原子力显微镜

　　1　引　　言

　　1986年,为了观察绝缘材料表面的原子图像,IBM的G.Binning和斯坦福大学的C.F.Quate、C.Gerber合作,发明了原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope: AFM)。当时,AFM的横向分辨率达到2nm,纵向分辨率达到0.01nm,放大倍数高达100万倍以上,而且AFM对工作环境和样品制备的要求比电镜的低得多,因此立即得到了广泛的重视。最早的AFM主要是作为观察样品表面形貌的显微镜使用的。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取,AFM也作为检查表面粗糙度和测量仪器来使用。目前,通过控制并检测针尖-样品之间的相互作用力,原子力显微镜已经发展成为扫描力显微镜家族,不仅可以以高分辨率表征样品表面形貌,而且可以分析研究与作用力相对应的各种表面性质。另外,利用探针尖锐的针尖,可以操纵原子和进行纳米加工,因此,AFM与STM一起在纳米科学与技术中发挥着日益重要的作用。

　　2　AFM的基本原理和工作模式

　　AFM与STM的主要差别是以一个一端固定,而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针;以探测微悬臂受力产生的微小形变代替探测微小的隧道电流。当针尖非常接近样品表面时,就在针尖-样品之间产生相互作用力,通过检测在该力作用下微悬臂产生的弹性形变量(Δz),就可以根据微悬臂的弹性系数k和等式

　　直接求出作用力F。微悬臂的弹性系数k=3EI/L3=9.57mf2,其中E为杨氏模量,I为转动惯量,L是微悬臂长度,m是微悬臂质量,f是微悬臂的共振频率。

　　针尖-样品之间的各种相互作用力可以概括为短程排斥力和长程吸引力。作用力与针尖-样品间距的关系如图1a所示。接触式AFM对应的针尖-样品间距在小于零点几个纳米的斥力区域,对应图1a中的ab段。当样品相对针尖沿着xy方向扫描时,由于表面的高低起伏使得针尖-样品之间的距离发生变化,引起针尖-样品之间相互作用力的变化,从而使微悬臂形变发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面,再反射到位置灵敏的光电检测器时,检测器不同像限收到的激光强度差值,同微悬臂的形变量形成一定的比例关系。反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值,不断调整针尖-样品之间的距离,并且保持针尖-样品之间的作用力不变,就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时,可以采用恒高模式进行扫描,即针尖-样品之间距离保持恒定,这时针尖-样品之间的作用力大小直接反映了表面的形貌图像。接触式AFM的工作原理示意图示于图1b,其特点是图像稳定,分辨率高。作为例子,图2显示了作者制备的Ag-TCNQ电双稳态薄膜的接触式AFM图像。