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      原子力顯微鏡/AFM的工作模式

      2018-03-02 11:46 檢測知識

        原子力顯微鏡/AFM的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下幾種:

        1 接觸模式

        將一個對微弱力極敏感的微懸臂的一端固定,另一端有一微小的針尖,針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10e-8~10e-6N),由于樣品表面起伏不平而使探針帶動微懸臂彎曲變化,而微懸臂的彎曲又使得光路發生變化,使得反射到激光位置檢測器上的激光光點上下移動,檢測器將光點位移信號轉換成電信號并經過放大處理,由表面形貌引起的微懸臂形變量大小是通過計算激光束在檢測器四個象限中的強度差值(A+B)-(C+D)得到的。將這個代表微懸臂彎曲的形變信號反饋至電子控制器驅動的壓電掃描器,調節垂直方向的電壓,使掃描器在垂直方向上伸長或縮短,從而調整針尖與樣品之間的距離,使微懸臂彎曲的形變量在水平方向掃描過程中維持一定,也就是使探針-樣品間的作用力保持一定。在此反饋機制下,記錄在垂直方向上掃描器的位移,探針在樣品的表面掃描得到完整圖像之形貌變化,這就是接觸模式。

        2 橫向力(摩擦力)顯微鏡(LFM)

        橫向力顯微鏡(LFM)是在原子力顯微鏡/AFM表面形貌成像基礎上發展的新技術之一。工作原理與接觸模式的原子力顯微鏡/AFM相似。

        當微懸臂在樣品上方掃描時,由于針尖與樣品表面的相互作用,導致懸臂擺動,其擺動的方向大致有兩個:垂直與水平方向。一般來說,激光位置探測器所探測到的垂直方向的變化,反映的是樣品表面的形態,而在水平方向上所探測到的信號的變化,由于物質表面材料特性的不同,其摩擦系數也不同,所以在掃描的過程中,導致微懸臂左右扭曲的程度也不同,檢測器根據激光束在四個象限中,(A+C)-(B+D)這個強度差值來檢測微懸臂的扭轉彎曲程度。而微懸臂的扭轉彎曲程度隨表面摩擦特性變化而增減(增加摩擦力導致更大的扭轉)。激光檢測器的四個象限可以實時分別測量并記錄形貌和橫向力數據。

        3 輕敲模式

        用一個小壓電陶瓷元件驅動微懸臂振動,其振動頻率恰好高于探針的最低機械共振頻率(~50kHz)。由于探針的振動頻率接近其共振頻率,因此它能對驅動信號起放大作用。當把這種受迫振動的探針調節到樣品表面時(通常2~20nm),探針與樣品表面之間會產生微弱的吸引力。在半導體和絕緣體材料上的這一吸引力,主要是凝聚在探針尖端與樣品間水的表面張力和范德華吸引力。雖然這種吸引力比在接觸模式下記錄到的原子之間的斥力要小一千倍,但是這種吸引力也會使探針的共振頻率降低,驅動頻率和共振頻率的差距增大,探針尖端的振幅減少。這種振幅的變化可以用激光檢測法探測出來,據此可推出樣品表面的起伏變化。

        當探針經過表面隆起的部位時,這些地方吸引力最強,其振幅便變小;而經過表面凹陷處時,其振幅便增大,反饋裝置根據探針尖端振動情況的變化而改變加在Z軸壓電掃描器上的電壓,從而使振幅(也就是使探針與樣品表面的間距)保持恒定。同STM和接觸模式AFM一樣,用Z驅動電壓的變化來表征樣品表面的起伏圖像。

        在該模式下,掃描成像時針尖對樣品進行“敲擊”,兩者間只有瞬間接觸,克服了傳統接觸模式下因針尖被拖過樣品而受到摩擦力、粘附力、靜電力等的影響,并有效的克服了掃描過程中針尖劃傷樣品的缺點,適合于柔軟或吸附樣品的檢測,特別適合檢測有生命的生物樣品。

        4 相移模式(相位移模式)

        作為輕敲模式的一項重要的擴展技術,相移模式(相位移模式)是通過檢測驅動微懸臂探針振動的信號源的相位角與微懸臂探針實際振動的相位角之差(即兩者的相移)的變化來成像。

        引起該相移的因素很多,如樣品的組分、硬度、粘彈性質等。因此利用相移模式(相位移模式),可以在納米尺度上獲得樣品表面局域性質的豐富信息。迄今相移模式(相位移模式)已成為原子力顯微鏡/AFM的一種重要檢測技術。

        5 曲線測量

        SFM除了形貌測量之外,還能測量力對探針-樣品間距離的關系曲線Zt(Zs)。它幾乎包含了所有關于樣品和針尖間相互作用的必要信息。當微懸臂固定端被垂直接近,然后離開樣品表面時,微懸臂和樣品間產生了相對移動。而在這個過程中微懸臂自由端的探針也在接近、甚至壓入樣品表面,然后脫離,此時原子力顯微鏡/AFM測量并記錄了探針所感受的力,從而得到力曲線。Zs是樣品的移動,Zt是微懸臂的移動。這兩個移動近似于垂直于樣品表面。用懸臂彈性系數c乘以Zt,可以得到力F=c·Zt。如果忽略樣品和針尖彈性變形,可以通過s=Zt-Zs給出針尖和樣品間相互作用距離s。這樣能從Zt(Zs)曲線決定出力-距離關系F(s)。這個技術可以用來測量探針尖和樣品表面間的排斥力或長程吸引力,揭示定域的化學和機械性質,像粘附力和彈力,甚至吸附分子層的厚度。如果將探針用特定分子或基團修飾,利用力曲線分析技術就能夠給出特異結合分子間的力或鍵的強度,其中也包括特定分子間的膠體力以及疏水力、長程引力等。

        6 納米加工

        掃描探針納米加工技術是納米科技的核心技術之一,其基本的原理是利用SPM的探針-樣品納米可控定位和運動及其相互作用對樣品進行納米加工操縱,常用的納米加工技術包括:機械刻蝕、電致/場致刻蝕、浸潤筆(Dip-Pen Nano-lithography,DPN)等。

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