基于原子力显微镜的悬臂梁微尖端器件应用新进展

　　1 引 言

　　自 1985 年 IBM 公司苏黎世实验室的 G.Bin-nig，Christoph Gerber 和斯坦福大学的 Quate 合作推出了原子力显微镜(AFM)以来，原子力显微镜由于其不仅能在纳米或原子级成像，还具有分辨率高，操作简单的特点，已被广泛地应用于材料研究、缺陷分析、成膜条件评价、质量控制等诸多方面，成为人们观测和探知微观世界的重要工具[1]。在此基础上，衍生出的各种新型悬臂梁微尖端器件在传感器[2]、高密度数据存储[3～9]、纳米级图形加工[10～18]、纳米结构机械特性测试[19]等方面的应用也逐渐增多。

　　2 原子力显微镜的工作原理

　　原子力显微镜是通过检测样品表面与微尖端之间的相互作用力(原子力)来探测样品表面形貌[20]。

　　2.1 基本原理

　　一纳米级微尖端位于一端固定的微米级弹性悬臂梁另一端，当其轻微地接触样品表面时，由于尖端原子与样品表面原子之间存在着极其微弱的相互作用力而使得悬臂梁发生弯曲，如图 1 所示。

　　一束激光入射到该悬臂梁微尖端的背面，经过反射由光电检测器接收，因为悬臂梁的弯曲使得激光反射角度发生变化，导致光电检测器中感光二极管上激光光斑变化，从而造成二极管中电流改变。通过测量电流的变化可以得知悬臂梁的弯曲程度，然后经处理即可获得如图 2 所示的样品表面三维影像。

　　2.2 工作模式

　　原子力显微镜的工作模式是以微尖端和样品表面的相互作用力形式分类的。主要有 3 种工作模式，即：接触式、非接触式和间歇接触式。

　　接触式是原子力显微镜最直接的成像模式。在微尖端扫描样品的过程中，尖端始终与样品表面保持柔性接触，接触产生的排斥力使得悬臂梁发生弯曲，进而可得到样品的表面形貌。该模式扫描速度快，但不宜用于观测软质样品，且多次扫描后微尖端会磨损钝化。

　　非接触式以振动的方式进行观测。当微尖端靠近样品表面时，范德华力控制其相互作用，这时可探测共振频率或振幅的变化。该模式适合于研究软质样品的表面，但为避免尖端吸附，扫描速度是 3种工作模式中最慢的。

　　间歇接触式类似于非接触式，但比非接触式更靠近样品表面，且微尖端会时而轻碰样品表面，通过振幅的变化反映探针尖端到样品表面的距离。与非接触式相比，其优点在于能更有效地扫描具有较大起伏的样品表面。

　　3 接触模式下悬臂梁微尖端的应用

　　通过微尖端和样品表面接触既能在样品表面沉积图形，也可以通过刻划样品或使样品局部发生电化学反应产生图形，从而实现无掩膜的纳米加工。