第七章-原子力顯微鏡分析.ppt

1、第七章原子力顯微鏡,電子探針?lè)治鲋?一.引言 由于掃描隧道顯微鏡只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)，對(duì)于非導(dǎo)電材料必須在其表面覆蓋一層導(dǎo)電膜。導(dǎo)電膜的存在往往掩蓋了樣品的表面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。為了彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡的這一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber發(fā)明了第一臺(tái)原子力顯微鏡（AFM）。 原子力顯微鏡是將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品的表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力（斥力10-810-6N或范德瓦爾斯力），通過(guò)掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表

2、面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法和隧道電流檢測(cè)法，可以測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌信息。,二. 特點(diǎn)：,1.AFM（Atomic Force Microscope）是以STM為基礎(chǔ)，和STM為類(lèi)似技術(shù)的掃描探針顯微鏡，它是通過(guò)研究樣品表面與針尖原子間的作用力同距離的關(guān)系而獲得樣品表面形貌信息的顯微術(shù)。 2.它不象STM使用金屬探針，而是使用一個(gè)尖端附有探針的極靈敏的彈簧臂來(lái)作力敏元件，稱(chēng)之為微懸臂。當(dāng)微懸臂接近樣品表面時(shí)，探針和樣品表面原子力將產(chǎn)生相互作用。 3.當(dāng)距樣品較遠(yuǎn)時(shí)（0.2nm10nm），主要是范德瓦爾斯力（Van Der Waals Force，簡(jiǎn)

3、稱(chēng)VDW）起作用； 4.距離較近時(shí)主要是排斥力起作用。排斥力的大小取決于針尖與樣品表面的原子的接近程度。,原子間范德瓦爾斯力和距離的關(guān)系,三. AFM 的結(jié)構(gòu)及工作原理,在AFM工作時(shí)，探針尖端的原子同樣品表面的原子將產(chǎn)生相互作用，該相互作用使微懸臂發(fā)生形變或使其運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，這一變化可使用電學(xué)或光學(xué)的辦法探測(cè)出來(lái)，變化的大小反映相互作用的大小。,（一）隧道電流法檢測(cè)的原子力顯微鏡,圖6-1為使用隧道電流檢測(cè)的原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)原理示意圖。,1. 結(jié)構(gòu)組成,主要由探頭、掃描裝置、計(jì)算機(jī)及顯示終端等幾部分組成。 （1）探頭：包括微懸臂、隧道電流探針、樣品室、機(jī)械調(diào)整裝置和壓電陶瓷管等。 （2）掃描

4、裝置：一般有兩種掃描方式，一種為恒流模式；另一種為恒高模式。 （3）計(jì)算機(jī)處理及顯示終端。,2.原子力顯微鏡的工作原理,當(dāng)微懸臂上的探針在樣品表面X和Y方向作相對(duì)掃描時(shí)，因?yàn)闃悠繁砻媸前纪共黄降?，探針與樣品表面的原子間的相互作用力也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致探針和微懸臂一起上下起伏，微懸臂的起伏與樣品表面原子力等位面相對(duì)應(yīng)，亦即和樣品表面的形貌相對(duì)應(yīng)。對(duì)于恒高模式，在微懸臂上下起伏的過(guò)程中，隧道電流針尖與微懸臂之間的隧道電流隨之變化，檢測(cè)此隧道電流即獲得樣品表面的形貌信息。對(duì)于恒流模式，在微懸臂上下起伏的過(guò)程中，隧道電流針尖隨之也 上下起伏，檢測(cè)此隧道電流針尖在Z方向的移動(dòng)，即獲得樣品表面的形貌信息。

5、將這些信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即可獲得樣品表面的超微結(jié)構(gòu)圖象或原子分布圖。,（二）光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測(cè)的原子力顯微鏡,1.結(jié)構(gòu)原理圖：,右圖為激光偏轉(zhuǎn)檢測(cè)法示意圖，其結(jié)構(gòu)組成分為三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、 位置檢測(cè)部分、 反饋系統(tǒng)。 微懸臂通常由一個(gè)一般100500m長(zhǎng)和大約500nm5m厚的硅片或氮化硅片制成。,1.1 力檢測(cè)部分,在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的斥力或范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個(gè)一般 100500m 長(zhǎng)和大約 500nm5m 厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一

