的到樣品表面的形貌了。

STM的結(jié)構(gòu)與工作過程

AFM即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡之后發(fā)明的一種具有原子級(jí)高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測，或者直接進(jìn)行納米操縱。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。

在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分:力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。

原子力顯微鏡的構(gòu)成

原理:

當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。

力檢測部分:

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中,所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂(cantilever) 來檢測原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如:長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。

位置檢測部分:

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂(cantilever) 擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶踓ant i lever擺動(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器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供控制器作信號(hào)處理。

反饋系統(tǒng):

在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測器取入之后，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)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。

原子力顯微鏡(AFM) 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(AFM)的系統(tǒng)中，使用微小懸臂(cantilever)來感測針尖與樣品之間的交互作用，測得作用力。這作用力會(huì)使懸臂擺動(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

成像原理

探針尖和試件表面非常接近時(shí)，二者間的作用力極為復(fù)雜，有原子(分子、離子)間的排斥力(庫侖力)、吸引力(范德華力)、磁力、靜電力、摩擦力(接觸時(shí))、粘附力、毛細(xì)力等。

AFM的檢測成像用的是原子(分子、離子)間的排斥力(接觸測量)或吸引力(非接觸測量)，而其他各種作用力對AFM的檢測成像并無幫助，而只是起干擾影響作用。

1、探針——試件間距離在10 μm左右時(shí)，空氣阻尼力；

2、探針——試件間距離在100~ 1000nm時(shí)，主要靜電力和磁力相互作用；

3、探針——試件間距離在10~ 100nm處，吸附水膜產(chǎn)生幾百nN吸引力的毛細(xì)力；

4、針尖——試件距離到達(dá)10 nm左右時(shí)，原子(分子、離子)間吸引的范德華力；

5、針尖——試件間距離小到1nm以內(nèi)時(shí)，原子間相互排斥的厙侖力開始起作用。

AFM測量時(shí)利用的相互作用力

在接觸測量時(shí)，檢測的是它們間的相互排斥力；

在非接觸測量時(shí)，檢測的是它們間的相互吸引力。

恒定力量或者恒定高度

AFM信號(hào)反饋模式(作用力的檢測模式)

表面形貌和材料如何測量

AFM有多種工作模式

1、接觸模式( Contact Mode) ：作用力在斥力范圍，力的量級(jí)為10^(-8) ~10^(-10) N?？蛇_(dá)到原子級(jí)分辨率。

2、非接觸模式( Non-Contact Mode) ：作用力在引力范圍，包括范德華力、靜電力或磁力等。

3、輕敲模式(Tapping Mode )。

4、Interleave模式( Interleave Normal Mode/L ift Mode )。

5、力調(diào)制模式( Force Modulation Mode )。

6、力曲線模式( Force Curve Mode)。

接觸式原子力顯微鏡

接觸式AFM是一個(gè)排斥性的模式，探針尖端和樣品做柔軟性的“實(shí)際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃過樣品表面時(shí)，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖形。由于是接觸式掃描，在接觸樣品時(shí)可能樣品表面彎曲。經(jīng)過多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。

特點(diǎn):

通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。

接觸式((contact mode )成像結(jié)果

非接觸式原子力顯微鏡

在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動(dòng)始終不與樣品接觸，探測器檢測的是范德華作用力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長程作用力，針尖一試件間距離大致在5~20nm。

需要使用較堅(jiān)硬的懸臂(防止與樣品接觸)。

所得到的信號(hào)更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和樣品之間的距離較長時(shí)，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。

特點(diǎn):

由于為非接觸狀態(tài)，對于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會(huì)有鈍化效應(yīng)，不過會(huì)有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也很少。

非接觸式(rnon contact mode )成像結(jié)果

間歇接觸式原子力顯微鏡

微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動(dòng)，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng)針尖與樣品不接觸時(shí)，微懸臂以最大振幅自由振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時(shí)，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏上下移動(dòng)獲得形貌信息。

類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表面。損害樣品的可能性比接觸式少(不用側(cè)面力，摩擦或者拖拽)。

輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由于接觸時(shí)間非常短暫，針尖與樣品的相互作用力很小，通常為1皮牛頓(pN) ~1納牛頓(nN )剪切力引起的分辨率的降低和對樣品的破壞幾乎消失，所以適用于對生物大分子、聚合物等軟樣品進(jìn)行成像研究。

特點(diǎn):

對于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對表面結(jié)構(gòu)的“搬運(yùn)效應(yīng)”樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更有效。

間歇接觸式(tapping mode)成像結(jié)果

如何提高圖像分辨率？

1、發(fā)展新的技術(shù)或模式來提高分辨率，即從硬件設(shè)備以及成像機(jī)理上提高成像分辨率。如最近Fuchs等發(fā)明的Q控制技術(shù)，可以提高成像分辨率和信噪比。采用力調(diào)制模式或頻率調(diào)制模式等也可以有效提高成像分辨率。

2、選擇尖端曲率半徑小的針尖，減小針尖與樣品之間的接觸面積，減小針尖的放大效應(yīng)，以提高分辨率。

3、盡量避免針尖和樣品表面的污染。如果針尖上有污染物，就會(huì)造成與表面之間的多點(diǎn)接觸，出現(xiàn)多針尖現(xiàn)象，造成假像。如果表面受到了污染，在掃描過程中表面污染物也可能粘到針尖.上，造成假像的產(chǎn)生。

