原子力显微镜原理 （Atomic Force Microscope, AFM）

原子力显微镜AFM的基本工作原理

原子力显微镜原理（atomic force microscope, AFM）

由于STM侷限于试片的导电性质，使得应用范围大大的减少，为了能有更广泛的应用科用，故改用力场作回馈而发展出原子显微仪（atomic force microscope, AFM），而因为对导体及绝缘体均有三维空间的显影能力，所以成为运用Zui广泛的扫描探针显微仪。图4-1为原子力显微镜的简单示意图。

图4-1 原子力显微镜的示意图[1]
 
原子力显微镜（AFM）属于扫描探针显微技术（SPM）的一支，此类显微技术都是利用特製的微小探针，来侦测探针与样品表面之间的某种交互作用，如穿隧电流、原子力、磁力、近场电磁波等等，然后使用一个具有三轴位移的压电陶瓷扫描器，使探针在样品表面做左右前后扫描（或样品做扫描），并利用此扫描器的垂直微调能力及迴馈电路，让探针与样品问的交互作用在扫描过程中维持固定，此时两者距离在数至数百A°（10-10m）之间，而只要记录扫描面上每点的垂直微调距离，我们便能得到样品表面的等交互作用图像，这些资料便可用来推导出样品表面特性。图4-2是原子力显微镜（AFM）的结构示意图。
AFM的主要结构可分为探针、偏移量侦测器、扫描器、迴馈电路及电脑控制系统五大部分，距离控制方式为光束偏折技术，光系由二极体雷射产生出来后，聚焦在镀有金属薄膜的探针尖端背面，然后光束被反射至四象限光电二极体，在经过放大电路转成电压讯号后，垂直部份的两个电压讯号相减得到差分讯号，当电脑控制X、y轴驱动器使样品扫描时，探针会上下偏移，差分讯号也跟著改变，因此迴馈电路便控制z轴驱动器调整探针与样品距离，此距离微调或其他讯号送入电脑中，记录成为X、Y的函数，便是AFM影像。

图4-2 原子力显微镜（AFM）的结构示意图

探针是由一个针尖附在一支横杆前端所组成，探针尖端与样品表面接触时，由于横杆弹性系数和原子间的作用力相当，因此探针尖端的原子与样品表面原子的作用力便会使横杆在垂直力方向移动，作用力来源包括探针和表面的凡得瓦力（Van der Waals force）与探针和表面的外层电子之间的库伦排斥力。所以样品的表面高低起伏造成横杆作上下偏移。而具有三轴位移能力的压电材料扫描器（piezoelectric scanner）使样品能在选定的区域范围做来回扫瞄，侦测横杆偏移量，系统的回馈电路与压电材料扫描器在高度轴上距离微调功能结合，藉由调整探针与样品距离，以维持扫描过程中固定的原子，所以当AFM扫描一个区域，便把垂直微调距离，以二维内函数储存起来，形成所谓扫描区域的原子力图像，这通常对应于扫描区域表面高低起伏的影像，也称高度影像。测量探针偏移量的方法目前，Zui常用的机制为光束偏移（如图4），光是由二极体雷射出来的，然后被聚焦在横杆尖端背上，由于镀上高反射率的金属薄膜（通常是金），雷射光反射到高灵敏度的位置侦测器（position sensitive detector）。它是二象限或四象限的光电二极体为，经由电流放大后，我们可以将这两个电压讯号相减，得到通称的差分讯号（A-B）。当横杆有上下偏移时，差分讯号也相对产生变数，所以我们可以得到偏移量。光束偏斜机制具有0.1A的解析能力，不过在一般大气环境中，表现会较差。另外如果使用四象限光电二极体，垂直与水平差分讯号便可以同时得到，因此横杆上下左右偏移量可同时被测出。

AFM的探针是由针尖附在悬臂梁前端所组成，当探针尖端与样品表面接触时，由于悬臂梁的弹性系数与原子间的作用力常数相当，因此针尖原子与样品表面原子的作用力便会使探针在垂直方向移动，简单的说就是样品表面的高低起伏使探针作上下偏移，而藉著调整探针与样品距离，便可在扫描过程中维持固定的原子力，此垂直微调距离，或简称为高度，便可当成二维函数储存起来，也就是扫描区域的等原子力图像，这通常对应于样品的表面地形，一般称为高度影像。

   原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）Zui大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的凡得瓦力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如“图2-2”所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。

为原子的直径；为原子之间的距离

从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：
（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个Å。
（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百Å。
AFM的操作模式可大略分为以下三种：分成接触式（Contact mode）、轻敲式(Tapping mode)、非接触式(Non-contact Mode) 3种模式。

a.接触式

在接触式操作下，探针与样品问的作用力是原子间的排斥力，这是Zui早被发展出来的操作模式，由于排斥力对距离非常敏感，所以接触式AFM较容易得到原子解析度。在一般的接触式量测中，探针与样品问的作用力很小，约为10-6至10-10N（Newton），但由于接触面积极小，因此过大的作用力仍会损坏样品表面，但较大的的作用力通常可得到较佳的解析度。因此选择适当的的作用力，接触式的操作模式是十分重要的。接触式的AFM利用探针和样品原子间的排斥力（repulsive force），原子力间的排斥力对距离的变化是非常敏感。是利用具有悬臂的探针接触且轻压表面，由于反作用力使得探针的悬臂产生偏折，而偏折量的大小代表反作用力的大小，所以扫描表面时利用维持相同的偏折量就可以描绘出3D的表面结构 (图4-3)。

图4-3 接触式AFM[1]

就AFM的操作模式比较起来，接触式（contact mode）较能够得到原子尺度的解析度，一般的接触量测中，探针和试片间作用力约为10-6~10-9牛顿（N），但接触 面积极小，相对形成过大的作用力可能损害样品，尤其是软性材质。因此设定适当的作用力是非常重要的。
 
b.非接触式(Non-contact Mode)

为了解决接触式AFM可能损坏样品的缺点，便有非接触式AFM发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力『凡德瓦尔力』来运作。凡德瓦尔力对距离的变化非常小，因此必须使用调变技术来增强讯号对杂讯比，便能得到等作用力图像，这也就是样品的高度影像。一般非接触式AFM只有约50nm（10-9m）的解析度，不过在真空环境下操作，其解析度可达原子级的解析度，是AFM中解析度Zui佳的操作模式。
此为轻敲式的衍生，一样利用探针跳动来扫描，但是探针始终都不接触表面，而是利用表面上所存在的凡得瓦尔力吸引会改变振幅的大小做回馈，因此若是AFM在大气中操作时，试片表面常会吸附一层水，所以在讨论探针和试片交互作用时，必须考虑探针与试片表面水膜间的毛细孔现象。非接触式由于不是直接接触表面，所以所呈现的影像解析度较差，大约只能达50nm。

c.轻敲式(Tapping-Mode)

第三种轻敲式AFM则是将非接触式加以改良，其原理系将探针与样品距离加近，然后增大振幅，使探针在振盪至波谷时接触样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再利用类似非接触式的迴馈控制方式，便能取得高度影像。由于接触式扫描容易刮伤试片表面，所以后来改用驱动探针跳动来扫描试片，如此接触试片表面时探针施予的力量不但小了许多，且只有正向作用力，但是此时系统不再利用探针悬臂的偏折量来作回馈，而是探针跳动时悬臂的振幅量来回馈。其示意图如图4-4所示。
 

图4-4 轻敲式AFM[1]

内容出处: http://www.pelttech.com/item_10_221_0.shtml