一、
原理 ^@
Xzh: r]deVd G 原子力
显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八五年所发明的,其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜(SPM)进行观测。
.k"unclT0 \gGTkH 原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)最大的差别在于并非利用
电子隧道效应,而是利用原子之间的范德华力(Van Der Waals Force)作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中,一个是在悬臂(cantilever)的探针尖端,另一个是在样本的表面,它们之间的作用力会随距离的改变而变化,其作用力与距离的关系如“图1” 所示,当原子与原子很接近时,彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用,所以整个合力表现为斥力的作用,反之若两原子分开有一定距离时,其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用,故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看,这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones 的公式中到另一种印证。
HP,{/ $i: wz{&0-md*' {#,?K 图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而不同,其之间的能量表示也会不同
Hyb_>n f&I5bPS7} 48)D%867.; cDq*B*e 从公式中知道,当r降低到某一程度时其能量为+E,也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值,若假设r增加到某一程度时,其能量就会为-E 同时也说明了空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看,原子力式显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来,让微观的世界不再神秘。
ig ^x%!; M%bD7naBq 在原子力显微镜的系统中,是利用微小探针与待测物之间交互作用力,来呈现待测物的表面之
物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式:
39bw,lRPV S|O#KE (1)利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜(contact AFM ),探针与试片的距离约数个。
G4^6o[ x r8>Qs RnU% (2)利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜(non-contact AFM ),探针与试片的距离约数十个? 到数百个?。
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- y=2nV 二、原子力显微镜的硬件架构:
m>f8RBp]' t]hfq~Ft 在原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)的系统中,可分成三个部分:力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
+t8#rT ^B ;+*/YTkC+P 图2、原子力显微镜(AFM)系统结构
_ZE&W s;#,c( 2.1 力检测部分:
K?Jo"oy7 \;1nEjIA 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。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。
0py29>"t j/F:j5O* 2.2 位置检测部分:
HHL7z,%f CQs,G8\/ 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cantilever摆动,所以当
激光照射在cantilever的末端时,其反射光的位置也会因为cantilever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。
i7mo89S 24k;.o 2.3 反馈系统:
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