6、個(gè)尖銳針尖，用來(lái)檢測(cè)樣品針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)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(lèi)型的探針。,右圖是一典型的AFM懸臂和針尖,1.2 位置檢測(cè)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。,右圖是激光位置檢測(cè)器的示意圖。聚焦到微懸臂上面的激光反射到激

7、光位置檢測(cè)器，通過(guò)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。,1.3 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(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一定的作用力。,2.光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測(cè)的原子力顯微鏡的原理,半導(dǎo)體激光器所發(fā)激光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后 照到微懸臂的背面，微懸臂的背面鍍有金膜，相當(dāng)于一面反射鏡，經(jīng)微懸臂反射的激光束照到一個(gè)二象限光電探測(cè)器上。樣品固定在壓電陶瓷管上，并一起隨壓電陶瓷管在掃描電路控制下沿X，Y方向

8、掃描，并且在Z方向可以伸縮。如果微懸臂探針同樣品間的相互作用使微懸臂在Z方向產(chǎn)生位移，那么反射束將在二象限光電探測(cè)器上移動(dòng)。在二象限光電探測(cè)器中兩個(gè)光電管的交界處，光斑的移動(dòng)同二象限信號(hào)的差值有良好的線(xiàn)性關(guān)系，取二象限信號(hào)差值作為表面形貌信息。,三.AFM 操作模式,1.接觸式 (contact mode) 2.非接觸式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式） 3.輕敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 4.相移模式,將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂的一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子

9、與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力（10-810-6N），由于樣品表面起伏不平而使探針帶動(dòng)微懸臂彎曲變化，而微懸臂的彎曲又使得光路發(fā)生變化，使得反射到激光位置檢測(cè)器上的激光光點(diǎn)上下移動(dòng)，檢測(cè)器將光點(diǎn)位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)過(guò)放大處理，由表面形貌引起的微懸臂形變量大小是通過(guò)計(jì)算激光束在檢測(cè)器四個(gè)象限中的強(qiáng)度差值（A+B）-（C+D）得到的。將這個(gè)代表微懸臂彎曲的形變信號(hào)反饋至電子控制器驅(qū)動(dòng)的壓電掃描器，調(diào)節(jié)垂直方向的電壓，使掃描器在垂直方向上伸長(zhǎng)或縮短，從而調(diào)整針尖與樣品之間的距離，使微懸臂彎曲的形變量在水平方向掃描過(guò)程中維持一定，也就是使探針樣品間的作用力保持一定。在此反饋機(jī)制下，記錄在垂直方

10、向上掃描器的位移，探針在樣品的表面掃描得到完整圖像之形貌變化，這就是接觸模式。,1.接觸模式,恒力模式：在恒力模式中，反饋系統(tǒng)控制壓電陶瓷管，保持探針同樣品作用力不變；恒力模式不但可以用來(lái)測(cè)量表面起伏比較大的樣品，也可以在原子水平上觀測(cè)樣品。 恒高模式：在恒高模式下，保持探針同樣品的距離不變。恒高模式一般只用來(lái)觀測(cè)比較平坦的樣品表面。,2.AFM的非接觸模式,在這種工作模式下，AFM微懸臂工作在距離樣品較遠(yuǎn)的地方，一般為，在這樣遠(yuǎn)的距離上二者沒(méi)有電子云重疊發(fā)生，此時(shí)主要是VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均較小，所以要采用諧振的辦法來(lái)檢測(cè)，即將微懸臂安裝在一個(gè)壓電陶瓷片上使微懸臂在其諧振

