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AFM探针针尖形状对台阶形貌测量影响小组成员1李君山PB0700903423余文航PB07009037张海滨PB07009035一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。原子力显微镜AtomicForceMicroscopy(AFM)AFM组成AFM显示及处理系统带针尖的微悬臂微悬臂运动检测装置计算机控制的图像采集使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件监控其运动的反馈回路结构示意图针尖区压阻敏感区高掺杂区AA/D+-Int.H.V.DASPCControlPC自感应法测微悬臂偏转基本结构测量原理将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。测量原理测量原理图表面形貌优缺点优点AFM提供真正的三维表面图AFM不需要对样品的任何特殊处理AFM在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作和扫描电子显微镜(SEM)相比，AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢，受探头的影响太大。缺点工作模式接触模式：扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触。非接触模式:悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡,相互作用由范德华力控制。敲击模式：悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。其他：横向力显微镜（LFM）、曲线测量、纳米加工。材料表要求TITLE原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大,包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等。而STM的表面一般有导电性要求。因为STM的基本原理是通过测量探针与样品表面的隧道电流大小来探测表面形貌，而AFM是测量探针与样品表面的相互作用力。影响AFM测量因素Forceref．值探针形状与其磨损和粘附Forceref．值大致为-1．0mm左右，它反映了探针与试样表面极微弱的作用力的大小。探针形状会映射到扫描图样上。而改变针尖结构的现象会显著降低扫描图像的分辨率，或使图像失真，甚至无法扫描图像。扫描速度一般，探针扫捕速度的大小由扫描的面积决定。扫描的面积较大时，试样在该区域的微观粗糙度就越大，若扫描速度较快，探针会因快速移动而来不及响应反馈信号，而使试样出现拖尾现象。I/Pgain值I/Pgain值主要用于探针对试样凹凸面的跟踪反馈能力。AFM探针分类非接触/轻敲模式针尖以及接触模式探针：最常用的产品，分辨率高，使用寿命一般。导电探针：通过对普通探针镀10-50纳米厚的Pt（以及别的提高镀层结合力的金属，如Cr，Ti，Pt和Ir等）得到。磁性探针：应用于MFM，通过在普通tapping和contact模式的探针上镀Co、Fe等铁磁性层制备，大长径比探针：大长径比针尖是专为测量深的沟槽以及近似铅垂的侧面而设计生产的。特点：不太常用的产品，分辨率很高，使用寿命一般。其他种类探针ELSE：类金刚石碳AFM探针/全金刚石探针：一种是在硅探针的针尖部分上加一层类金刚石碳膜，另外一种是全金刚石材料制备（价格很高）。这两种金刚石碳探针具有很大的耐久性，减少了针尖的磨损从而增加了使用寿命。还有生物探针（分子功能化），力调制探针，压痕仪探针。•新型探针的开发方向包括：超细超尖和超长寿命探针。提高目前电、磁性能探针的分辨率和使用寿命。减小AFM探针针尖形状对测量结果的影响几种探针示意图2006200720082009探针针尖形状对台阶形貌测量结果的影响(1)三角形针尖（不同针尖尖角）：SharpProbeDullProbe理想的三角形针尖才可以实现台阶拐角处的90度形貌。尖角较大（半角正切值大于台阶半宽除以深度）时，测出形貌有较大误差（深度已不能反应）尖角较小，可以反应台阶深度，但边沿会衍生出与探针同一斜率的斜线，不能产生90度的台阶形貌探针针尖形状对台阶形貌测量结果的影响(2)三角形针尖（不同台阶形貌）：三角针尖侧边斜率小于台阶侧边，测得形貌为针尖形貌。针尖侧边斜率大于台阶侧边，测得为真是形貌。台阶较陡：台阶较缓：探针针尖形状对台阶形貌测量结果的影响(3)球形针尖（不同针尖半径）：半径为R的球形针尖会导致直角台阶的测量形貌拐角处出现同样半径的圆弧过渡段。半径为r的球形针尖会导致拐角半径为R台阶的测量形貌拐角处出现半径为R+r的圆弧过渡段。探针针尖形状对台阶形貌测量结果的影响(4)当球形针尖直径大于台阶宽度时，测出形貌有较大误差（台阶深度已不能反应）。探针针尖形状对台阶形貌测量结果的影响(5)除上述影响外，针尖本身的形状（磨损和粘附）会在扫描过程中反映到所测量的形貌上来，导致测量的形貌有偏差而不能反应台阶的真实形貌。探针针尖形状对台阶形貌测量结果的影响(6)总结上述分析：三角形针尖的侧边斜率（即尖角大小）对测量有很大影响，斜率越大（探针越尖），测量越精确。(TipEffect)球形针尖的半径会决定台阶形貌测量的准确度。测得形貌的拐角半径为真实半径与探针半径之和。探针形状将会映射到所测量到的形貌上，故在AFM测量中探针尽量细而尖，方能保证形貌测量的准确可靠。以上为对凹台阶形貌测量分析，凸台即为探针反向运动，分析相似。参考文献1AFM原子力显微镜（PPT）陈宇航23AFM原理和探针分类百度百科AFM模式下扫描图像质量的影响因素四川理工学院学报4快速与精确的AFM探针模型重构研究科学通报5TappingModeAFM（PPT）万方数据库