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原子力显微镜的原理

原子力显微镜可以说是研究纳米尺度样品的最通用,最强大的显微镜技术。原子力显微镜的多功能性主要体现在它不仅可以在三维形貌中成像,还可以满足科学家和工程师的需求,提供各种类型的表面测量。AFM能够以原子级分辨率生成具有埃量级高精度信息的图像。

那么,原子力显微镜的工作原理是怎样的呢?在此页面中,我们通过易于理解的视频动画向您介绍AFM的原理。

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原子力显微镜的原理

原子力显微镜的原理
  • 原子力显微镜的原理

    纳米世界
    纳米,源自希腊语中“微小的”一词,相当于任何尺度乘以10-9。所以, 一纳米就是十亿分之一米。在这个尺度里,人们才开始考虑分子间作用力和量子效应。为了更好的理解纳米尺度,请想象一下原子相对于苹果的大小,同时也是苹果对于地球的大小。原子力显微镜(AFMs)给了我们打开了一扇通往纳米世界的窗户。

    原子力显微镜的原理
    - 表面传感
    原子力显微镜运用悬臂末端锐利的针尖来扫描样品表面。当探针接近样品表面时,样品与针尖之间的短程吸引力吸引针尖向表面移动。然而,当表面和针尖直接接触时,排斥力将会增大并占主导作用使悬臂向上弯曲。

    - 检测方法
    激光束被用于检测悬臂是靠近还是远离表面。入射光束被悬臂平顶上表面反射到位敏光电二极管(PSPD)中,用来检测悬臂弯曲所导致的反射光束位置的轻微改变。当针尖通过凸起的表面形态形貌时,悬臂的弯曲和相应的反射激光束的变化都会被PSPD记录下来。

    - 成像
    原子力显微镜通过运用悬臂对特定区域的扫描来完成样品表面形貌成像。位敏光电二极管检测样品表面高低起伏的形貌所导致的悬臂弯曲,并通过反馈回路控制针尖在表面的高度来稳定激光位置,最终可以形成一幅精确的表面形貌像。

