原子力显微镜相位成像模式的设计及研究

　　原子力显微镜(AFM)[1,2]是扫描探针显微镜家族中应用最广泛的一员,现已发展成为表面科学研究中的一种强有力的分析手段。它主要有三种工作模式:接触模式(contact mode)、非接触模式(noncontact mode)和轻敲模式(tapping mode或oscillating mode)。其中轻敲模式[3]是近年来发展起来一项新的成像技术,是一种介于接触模式和非接触模式之间的成像模式。在轻敲模式扫描过程中,微悬臂针尖不像传统的接触模式那样简单地拖过样品表面,而是以比非接触模式更大的振幅(大于20nm)在其谐振频率附近振动,针尖只在每个周期中极短的时间内间断地接触样品表面。反馈系统调整针尖与样品的间距来保持微悬臂的平均振幅恒定,对反馈输出信号成像,便可获得样品的表面形貌。

　　在轻敲模式下,针尖与样品间的作用力通常是10-9N~10-12N[3],针尖与样品间断接触,所以分辨能力几乎可以与接触模式一样高。在接触样品表面时,由于作用时间短,作用力又是垂直的,所以样品表面受侧向力和剪切力的影响很小,获得的图像较接触模式的更清晰,更真实。这种轻敲模式最突出的优点是不会划伤柔软的样品,解决了接触模式对样品的损伤问题,可有效地检测生命领域的活细胞、大分子团、蛋白质、人体遗传基因等,扩展了AFM的应用范围。

　　最近几年,在轻敲模式的基础上又发展出相位成像模式。相位成像模式在检测微探针振幅的同时检测探针振动相位相对驱动信号相位的相位差。与振幅信号只能反映样品表面形貌信息不同,相位信号可以反映样品表面纳米尺度范围内的力学性质变化。

　　本文给出了一种应用于原子力显微镜轻敲模式的相位检测电路,并将其应用于我国中科奥纳公司生产的NSPM-6800型扫描探针显微镜。实验表明此电路工作稳定,图像清晰可靠,可应用于现有的商品扫描探针显微镜。

　　1　系统组成与测量原理

　　图1是在原子力显微镜上加装相位检测系统的原理框图。微探针的形变通过光学系统检测:半导体激光器(1)发出的激光经光学系统聚焦到微探针(2)的前端,反射后最终照射到四象限光电检测器(3)的中心位置。微探针微小的形变反映为四象限光电检测器上光斑的位置不同,即光电检测器输出的电压变化。微探针固定在压电陶瓷激振器(4)上,通过调节激振器的输入信号的频率和幅值,即可调节微探针的振动频率和幅度。在轻敲模式下,通常使微探针在共振频率下振动。微探针远离样品时的自由振动振幅称为自由振幅。当微探针接近样品时,针尖周期性地轻敲样品表面,同时针尖受到包括长程的van derWaals力、短程排斥力、表面吸附力等各种力的作用。针尖与样品表面原子层的各种相互作用使得微探针的振幅减小。反馈控制系统通过调节扫描器的Z向高度,使其根据样品表面的上下起伏而上下移动,保持探针的振幅值恒定。样品表面每一点上压电扫描器的起伏信息形成了样品的表面形貌图像。