天津大学材料分析方法PPT第四章-扫描探针显微镜课件.ppt

1、 l扫描探针显微镜：Scanning Probe Microscope，缩写为SPM。l1981年，SPM首次在实空间展现了硅表面的原子图像。从此，它在表面分析领域发挥着重要作用。lSPM是一类仪器的总称，分辨率从原子到微米级别。 19811981年，硅原子像（年，硅原子像（7X77X7） SPM基本构成图下上l SPM基 本 构 成l英文名称是：Scanning Tunneling Microscope，简称STM。 STM是所有扫描探针显微镜的祖先。l1981年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在苏伊士IBM实验室发明。lSTM是第一种能够在实空间获得表面原子结构图像

2、的仪器。硅表面原子图像吸附在铂表面的碘原子阵列图l隧道电流强度I是间距d的指数函数；如果针尖与样品间隙（埃级尺度）变化10%，隧道电流则变化一个数量级。 lSTM灵敏度高。垂直精度高于0.1 ，横向分辨率为原子级()。 EkdIGVe针尖样品相互作用示意图样品：导体或半导体锐化的导电针尖：钨或铂-铱合金 d 1nmV几十毫伏隧道电流lSTM两种工作模式 ： 1) 恒定电流模式检测高 度变化； 2) 恒定高度模式检测隧 道电流变化 。l两种模式各有利弊：1) 恒高模式扫描速率较高，但这种模式仅适用于相对平滑的表面；2) 恒电流模式可以测量不规则表面，具有较高的精度（深度分辨率达几个pm）但比较耗

3、时。1pm = 10-12 m=0.01 STM两种工作模式 高度电流强度图中的图中的“IBM”IBM”是由是由单个氙（单个氙（XeXe) )原子原子构成的构成的 1993年，移动铁原子的实验。在低温条件下，用STM针尖将吸附在铜表面上的48个铁原子排列成了一个“量子围栏”的圆环，最近的铁原子相距0.9nm。环中电子只能在围栏内运动，形成驻波。这是世界上首次观察到的电子驻波直观图形。 1991年，IBM公司的科研小组用STM针尖移动吸附在铂表面的28个一氧化碳分子，拼成了一个小人的形象，各个分子的间距约0.5nm。堪称世界上最小的人形图案。 5 nml悬臂和针尖的材料是硅。针尖和样品表面间的力

4、导致悬臂弯曲或偏转。l当针尖在样品上方扫描或样品在针尖下做光栅式运动时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。硅悬臂和针尖的硅悬臂和针尖的SEMSEM图像图像（位敏光探测器）（位敏光探测器）PSPDPSPD检测器检测器样品样品l 悬臂微位移的检查方法 光学技术 PSPDPSPD检测器检测器样品样品PSPD探测精度为1nm,可检测悬臂针尖小于0.1 nm 的垂直运动。 l 悬臂微位移的检查方法 光学技术 l所谓压电压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生 形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质 。l用压

5、电材料来制作悬臂，可直接用电学法电学法来测量到悬悬臂偏转臂偏转，而不必使用激光束和PSPD。l 悬臂微位移的检查方法 电学法 l范德瓦尔斯力。l毛细力。由于通常环境下，在样品表面存在一层水膜，水膜延伸并包裹住针尖，就会产生毛细力，它具有很强的吸引（大约为10-8N）。l范德瓦尔斯力和毛细力的合力构成接触力。非接触非接触几至几十纳米1nm范德瓦尔斯力与针尖范德瓦尔斯力与针尖样品间隙的关系样品间隙的关系示意图示意图 l排斥力模式。lAFM针尖与样品有轻微的物理接触。在这种工作模式下，针尖和与之相连的悬臂受范德瓦尔斯力和毛细力两种力的作用，二者的合力构成接触力。l当扫描器驱动针尖在样品表面（或样品在

