[DOC] 原子力显微镜原理与应用技术

[DOC] 原子力显微镜原理与应用技术 原子力显微镜原理与应用技术 综述与1I『谕 原子力显微镜原理与应用技术 刘岁林田云飞陈红吉晓江 (四川大学分析测试中心成都610064) 摘要本文简述原子力显微镜的工作原理,对比说明敲击模式的优越 性,指出针尖一样 品卷积效应和假象产生的原因,并例证其应用领域及其测试效果. 关键词原子力显微镜卷积假象 与电子显微镜相比,原子力显微镜有很多方面 的优势:如样品准备简单,样品导电与否都能适合该 仪器;操作环境不受限制,即可以在真空,也可以在 大气中进行;并且可以对所测区域的面粗糙度值进 行统计等等.自上世纪8O年代第一台原子力显微 镜问世至今,分辨率和稳定性得到极大提高,得到越 来越广泛的应用.但同时也有其自身的缺点,由于 各方面的影响因素,图像有时会产生假相等.本文 分析针尖对样品的放大和缩小效应产生的原因,并 对测试中出现的假象进行祥述,同时举例说明该仪 器的应用领域和测试效果. 1原理 1.1敲击模式和接触模式的基本原理 对于原子力显微镜,通用的工作模式有接触 (AFM)和敲击式(tappingAFM).在敲击模式中,一 种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动.当 针尖刚接触样品时,悬臂振幅会减少到某一数值. 在扫描过程中,反馈回路维持悬臂振幅在这一数值 恒定,亦即作用在样品上的力恒定,通过压电陶 瓷管的移动得到样品面形貌图.对于接触模式, 由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生 形变,也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互 作用力的直接度量.同上述轻敲式,反馈系统保持 针尖一样品作用力恒定从而得到表面形貌图. 原子力显微镜是用微小探针”摸索”样品表面 来获得信息,所以测得的图像是样品最表面的形貌, 而没有深度信息.扫描过程中,探针在选定区域沿 着样品表面逐行扫描(见图1). 1.2测试过程中的技术参数的选择 由原理可以看出原子力显微镜采集的是样品表 面的三维信息,因而能生成三维的图像. 由图1可以看出步宽越小,单位面积上采集的 数据越多.而步宽是由扫描速度决定的,因此当扫 墨T 开始 宽 终止 图1扫描运动方向和数据点的采集 描范围较大时,应该选择较小的扫描速度,这样采集 的数据才足够多.由于压电陶瓷扫描器固有的误 差,在扫描过程中会产生一定的漂移,特别是当扫描 范围小于50nmX50nm时,可能造成所选区域的某 行重复扫描,从而造成假象,所以此时应该选用较大 的扫描速度而减小误差. 2敲击模式的优越性 与敲击模式相比,接触模式的分辨率相对要高 一 些,但敲击模式有其突出的优点.它在一定程度 上减小样品对针尖的粘滞现象,因为针尖与样品表 面接触时,利用其振幅来克服针尖一样品问的粘附 力.并且由于敲击模式作用力是垂直的,表面 受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小,减小扫描 过程中针尖对样品的损坏.所以对于较软以及粘性 较大的样品,尽量选用敲击模式. 敲击模式下,可以同时采集高度信息和相位信 息,在得到形貌图的同时,通过相检测系统可以同时 得到相图.同一般检测系统一样,相检测用悬臂反 射或振幅变化来采集形貌图,与此同时,通过监测相 位差的变化来获得样品表面相分布和性质信息.相 检测是指监测驱使悬臂振动的输入信号与悬臂振动 0 曩代仅?(WWW.moderninstrs.org.ca) 的输出信号的相位差,相位差的改变是样品表面组 分,摩擦,粘弹性和其他性质的综合反映,所以判断 起来比较复杂.并且由于样品表面总有一定的高低 起伏,所以相位图在采集信息时,样品起伏的边界上 相位差也会有所改变,并在相位图上反应出来.因 此相位图反应的不仅仅是材料相位的变化,也有部 分的形貌信息.甚至在有些样品测试中,相位图比 形貌图反应边界更为直观.但总体来说相位图对于 识别复合材料中的不同组分以及表面粘性或硬度不 同的区域是非常有效的.图2是SAN(苯乙烯一丙 烯腈树脂,约占30%)和PVME(聚乙烯甲基醚,约 占70%)的共混物的形貌图和相位图,其中A是形 貌图,B是相位图.B图中颜色较亮的区域在A图 中并没有明显的特征,这说明SAN和PVME在相位 图中能独立的反映出来. 图2A为共混物的形貌图,B为相位图 3针尖一样品卷积效应 所谓卷积效应,即是对于凸起的形貌,会造成图 像的”放大效应”;对于凹陷的形貌,会造成图像的 “缩小效应”.