11、頻率上振動(dòng)，當(dāng)微懸臂上的針尖在樣品表面上作相對(duì)掃描時(shí)，VDW發(fā)生改變，VDW的改變使微懸臂的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，產(chǎn)生“相移”或振幅改變，測(cè)得這個(gè)“相移”或振幅改變即可獲得VDW梯度，積分后可得VDW。VDW隨著微懸臂上針尖和樣品之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化，將這種VDW的變化轉(zhuǎn)換為形貌即得樣品表面的超微結(jié)構(gòu)或原子分布圖象。,3.輕敲模式,用一個(gè)小壓電陶瓷元件驅(qū)動(dòng)微懸臂振動(dòng)，其振動(dòng)頻率恰好高于探針的最低機(jī)械共振頻率（50kHz）。由于探針的振動(dòng)頻率接近其共振頻率，因此它能對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)起放大作用。當(dāng)把這種受迫振動(dòng)的探針調(diào)節(jié)到樣品表面時(shí)（通常220nm），探針與樣品表面之間會(huì)產(chǎn)生微弱的吸引力。這種吸引力會(huì)使探針的共

12、振頻率降低，驅(qū)動(dòng)頻率和共振頻率的差距增大，探針尖端的振幅減少。這種振幅的變化可以用激光檢測(cè)法探測(cè)出來(lái)，據(jù)此可推出樣品表面的起伏變化。 當(dāng)探針經(jīng)過(guò)表面隆起部位時(shí)，這些地方吸引力最強(qiáng)，其振幅變?。欢?jīng)過(guò)表面凹陷處時(shí)，其振幅增大，反饋裝置根據(jù)探針尖端振動(dòng)情況的變化而改變加在Z軸壓電陶瓷上的電壓，從而使振幅（也就是使探針與樣品表面的間距）保持恒定。同STM和接觸模式AFM一樣，用Z驅(qū)動(dòng)電壓的變化來(lái)表征樣品表面的起伏圖像。 在該模式下，掃描成像時(shí)針尖對(duì)樣品進(jìn)行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸，克服了傳統(tǒng)接觸模式下因針尖被拖過(guò)樣品而受到摩擦力、粘附力、靜電力等的影響，并有效的克服了掃描過(guò)程中針尖劃傷樣品的缺點(diǎn)

13、，適合于柔軟或吸附樣品的檢測(cè)，特別適合檢測(cè)有生命的生物樣品。,4 相移模式,作為輕敲模式的一項(xiàng)重要的擴(kuò)展技術(shù)，相移模式是通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂探針振動(dòng)的信號(hào)源的相位角與微懸臂探針實(shí)際振動(dòng)的相位角之差（即兩者的相移）的變化來(lái)成像。,引起該相移的因素很多，如樣品的組分、硬度、粘彈性質(zhì)等。因此利用相移模式，可以在納米尺度上獲得樣品表面局域性質(zhì)的豐富信息。迄今相移模式已成為原子力顯微鏡的一種重要檢測(cè)技術(shù)。,例：云母表面的AFM像,掃描范圍： 5nm5nm X方向掃描速度為 30Hz,云母表面結(jié)構(gòu)圖,光盤(pán)表面的AFM圖,掃描范圍3.2um3.2um, X方向的掃描速度30Hz,原子搬運(yùn),掃描范圍：47nm2

14、4nm,紅細(xì)胞的原子力顯微鏡形貌圖,1.磁力顯微鏡（MFM）,磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscopy,MFM）也是使用一種受迫振動(dòng)的探針來(lái)掃描樣品表面，所不同的是這種探針是沿著其長(zhǎng)度方向磁化了的鎳探針或鐵探針。當(dāng)這一振動(dòng)探針接近一塊磁性樣品時(shí)，探針尖端就會(huì)像一個(gè)條狀磁鐵的北極和南極那樣，與樣品中磁疇相互作用而感受到磁力，并使其共振頻率發(fā)生變化，從而改變其振幅。這樣檢測(cè)探針尖端的運(yùn)動(dòng)，就可以進(jìn)而得到樣品表面的磁特性。,幾種其它掃描探針顯微鏡,下圖為使用MFM觀察得到的磁光盤(pán)表面的磁數(shù)據(jù)位的磁結(jié)構(gòu)（凹坑伏）。,2.靜電力顯微鏡（EFM）,在靜電力顯微鏡（Electron F