4、控制測試氣氛，消除毛細(xì)作用力的影響。由于毛細(xì)作用力的存在，在空氣中進(jìn)行AFM成像時(shí)會(huì)造成樣品與針尖的接觸面積增大，分辨率降低。此時(shí)，可考慮在真空環(huán)境下測定，在氣氛控制箱中沖入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的介電性質(zhì)也可以影響針尖與樣品間范德華作用力常數(shù)，從而有可能減小它們之間的吸引力以提高成像分辨率。不過液體對針尖的阻尼作用會(huì)造成反饋的滯后效應(yīng)，所以不適用于快速掃描過程。

探針

AFM針尖放大效應(yīng)

AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接觸在表面上進(jìn)行成像，所得到的圖像是針尖與樣品真實(shí)形貌卷積后的結(jié)果。如圖所示，實(shí)線代表樣品的真實(shí)形貌，虛線就是針尖掃描所得到的表觀圖像。二者之間的差別在于針尖與樣品真實(shí)接觸點(diǎn)和表觀接觸點(diǎn)隨針尖移動(dòng)的函數(shù)變化關(guān)系。

探針之與解析度

針尖效應(yīng)不僅會(huì)將小的結(jié)構(gòu)放大，而且還會(huì)造成成像的不真實(shí)，特別是在比較陡峭的突起和溝槽處。一般來說，如果針尖尖端的曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面結(jié)構(gòu)的尺寸，則針尖效應(yīng)可以忽略，針尖走過的軌跡基本上可以反映表面結(jié)構(gòu)的起伏變化。

微懸臂檢測方法

AFM是通過檢測微懸臂形變的大小來獲得樣品表面形貌信息的，所以微懸臂形變檢測技術(shù)至關(guān)重要。

到目前為止，檢測微懸臂形變的方式主要有以下幾種：

1)隧道電流檢測法

2)電容檢測法

3)光學(xué)檢測法

4)壓敏電阻檢測法

5)光束偏轉(zhuǎn)法。此方法由Meyer和Amer于1988年發(fā)明，簡便實(shí)用，廣泛應(yīng)用于目前的商品化儀器。

須指出，由于針尖——樣品之間的作用力是微懸臂的力常數(shù)和形變量之積，所以無論哪種檢測方法，都應(yīng)不影響微懸臂的力常數(shù)，而且對形變量的檢測須達(dá)到一納米以下。

AFM應(yīng)用技術(shù)舉例

AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo)電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應(yīng)用。

主要用途：

1、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像

2、生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像

3、表面化學(xué)反應(yīng)研究

4、納米加工與操縱

IBM科學(xué)家首次拍下單分子照片

用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

用AFM觀察細(xì)胞生長

納米加工

利用AFM可以對樣品進(jìn)行表面原子搬運(yùn)，原子蝕刻，從而制造納米器件

用AFM針尖移動(dòng)Si原子形成的IBM文字                   STM針尖移動(dòng)原子形成的圖形文字

遭瘧疾感染的人體紅血球和藍(lán)藻

AFM的缺點(diǎn)

1、受樣品因素限制較大(不可避免)

2、針尖易磨鈍或受污染(磨損無法修復(fù)；污染清洗困難)

3、針尖——樣品間作用力較小；

4、近場測量干擾問題；

5、掃描速率低；

6、針尖的放大效應(yīng)。

AFM的優(yōu)點(diǎn)

1、制樣相對簡單，多數(shù)情況下對樣品不破壞；

2、具有高分辯率，三維立體的成像能力；

3、可同時(shí)得到盡可能多的信息；

4、操作簡單，對附屬設(shè)備要求低。

(1)高分辨力能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過掃描電子顯微鏡(SEM)，以及光學(xué)粗糙度儀。樣品表面的三維數(shù)據(jù)滿足了研究、生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)越來越微觀化的要求。

(2)非破壞性，探針與樣品表面相互作用力遠(yuǎn)比以往觸針式粗糙度儀壓力小，陶瓷膜表面形貌。因此不會(huì)損傷樣品，也不存在掃描電子顯微鏡的電子束損傷問題。另外掃描電子顯微鏡要求對不導(dǎo)電的樣品進(jìn)行鍍膜處理，而原子力顯微鏡則不需要。

(3)應(yīng)用范圍廣，可用于表面觀察、尺寸測定、表面粗糙測定、顆粒度解析、突起與凹坑的統(tǒng)計(jì)處理、成膜條件評價(jià)、保護(hù)層的尺寸臺(tái)階測定、層間絕緣膜的平整度評價(jià)、VCD涂層評價(jià)、定向薄膜的摩擦處理過程的評價(jià)、缺陷分析等。

(4)軟件處理功能強(qiáng)，其三維圖象顯示其大小、視角、顯示色、光澤可以自由設(shè)定。并可選用網(wǎng)絡(luò)、等高線、線條顯示。圖象處理的宏管理，斷面的形狀與粗糙度解析，形貌解析等多種功能。