标准成像
  • 接触模式 在该模式中,悬臂扫描时始终保持与样品接触。因为,当悬臂扫过样品表面时,强烈的排斥力导致悬臂弯曲。
  • 非接触模式 在此技术中,悬臂扫描时在样品表面上方振动。精确高速的反馈回路阻止针尖接触击表面,保持针尖锐。当针尖接近样品表面时,悬臂的振幅将会减小。通过运用反馈回路来纠正振幅偏差,可以得到一幅表面形貌像。
  • 轻敲模式 作为非接触模式的替代方法,该模式中悬臂同样是在表面,只是以更高的振幅振动。更大的振幅能够充分放大偏移信号,使控制回路更加容易控制形貌反馈。使用该方法可以得到较高分辨率的原子力显微镜图像,但针尖容易变钝,最终加速成像分辨率的降低。
介电-压电
  • 动态接触式静电力显微镜(DC-EFM) 不像标准静电力显微镜一样需要两次扫描,动态接触式静电力显微镜DC-EFM可以在单个扫描中运用锁定放大器来表征样品表面的电性能和形貌。悬臂被施加了一个不同于共振频率的交流电压,锁定放大器提取位敏光二极管信号中的振动组分,从而得到静电力显微镜的信号。
  • 静电力显微镜(EFM) 静电力显微镜(EFM)运用导电悬臂来探测样品表面的铁电区域。一张EFM图像是由两次扫描组成的:第一次扫描检测样品表面形貌,第二次扫描前悬臂被提升到距离样品一定高度以确保长程静电力是主导作用力。在该静电区域里,悬臂受到的吸引力和排斥力对应样品表面所带的正电荷和负电荷。最终使用者可以得到一张纳米尺度的区域电学性能以及形貌像。
电学性能
  • 导电型原子力显微镜 通过使用导电的偏压探针接触式扫描样品表面,人们可以测量样品的导电性。样品表面的高导电区域可以让电流轻松通过,相反,低导电区域会产生较高的阻力。导电型原子力显微镜可以同时收集样品的电性能以及表面形貌像。
  • 电流-电压分光镜 当悬臂与样品直接接触后时,我们给两者之间施加一个偏压。当偏压发生变化时,相应的电流变化可以被检测到,并用来表征样品表面特定位置的电学性能。采集的数据点可以用于生成表面电学性能的图像。
  • 扫描电容显微镜(SCM) 扫描电容显微镜(SCM)通过记录样品和金属探针之间的局部电容变化来表征造样品表面。同时含有交流和直流偏压组分的调制载波器可以探测到针尖和样品间的电容变化。放大器被用于检测高信噪比的电容传感器输出,且该输出信号(dC/dV)的量级是载流子和掺杂浓度的函数。
  • 扫描开尔文探针显微镜(SKPM) 在扫描开尔文探针显微镜里,原子力显微镜在非接触模式下工作,与此同时导电悬臂在共振频率振动并横向地扫描样品表面。所产生的静电信号提供表面电势以及电容梯度的相关信息。通过解析控制探针和样品之间的作用力,可得到形貌数据。
液体成像
  • 离子电导显微镜(ICM) 离子电导显微镜(ICM)利用纳米级孔径的吸液管进行检测。液体中吸液管内部和外部之间的离子流随着纳米吸液管探针和表面之间的距离而变化。通过运用反馈控制器来保持离子流恒定,人们可以获得样品表面的形貌。
力测量
  • 力-距离分光镜 力-距离曲线可以通过悬臂探针和样品表面接触得到。特定区域力-距离曲线的形状可以用来深度解析样品的力学性能,如粘附力,杨氏模量等。
磁性能
  • 磁力显微镜(MFM) 正如静电力显微镜进行形貌和电学性能两次扫描一样,磁力显微镜(MFM)也分别扫描形貌和磁性能。其特点是通过接触扫描来获取形貌,然后将探针提升到距离表面一定高度再次扫描以探测长程磁性作用力。在该磁性区域内,磁化悬臂的弯曲将对应着样品表面的磁力强弱。
力学性能
  • 力调制显微镜(FMM) 在力调制显微镜里(FMM),悬臂在扫描样品表面时振动。位敏光电二极管可以检测悬臂的振幅随着表面局部硬度的变化。通过内部锁定放大器提取出来的PSPD信号振幅的变化,我们可以计算出样品表面的硬度。
  • 横向力显微镜(LFM) 与传统的原子力显微镜运用悬臂纵向弯曲来表征表面形貌不同,横向力显微镜(LFM)使用悬臂在扫描表面时的扭曲来成像。当针尖在表面移动时悬臂扭转的程度能够提供样品表面的摩擦力和粘附力等有效信息。
  • 纳米压痕技术 纳米压痕技术通过将原子力显微镜的探针压入样品表面,然后对压痕原位成像来表征材料的局部硬度。通过分析压痕的加载和卸载曲线可以得到样品的硬度和弹性系数。
  • 纳米光刻 在该技术中,人们借助机械或电学的方法,用悬臂使样品表面改性。机械方法是将一个结实的特制悬臂大力刻入表面,电学方法则是使用偏压悬臂使表面区域发生氧化。
光学性能
  • NSOM(近场扫描光学显微镜) 在近场扫描光学显微镜(NSOM)里中,人们使用一个特制的纳米孔径探针来进行形貌扫描。在扫描过程中,一束激光穿过孔径激发样品表面,与此同时光子技术器检测每个刺激发区域的光学响应,最终得到结合了表面形貌和以及光学信息的图像。
  • TERS (针尖加强型拉曼光谱) 如同近场扫描光学显微镜测量形式一样,针尖加强型拉曼光谱使用激发激光来检测样品表面光学信号。在此过程中,激光利用探针加强效应从侧面进入。此外,分光光度计替代了光子计数器,从而为用户提供局部拉曼光谱,用于表征样品表面的局部化学组成。
热性能
  • 热扫描显微镜(SThM) SThM运用热敏电阻悬臂进行接触扫描以测量样品表面的热性能。在扫描过程中任探针电阻的变化将会被记录下来用于形成样品表面的热图像。
 

AFM Principle - How AFM Works | Park Atomic Force Microscope