扫描探针显微镜的最新技术进展及应用

第19卷第1期

2000年2月电　子　显　微　学　报JournalofChineseElectronMicroscopySocietyVol-19,No.12000-02文章编号:1000-6281(2000)01-0069-0075

扫描探针显微镜的最新技术进展及应用

赵清亮　王景贺　李　旦　董　申

(哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨150001)

摘　要:本文在讨论SPM基本原理和应用的基础上,详细介绍了近期SPM的最新技术进展和成像

模式以及拓展的应用领域,使我们能对SPM有一个全新的认识和了解,以便把它们更好地应用到研

究领域中。

关键词:扫描探针显微镜;原子力显微镜;表面应用;成像原理;工作模式

分类号:TN16　　文献标识码:A扫描探针显微镜(SPMs)是用来探测表面性质的仪器家族,是由Binnig和Rohrer等人最早于1982年发明。虽然SPM在目前可以测量许多表面的其它性质,但是揭示表面形貌一直是它的主要应用目的。SPM是我们这个时代中最为有力的表面测量工具,其测量表面特征的尺寸可以从原子间距到100微米之间变化。随着1986年原子力显微镜(AFM)的出现[2],相继出现了许多同STM和AFM技术相似的新型扫描探针显微镜。主要有扫描隧道电位仪(STP)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(SICM)、扫描热显微镜(SThM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)和扫描近场光学显微镜(SNOM)等[3],这些SPM镜群的出现,极大地拓展了它们的应用空间。以AFM为代表的SFM(扫描力显微镜)是通过控制并检测针尖-样品间的相互作用力,例如原子间斥力、摩擦力、弹力、范德华力、磁力和静电力等来分析研究表面性质的,相应的扫描力显微镜有原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM)等。近年来,SFM正在向检测材料不同组分的方向努力,并出现了力调制(ForceModulation)技术及相位成像技术(PhaseImaging),这对于人们在极高的分辨率上研究物质的组成提供了一种强有力的手段。这些SPM特殊功能的发展无不得益于新技术在此领域的应用。本文就几种有突出作用的技术及应用情况作一介绍。[1]

SPM用于材料分析方面的特殊功能

1.力调制显微镜(ForceModulationMicroscope)

FMM是用来检测被测表面的机械性质诸如表面硬度及弹性强度。同LFM(横向力显微镜)和MFM(磁力显微镜)一样,FMM也可以同时得到表面形貌信息及材料性质数据。对于FMM来说,微悬臂上的针尖同样品表面进行接触式扫描,至于恒力接触式AFM,Z路反馈回路利用微悬臂位移信号来保持针尖与样品间的力恒定,这样可以得到形貌图像。一个致动器振荡样品或者针尖,被调制的微悬臂的振动幅值取决于这种振荡随样品表面弹性模量的变化情况,如图1所示。

系统会产生一个反映样品硬度分布的FMM图像,硬度的分布情况是被调制的微悬臂振幅的反映。加载的振荡信号频率在几十到几百kHz之间,快于反馈回路的跟踪速度,所以,形貌信息可以同样品的局部硬度信息分离出来,因此两种图像便可以同时得到。

振荡信号可以加到样品或者针尖上(分别称为样品调制和针尖调制)。样品调制技术是把一:

　　70电　子　显　微　学　报第19卷个压电陶瓷致动器置于样品下方,驱动样品以恒定频率振荡因此可以同时驱动微悬臂振荡,这种振荡信息被系统电子组件捕获经处理便可成像。针尖调制技术则是直接把振荡信号加于针尖而探测出的表面硬度信息。以前的力调制技术大都以针尖调制,而目前则是以样品调制为发展方向,因为对于硬度比较高的样品针尖调制将无能为力,

而样品调制则可产生可靠的结果。图1　力调制显微镜工作原理图

Fig.1　Theamplitudeofcantileveroscillationvaries

accordingtothemechanicalpropertiesofthesurface.图2　相位检测显微镜工作原理图Fig.2　Thephaselagvariesinresponsetotheviscoelasticityofasample’ssurface.