这是由于虽然针尖的曲率半径非常 小,但不可能达到零.如果把针尖理想化为半径为 r的几何球体,所测样品表面的信息不是针尖顶点 运动的轨迹,而是球心所运动的轨迹(见图3).若 粒子的真实直径为D,则测得的粒子直径为D+2r; 但如果颗粒排布比较紧密(见图lO),这种放大效应 的影响就较小.至于周期性的结构,(见图5,图 6),虽然在周期结构的边缘仍存在放大效应,但在 相邻的两个周期问,周期结构的尺寸并未放大,可以 直接用来作为周期大小的依据.图6是实测的猪皮 胶原纤维的周期结构,4个周期的宽度为278.Onm, 平均周期是69nm左右,这与理论估计值65nm非常 接近.同理,对于样品凹陷的特征(见图4),把针尖 理想化为半径为r的几何球体,实测理想凹坑的赢 径比真实值小2r.因此对于样品特征在几百nm以 上的情况,针尖一样品卷积效应一般可以忽略,但对 于lOOnm以下的特征,必须考虑卷积效应. 10 图3理想化的球形探针扫过一球体时的轨迹示意图 图4理想化的球形探针扫过凹坑时的轨迹示意图 图5理想化的球形探针扫描周期结构时的轨迹示意图 图6猪皮胶原纤维的周期结构 4原子力显微镜产生的假相 尽管原子力显微镜的成像简单,比较容易解释, 但其本身也存在一些假相.下面讨论一下引起图像 假相的一些因素. 4.1样品因素 使用的是圆锥形针尖,测得的图像除比实际物 体放大以外,样品的其中一部分根本探测不到,存在 一 定的形变.此时的成像主要是针尖特征,致使测 得的图像和真实情况有很大差别(见图7). 图7圆锥形探针扫过不规则物体时的轨迹示意图 由于是样品的自身因素,仪器本身对图像失真 的影响不大,所以用原子力显微镜测得的图像假相 无从避免. 4.2针尖磨钝或被污染 当针尖污染或有磨损时,获得的图像有时是针 缘述与膏治 尖的磨损形状或污染物的形状.这种假相一般整幅 图像都有同样的特征(见图8). 图8被污染针尖产生的假相 由于探针本身的形状较小,所以一经污染清洗 起来比较困难.而被磨损的探针就完全没有可能再 恢复原状,这种情况下只有更换新的探针. 4.3样品一针尖间的作用力较小 图9中c由于样品和针尖间的作用力太小,探 针不能顺利地扫描样品而出现横向拉伸现象.此时 可以通过调节振幅衰减量来调节作用力,图9中D 为调节过后的图像.此种情况不必更换探针,只需 调节工作参数即可得到真实的图像. 图9C.作用力较小时出现假相;D.调整后 5原子力显微镜的适用范围 由于扫描过程是如图1所示逐行扫描的,每行 的扫描时间非常短.如果样品的高低起伏比较大, 致使有部分样品表面探测不到而不能真实反应形 貌.所以通常要求样品表面平整度较好,又由于所 测的是微观区域,至少要求局部较为平整.例如一 般来说样品脆断面起伏都较大,不太容易得到较好 的图像,有时甚至会损坏探针. 原子力显微镜的应用范围十分广泛,其适用于 生物,高分子,陶瓷,金属材料,矿物,皮革等固体材 料等的显微结构和纳米结构的观测,以及粉末,微球 颗粒形状,尺寸及粒径分布的观测等.下面给出几 个典型实例. 由于原子力微镜测得的是样品最表面的形 貌,图1O是细胞经脱水处理尚未严重形变时所得细 胞最表面即细胞壁的形貌图,其中F是经局部放大 后,细胞壁类似晶体结构的微观形貌. 图10E.细胞的表面形貌;F.E图局部放大后的形貌 图11G为纳米级甲基丙烯酸甲脂的形貌图,把 甲基丙烯酸甲脂滴在云母片新揭开的层面上,待其 干燥后进行测试得到的纳米尺度的形貌图.其中H 是其三维形貌图. }州 图11G.甲基丙烯酸甲脂形貌图;H.图G的三维效果 图12为头发的原子力显微镜图片.用未染烫 过和染烫过的头发进行对比,分别剪下一根头发,用 丙酮充分清洗干净,固定在基片上进行测试.I是 未经染烫过中年人的头发,而J是经染烫过的青年 人的头发.由此二图对比可以看出,染烫过的发质 规整的鳞片状结构严重受损. 图12I.未经染烫的头发;J.染烫过的头发 6结语 在原子力显微镜试验中,由于悬臂与样品表面 间的距离非常小,探针的损坏经常发生.另外,针尖 的曲率半径毕竟很小,非常容易被磨损,特别是在测 11 曩代仪?(vv,『\『,『\『.moderninstrs.org.OR) 试粗糙度较大的样品时,磨损的更为严重.针尖一 旦磨损,对测量范围较大的图像影响一般可以忽略, 但如果所测样品是纳米尺度范围,图像主要为针尖 特征,其纳米尺度很可能分辨不出而造成假相.所 以原子力显微镜技术的发展强烈依赖于带有特殊针 尖的微悬臂制备技术的发展,必须能够简便,快速, 批量生产. 在各种样品上获得的结果已经证实,原子力显 微镜已经在很多科学领域中得到成功应用,并且容 易获得形貌特征信息和纳米尺度上的粗糙度等,扫 描探针显微镜已成为常规表征方法的非常好的研究 工具. (所有图片皆为日本精工SPA400型原子力显微镜测试) 参考文献 1白春礼,田芳,罗克.