6、针尖下方）移动时，接触力会使悬臂弯曲，产生适应形貌的变形。检测这些变形，便可以得到表面形貌像。l两种工作模式： 恒高模式：扫描器高度固定，悬臂的偏转直接转换成形貌图像。 恒力模式：悬臂偏转被输入反馈电路，控制扫描器上下运动，使接触力恒定，扫描器的运动被转换成形貌图像。扫描速度较慢，但可以很好地控制施加在样品上的力。溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层ITOITO的表面形貌像的表面形貌像（左）（左）120nm (120nm (右右) 450nm) 450nmlNC-AFM，针尖与样品间距处于几至几十纳米的范围。此范围在范德瓦尔斯曲线中标注为非接触区间。力很小，10

7、-12N。适于研究软体和弹性样品，且不会因接触试样而引入污染。 l应用一种振动悬臂技术。刚硬的悬臂在系统的驱动下以接近于共振点的频率(100400 kHz) 振动，振幅为几至数十纳米。l共振频率的变化反映悬臂所受力的梯度的变化，也反映针样间隙或样品形貌的变化。l检测共振频率或振幅的变化，可以获得样品表面形貌信息。l相同点：都具有优于0.01nm 的垂直分辨率。l不同点：非接触AFM信号较弱，需要更高灵敏度的交流检测方法，但其不会产生在接触式AFM多次扫描之后经常出现的针尖和样品变质的现象。测量软体样品时， NC-AFM比接触式AFM更具优越性。测量刚性样品时，二者的成像是一样的。然而，若刚性样

8、品表面有若干层凝结水时，二者图像极不相同。 2008年，美国西北大学的纳米科学家Chad A. Mirkin利用聚合物笔平版印刷术（PPL）在金基体上大规模制造了2008年北京夏季奥林匹克运动会的会徽共制造了1.5万个，所有这些会徽只占了1平方厘米的空间 。lMFM的针尖上镀有铁磁性薄膜，系统工作在非接触模式，检测由随针样间隙变化的磁场引起的悬臂共振频率的变化。l 可检测磁性材料中自发产生和受控写入的磁畴结构。l 磁力显微技术可对样品表面磁力的空间变化成像。l如果针尖靠近表面，即处在标准的非接触模式工作区间，则图像主要含形貌信息。l随着间隙增大，磁力效应变得显著。图像主要含磁特性图像。l在不同

9、的针尖高度下采集一系列图像是剥离两种效应的一种途径。硬盘磁记录单元的形貌像（左）硬盘磁记录单元的形貌像（左）和和MFMMFM图像（右）图像（右） l 用磁力针尖获得的图像都包含着表面形貌和磁特性。lFMM是AFM成像技术的扩展，可确定样品的力学性能，也可同时采集形貌和材料性质的数据。lAFM针尖以接触方式扫描样品，将一周期信号加在针尖或样品上，由此信号驱动产生的悬臂调制振幅随样品弹性而变。l通过检测悬臂调制振幅的变化来形成力调制像，反映样品弹性的分布。随样品表面力学性能改变的悬臂振幅随样品表面力学性能改变的悬臂振幅l相位检测显微技术也称之为相位成像，这种技术借助测量悬臂振动驱动和振动输出信号之间的位相延迟，研究弹性、粘度和摩擦等表面机械性能的变化。 对应样品表面力学性能的相位延迟变化对应样品表面力学性能的相位延迟变化l静电力显微技术显示出样品表面的局部电荷畴结构，如电子器件中电路静电场的分布。l在针尖与样品之间施加电压，当悬臂扫描至静电荷时，悬臂偏转。偏转幅度正比于电荷密度，可以用光束折射系统进行测量。EFMEFM电荷畴结构的面分布像电荷畴结构的面分布像1. 扫描隧道显微镜的两种工作（扫描）模式 分别是什么？各有什么优缺点？2. 接触式和非接触式AFM分别如何得到样品的表面形貌像？