　　力调制技术可以应用于复合材料、结构材料、橡胶和塑料、粘质层、薄膜涂层、镀膜、亚表层结构、表面杂质、润滑薄膜以及细胞、分子、植物和结构生物学的研究。

2.相位检测显微镜(PhaseDetectionMicroscope)

相位检测指的是监测驱动样品或微悬臂振荡的周期性信号与被检测到的微悬臂响应信号的相位差的变化,或者叫相位滞后以反映样品表面粘弹性的差异,如图2所示。相位检测成像可以在任何微悬臂振荡模式下进行比如非接触式AFM或者MFM,同时也包括FMM。相位检测信息可以和力调制图像同时获得,因此样品表面形貌特征、弹性模量和粘弹性等信息可被同时捕捉以便进行对比分析。用户可以有选择性地对样品和微悬臂进行振荡以同时得到形貌、幅值(硬度)和相位(粘弹性)等表面信息,样品上任何位置的相位及幅值能谱都可同时获得。

大量研究结果表明,相位成像对于相对较强的表面摩擦和粘附性质变化的反应是很灵敏的。目前,虽然还没有明确的相位差与材料单一性质间的确定性关系,但是实例证明,相位成像在较宽的应用范围内可以给出很有价值的信息。它弥补了力调制和LFM方法中有可能引起样品破坏和较低分辨率的不足,可提供更高分辨率的图像细节,还能提供其它SFM技术所揭示不了的信息。相位成像技术在复合材料表征、表面摩擦和粘附性检测以及表面污染发生过程的观察研究中的广泛应用表明,相位成像定会在纳米尺度上研究材料的性质中起到重要作用。

3.静电力显微镜(ElectrostaticForceMicroscope)

静电力显微镜是在样品和针尖之间施加一个电压,同时微悬臂悬浮在样品表面上方不进行接触,当微悬臂扫描通过静电荷区域时会发生偏转,如图3所示。

EFM描绘样品表面的局部电荷域,这种工作方式同MFM描绘样品表面的磁畴结构相似。微悬臂偏转的幅值与表面的电荷密度正比例,因此用标准光束反射系统便可测量。EFM是用来研究表面的电荷载体密度的空间分布变化情况。例如当一个静电芯片被用作开关装置时EFM可以被用来探测其静电场。这种技术被称作“电压探针”并被认为在亚微米量级上测试生物微处[5][4]

第1期赵清亮等:扫描探针显微镜的最新技术进展及应用　　71　图3　静电力显微镜工作原理图

　Fig.3　Theprinciplediagramofelectrostatic

forcemicroscope.　图4　磁力显微镜工作原理图　Fig.4　MFMmapsthemagneticdomainsofthesamplesurface.

4.磁力显微镜(MagneticForceMicroscope)

MFM是对样品表面的磁力空间分布成像的。此时,针尖被涂了一层铁磁性薄膜,系统工作于非接触模式,检测依赖于针尖-样品间的磁场变化所引发的微悬臂共振频率的变化,可参考图

4。MFM可以用来对天然及人工制作的磁畴结构进行成像。

用一个磁化的针尖扫描而成的像包含了表面形貌及磁性质的信息,这主要取决于针尖与样品间的距离,因为原子间的磁力所发生作用的距离要大于原子间范德华力发生作用的距离,所以当针尖靠近样品表面时以非接触AFM进行工作得到的是形貌信息,当针尖与样品间距增大,磁力便显现出来。同时以不同的针尖与样品间距获得的信息是分离表面形貌与磁力像的办法之一。

磁力显微镜主要应用于磁介质与材料的研究,前者包括磁畴结构、表面形态、媒体噪声、读写磁头,磁记录体系等,而后者包括亚表层磁结构、“软”磁材料和永磁材料的退火影响等。

微悬臂(Cantilever)工作方式的改进

磁性AC模式(MACMode)是用一个振荡的磁场来驱动一个被磁化的微悬臂。产生磁场的线圈被置于样品台下方,基本原理同其它的AC技术大致相同,即微悬臂被高频驱动,样品的形貌被振荡信号的幅值及相位的变化所反应。但是MAC最大的优点就是在液体中成 …… 此处隐藏：8899字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……