15、orce Microscopy, EFM）中，針尖和樣品起到一個(gè)平行的板極電容器中兩塊極板的作用。當(dāng)其在樣品表面掃描時(shí)，其振動(dòng)的振幅受到樣品中電荷產(chǎn)生的靜電力的影響。利用這一現(xiàn)象，就可以通過(guò)掃描時(shí)獲得的靜電力圖象來(lái)研究樣品的表面信息。下圖為2.5mX2.5m的藍(lán)寶石表面EFM圖象，其中左面一幅圖象用排斥力獲得，右面一幅圖用吸引的靜電力獲得。,3.彈道電子發(fā)射顯微術(shù)（BEEM）,彈道電子發(fā)射顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它所用的樣品是由金屬/半導(dǎo)體或半導(dǎo)體/半導(dǎo)體構(gòu)成的肖特基勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)。當(dāng)針尖被調(diào)節(jié)到接近異質(zhì)結(jié)表面時(shí)通過(guò)真空隧道效應(yīng)，針尖向金屬/半導(dǎo)體發(fā)射彈道電子。通過(guò)觀察針尖掃描

16、時(shí)各點(diǎn)的基極-收集極電流Ic和Z電壓Vz，可以直接得到表面下界面結(jié)構(gòu)的三維圖象和表面形貌。右圖為Au/GaAs(100)肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的STM形貌象（上）和BEEM象（下），二者是同時(shí)采集的。,4.掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）,掃描離子電導(dǎo)顯微鏡是由Hansma等人設(shè)計(jì)的一種用于生物學(xué)和電生理學(xué)研究的微觀探測(cè)儀器。它是將一個(gè)充滿(mǎn)電解液的微型滴管當(dāng)作探針，非導(dǎo)電樣品放在一個(gè)電解液存儲(chǔ)池底部，將滴管探針調(diào)節(jié)到樣品表面附近，監(jiān)測(cè)電解液電極和存儲(chǔ)池中另一電極之間的電導(dǎo)變化。當(dāng)微型滴管接近表面時(shí)，允許離子流過(guò)的空間減少，離子電導(dǎo)也隨之減小。在滴管探針（或樣品）橫向掃描時(shí)，通過(guò)反饋控制電路使探針（或樣品

17、）上下移動(dòng)以保持電導(dǎo)守恒，則探針運(yùn)動(dòng)的軌跡代表了樣品的表面形貌。,5.掃描熱顯微鏡,掃描熱顯微鏡用于探測(cè)樣品表面的熱量散失，可測(cè)出樣品表面溫度在幾十微米尺度上小于萬(wàn)分之一度的變化。掃描熱顯微鏡的探針是一根表面覆蓋有鎳層的鎢絲，鎳層與鎢絲之間是絕緣體，在尖端二者相連，這一鎢/鎳接點(diǎn)起熱電偶的作用。探針?lè)€(wěn)定到樣品表面后，向結(jié)點(diǎn)通直流電加熱，針尖的溫度穩(wěn)定下來(lái)時(shí)要比周?chē)h(huán)境溫度高。由于樣品是固體，導(dǎo)熱性能比空氣好，所以當(dāng)加熱后的針尖向樣品表面靠近時(shí)，針尖的熱量向樣品流失使針尖的溫度下降。通過(guò)反饋回路調(diào)節(jié)針尖與樣品間距，從而控制恒溫掃描，和獲得樣品表面起伏的狀況。右圖為用掃描熱顯微鏡獲得的在玻璃基底上的紅細(xì)胞表面輪廓。,6.掃描隧道電位儀（STP）,掃描隧道電位儀（Scanning Tunneling Potentionmetry,STP）是用于研究電子通過(guò)凝聚態(tài)物質(zhì)時(shí)的遷移。它可以同時(shí)表面形貌的電勢(shì)分布，因而可以用來(lái)研究通過(guò)顆粒結(jié)構(gòu)、缺陷和界面的電導(dǎo)。掃描隧道電位儀是在掃描隧道顯微鏡的樣品表面又加了一個(gè)電極，樣品與針尖之間加一交流電壓，反饋系統(tǒng)利用這一交流電壓產(chǎn)生的交流隧道電流來(lái)控制在掃描時(shí)隧道間隙的恒定。,7.光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）,光子掃描隧道顯微鏡（Ph