扫描力显微术,北京:科学出版社, 2000 2白春礼.扫描隧道显微术及其应用,上海:科学出版社, 1992 3任刚,许如清,韩立等.利用扫描电镜和原子力显微镜测 量纳米微孔阳极氧化铝膜[J],物理,2003,32(1):36—41 4张德添,何昆.原子力显微镜发展近况及其应用[J],现 代仪器,2002,3:6,9 5田云飞,赵纯培,陈红等.原子力显微镜在胶原纤维精细结 构研究中的应用[J],电子显微,20?,22(2):83~86 6吕维刚,力虎林,杨得全等.纳米颗粒材料表面形貌结 构AFM表征中针尖干扰的修正与评价[J],物理,2000, 29(4):237—240 7盛克平,丁听生.原子力显微镜放大倍率校准的探讨 [J],上海计量测试,2004,2:13,15 Theprincipleandusingtechnologyofatomicforcemicroscopy LiuSuilinTianYunfeiChenHongJiXiaojiang (AnalysisandTestCenter,SichuanUniversity,ChengduSichuan610064,China) AbstrastThisthesisgivesabriefintroductiontoworkingprincipleofatomicfo rcemicroscopy,illuminatestheSU— periorityoftappingmodebyeonstrast,pointsouttip--sampleconvolutionand reasonsthatcauseshamimages,il— lustratesapplicationfieldsandtestingeffects. KeywordsAtomicforcemicroscopyConvolutionShamimage (下接第17页) 5SaltK,NobleCAandPratherKA.Aerodynamicparticlesiz. ingversuslightscatteringintensitymeasurementasme~edsfor Real—timeparticlesizingcoupledwithtime一0f—mghtHIass spectrometry[J].Ana1.Chem.1996.68:230—234 6阎逢旗,胡欢陵,虞统.北京市冬季大气气溶胶粒子数密 度及数密度谱演变的分析[J],过程,2002,2(增 刊):31O,313 7沙定国.实用误差理论与数据处理[M],北京:北京理工 大学出版社,1995 8赵德山,王明星等.煤烟型城市污染大气气溶胶[M],北 京:环境科学出版社,1991 Measurementofaerosolnumberconcentrationandmass concentrationusingAPS WangBeiLiuJianguoLiuZengdongHuangShuhua (KeyLaboratoryofEnvironmentalOpticsandTechnology,AnhuiInstituteof OpticsandFine Mechanics,CAS,Hefei230031,China) AbstractAccordingtodifferentaerosolparametersmeasuredbyAerodynam icParticleSizer(APS),therelation— shipbetweenaerosolmassconcentrationdistributionandnumberdistributionisdeseribeedinthispaper.Atthe sametime,anempiricalformulasisgivenbymultipleregression.Thecharacteristicsofaerodynamicmasseoneen- trationdistributionarealsoanalysed.Thisstudyaimstoprovidereferencestoairpollutantscontrollingschemeand strategyofBeijingcity. KeywordsNumberconcentrationMassconcentrationNumberconcentrationdistributionMassconcentration distribution;aerodynamicdiameter 12