原子力顯微鏡技術專題
-本原CSPM系列儀器原理介紹
一、原理
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig與史丹佛大學的Quate於一九八五年所發明的，其目的是為了使非導體也可以採用掃描探針顯微鏡（SPM）進行觀測。
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圖1、原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離
的不同而有所不同，其之間的能量表示也會不同。
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原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在於並非利用電子隧道效應，而是利用原子之間的范德華力（Van Der Waals Force）作用來呈現樣品的表面特性。假設兩個原子中，一個是在懸臂（cantilever）的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關係如“圖1”所示，當原子與原子很接近時，彼此電子雲斥力的作用大於原子核與電子雲之間的吸引力作用，所以整個合力表現為斥力的作用，反之若兩原子分開有一定距離時，其電子雲斥力的作用小於彼此原子核與電子雲之間的吸引力作用，故整個合力表現為引力的作用。若以能量的角度來看，這種原子與原子之間的距離與彼此之間能量的大小也可從Lennard –Jones的公式中到另一種印證。
從公式中知道，當r降低到某一程度時其能量為+E，也代表了在空間中兩個原子是相當接近且能量為正值，若假設r增加到某一程度時，其能量就會為-E同時也說明了空間中兩個原子
之間距離相當遠的且能量為負值。不管從空間上去看兩個原子之間的距離與其所導致的吸引力和斥力或是從當中能量的關係來看，原子力顯微鏡就是利用原子之間那奇妙的關係來把原子樣子給呈現出來，讓微觀的世界不再神秘。
在原子力顯微鏡的系統中，是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現待測物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發展出兩種操作模式：
（1）利用原子斥力的變化而產生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contact AFM），探針與試片的距離約數個Å。
（2）利用原子吸引力的變化而產生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（non-contact AFM），探針與試片的距離約數十到數百Å。
二、原子力顯微鏡的硬體架構：
在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、回饋系統。
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圖2、原子力顯微鏡(AFM)系統結構 |
2.1 力檢測部分：
在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規格，例如：長度、寬度、彈性係數以及針尖的形狀，而這些規格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。
2.2 位置檢測部分：
在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，當針尖與樣品之間有了交互作用之後，會使得懸臂cantilever擺動，所以當鐳射照射在cantilever的末端時，其反射光的位置也會因為cantilever擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠鐳射光斑位置檢測器將偏移量記錄下並轉換成電的信號，以供SPM控制器作信號處理。
2.3 回饋系統：
在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，將信號經由鐳射檢測器取入之後，在回饋系統中會將此信號當作回饋信號，作為內部的調整信號，並驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。
原子力顯微鏡（AFM）便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現出來的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，使用微小懸臂（cantilever）來感測針尖與樣品之間的交互作用，這作用力會使cantilever擺動，再利用鐳射將光照射在cantilever的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時鐳射檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給回饋系統，以利於系統做適當的調整，最後再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來。
鐳射檢測原子力顯微鏡
原子力顯微鏡的基本原理是：將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由於針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應於針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直於樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應於掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的資訊。下面，我們以鐳射檢測原子力顯微鏡（Atomic
Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）——掃描探針顯微鏡家族中最常用的一種為例，來詳細說明其工作原理。
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圖3.
鐳射檢測原子力顯微鏡探針工作示意圖 |
如圖3所示，二極體雷射器（Laser
Diode）發出的雷射光束經過光學系統聚焦在微懸臂（Cantilever）背面，並從微懸臂背面反射到由光電二極體構成的光斑位置檢測器（Detector）。在樣品掃描時，由於樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極體檢測光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表面形貌的資訊。在系統檢測成像全過程中，探針和被測樣品間的距離始終保持在納米（10-9米）量級，距離太大不能獲得樣品表面的資訊，距離太小會損傷探針和被測樣品，反饋回路(Feedback)的作用就是在工作過程中，由探針得到探針-樣品相互作用的強度，來改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓，從而使樣品伸縮，調節探針和被測樣品間的距離，反過來控制探針-樣品相互作用的強度，實現回饋控制。因此，回饋控制是本系統的核心工作機制。本系統採用數位回饋控制回路，用戶在控制軟體的參數工具欄通過以參考電流、積分增益和比例增益幾個參數的設置來對該反饋回路的特性進行控制。
掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術的各項性能指標比較
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解析度 |
工作環境
樣品環境 |
溫度 |
對樣品
破壞程度 |
檢測深度 |
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掃描探針顯微鏡（SPM）
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原子級(0.1nm) |
實環境、大氣、溶液、真空 |
室溫或低溫 |
無 |
100μm量級 |
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透射電鏡（TEM）
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點分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm) |
高真空 |
室溫 |
小 |
接近SEM,但實際上為樣品厚度所限，一般小於100nm. |
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掃描電鏡（SEM） |
6~10nm |
高真空 |
室溫 |
小 |
10mm (10倍時)
1μm (10000倍時) |
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場離子顯微鏡（FIM） |
原子級 |
超高真空 |
30~80K |
有 |
原子厚度 |
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為原子的直徑
為原子之間的距離
