科研干货——原子力显微镜

仪器的基本构成

力检测部分

在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。

位置检测部分

在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂摆动，当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。

反馈系统

在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。

AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。即可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。

仪器的表征信息

薄膜表面形貌和粗糙度表征

原子力显微镜(AFM)通过检测待测样品表面和探针之间的相互作用力来表征样品的表面结构及性质,它可以对样品的表面形貌起伏、结构变化进行表征，获得样品表面的形貌、粗糙度和结构尺寸等信息。同时轻敲模式下可以得到相图，表征样品的组分、硬度、粘弹性质，模量等因素引起相位角变化。数据分析软件中对样品的形貌进行三维模拟显示，使图像的视觉效果更加直观。利用数据分析软件还能得到测定区域内常用的表征粗糙度的参数（表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq）和其他表征样品表面的部分参数。下图表征的是薄膜样品的二维形貌图、三维形貌图、相图和粗糙度等部分参数结果。

纳米层状材料厚度表征

自二维材料首次提出至今，有大量的可用数据和高性能的器件演示证明了二维材料以其独特的结构特征和物理化学性质使其在电子学、光电子学、催化、储能、太阳能电池、生物医学、传感器、环境等方面具有巨大的潜在应用前景。为了研究二维材料的形貌和厚度对其性能的影响，使用具有原子级分辨率的AFM能够准确测量二维材料片层形貌大小及厚度，图3表征的是二维材料中层状材料的形貌和厚度分析的结果。除表征片层厚度，AFM还可以无损表征台阶或沟槽等需要测量高纵比结构的宽度和深度。

开尔文探针力显微镜表征

开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy KPFM）通常测试的是导电探针和样品表面的接触电势差（CPD）,它可以在不损伤样品的情况下同时得到待测样品的微观表面形貌和表面电学性质的信息，例如下图中KPFM可以清晰、准确地分辨合金样品中不同材料的电势差分布。