振动模式扫描极化力显微镜及其应用

　　原子力显微镜AFM(atomic force microscope)利用针尖与样品间的范德华力进行成像,通常有接触(contact)、非接触(non-contact)和轻敲(tapping)三种模式。在针尖-样品间作用力(force) -距离(distance)关系图上,接触模式在AB段成像;非接触模式在CD段成像;轻敲模式在ED段成像(图1)。DI公司的静电力显微镜,在主扫描(main scan)中以轻敲模式成像,而在插入扫描(interleave scan)中以静电力辅助的非接触模式成像。

　　空气中的轻敲模式AFM常会碰到毛细力的干扰,毛细力的存在使成像力大到能破坏或移动柔软的样品,并会污染针尖,增大针尖与样品的接触面积,使稳定的高分辨成像变得困难。

　　静电力显微镜EFM(electrostatic force microscope)中静电力作为成像的敏感信号,与范德华力相比,静电力更强,作用范围也更远,针尖与样品的距离可达到上百个纳米,被用来测量金属或半导体的电容、表面电势及电荷分布等性质,或探测薄层绝缘体上的局部电荷。

　　扫描极化力显微镜SPFM(scanning polarizationforcemicroscope)是从EFM衍生出来的一种成像模式。SPFM在导电AFM针尖上加一定的偏压,在针尖和样品之间诱导形成电场。这种电场力被称为极化力,是一种长程吸引力,叠加在范德华力上。即使另外一个电极在无穷远处,针尖偏压仍然可以在尖锐的针尖附近形成很强的电场梯度,因此一般不需要在样品上或附近附加电极。SPFM[1~12]中,以极化力介导的非接触状态下对液膜、液滴、表面上微弱结合的颗粒及厚层介电样品成像,使用的长程极化力使针尖在距离样品更远处成像,不容易被吸到样品表面,成像更稳定,但由于受到针尖和样品间距的限制,横向分辨率大约在20nm左右。

　　本文的振动模式扫描极化力显微镜VSPFM(vibrating mode scanning polarization force microscope)是极化力介导下的非接触方式和轻敲方式的综合成像方式,可以通过调节针尖高度来实现在极化力介导下的非接触方式和轻敲方式之间的自由切换,装置如图2所示。在极化力介导的非接触方式中,极化力叠加在范德华力上,克服了一般的非接触模式中因成像力程太短而不稳定的缺点;而在极化力介导的轻敲方式中,又能部分消除AFM轻敲模式中黏附力的干扰,还可以用比AFM轻敲模式中最小稳定成像力更小的力进行成像。

　　最近出现的一些新的EFM成像方法或类似于EFM的方法[13~16]中,也是在导电针尖上加偏压,对绝缘衬底上导电或绝缘的样品进行成像,这些方法

中的针尖高度都在10 nm以上。因为范德华力中的吸引力随距离的增大而迅速减小,所以在这些方法中,静电力是针尖和样品之间的主要作用力,本质上这些方法都还是静电力显微镜;而VSPFM中,针尖与样品的间距一般在几纳米范围内,范德华力在成像力中占相当一部分,特别是在极化力介导的非接触方式和轻敲方式的转折点处,范德华力还是主要成像力,静电力起稳定作用,这是VSPFM与上述方法不同之处。