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原子力顯微鏡(AFM)的工作原理 瀏覽量:2289 | 發(fā)布時(shí)間:2022-07-04

AFM的工作原理

AFM原理是基于懸臂/尖端組件與樣品的相互作用,該組件通常也稱(chēng)為探頭。 AFM 探頭通過(guò)光柵掃描運動(dòng)與基材相互作用。 AFM 尖端沿表面掃描時(shí),其上下左右移動(dòng)是通過(guò)從懸臂反射出來(lái)的激光束進(jìn)行監控的。 位置敏感的光電探測器(PSPD)跟蹤反射的激光束,捕捉探頭的垂直和橫向運動(dòng)。此探測器的偏轉靈敏度必須根據多少納米的運動(dòng)對應于在檢測器上測量的電壓?jiǎn)挝贿M(jìn)行標定。

為實(shí)現 稱(chēng)為輕敲模式AFM模式,將探頭安裝到帶有振動(dòng)壓電的支架中。 振動(dòng)壓電體能夠在很寬的頻率范圍內(通常為100 Hz至2 MHz)使探頭振蕩。操作的輕敲模式可分為 共振模式 (操作處于或接近懸臂共振頻率) 和非共振模式 (操作的頻率通常遠低于懸臂共振頻率).

AFM的工作原理如下圖所示:

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懸臂/AFM 尖端組件

該組件包含一個(gè)非常尖的尖端(商用尖端的典型曲率半徑為5-10 nm),該尖端懸在細長(cháng)的懸臂底部。 如前所述,懸臂/尖端組件也稱(chēng)為AFM探頭。 AFM懸臂尖端的長(cháng)度/高度取決于懸臂的類(lèi)型。

AFM懸臂的兩個(gè)最常見(jiàn)的幾何形狀是矩形(“跳水板”)和三角形。 在下面的SEM圖中顯示了懸臂跳水板配置的一個(gè)例子,請注意末端懸著(zhù)的尖端。

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AFM 懸臂材料通常由硅或氮化硅組成,其中氮化硅用于具有較低彈簧常數的較軟懸臂。 懸臂的尺寸非常重要,因為它們決定了它的彈簧常數或剛度。這種剛度對于控制AFM懸臂尖端與樣品表面之間的相互作用至關(guān)重要,如果不謹慎選擇,可能會(huì )導致成像質(zhì)量糟糕。懸臂的彈簧常數, k, 和懸臂尺寸的關(guān)系,可由以下方程定義:

k?=?Ewt?3?/?4L3,

這里 w?=?懸臂寬t?=?懸臂厚L?=?懸臂長(cháng)  E?=?懸臂材料的楊氏模量。通常在購買(mǎi)探頭時(shí)由供應商提供標稱(chēng)彈簧常數值,但實(shí)際值可能會(huì )有很大差異。

Nanosurf 提供了一種標定探針彈簧常數的簡(jiǎn)單方法,如下一節所述。

偏轉靈敏度標定

探測器的靈敏度經(jīng)標定,可將在光電探測器上測得的電壓轉換為納米級的運動(dòng)。通過(guò)測量“無(wú)限硬”表面(例如藍寶石)上的力曲線(xiàn)來(lái)執行標定。相對于懸臂剛度選擇“無(wú)限硬”的表面,以使懸臂不會(huì )在力曲線(xiàn)測量期間壓入樣品。一旦收集了光電探測器信號相對于壓電運動(dòng)的力曲線(xiàn),便可以計算壁的排斥部分的斜率。這就是偏轉靈敏度。

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請注意,在Nanosurf Flex-ANA儀器和其他產(chǎn)品系列的懸臂標定選項上,此檢測器靈敏度標定是自動(dòng)進(jìn)行的,其中它會(huì )收集多條曲線(xiàn)并計算平均檢測器靈敏度值。

彈簧常數標定

矩形懸臂的彈簧常數的標定是通過(guò)Nanosurf AFM上的Sader方法完成的,并已實(shí)施于所有當前的的產(chǎn)品線(xiàn)。此方法依賴(lài)于輸入懸臂的長(cháng)度和寬度(由供應商提供并從軟件中的懸臂列表中讀?。?。 通常,在室溫熱運動(dòng)用于驅動(dòng)懸臂的情況下,記錄懸臂的熱噪聲譜。下面顯示了一個(gè)熱調諧頻譜示例。采用單諧振子模型擬合熱譜峰值,提取諧振頻率和質(zhì)量因子。然后將所有這些參數輸入到Sader模型中,以在給定環(huán)境中對懸臂進(jìn)行流體動(dòng)力阻尼,然后計算彈簧常數。

或者,可以使用掃過(guò)頻率范圍來(lái)標定彈簧常數。這里的振動(dòng)壓電是用來(lái)驅動(dòng)懸臂的。

對于彈簧常數標定,當這些掃頻(通過(guò)熱方法或壓電方法)發(fā)生時(shí),懸臂從表面縮回是很重要的。 建議從表面抬起至少100 μm的距離。

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反饋

對于理解AFM操作至關(guān)重要的終極原理是反饋。反饋和反饋參數在我們的生活中無(wú)處不在。例如,溫度是恒溫器中的反饋參數。將恒溫器設置為所需溫度(設定點(diǎn)),隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化,將其與溫度設定值進(jìn)行比較,以便加熱器(或空調)知道何時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉以將溫度保持在所需值。

同樣,在原子力顯微鏡中,根據不同的模式,有一個(gè)參數可以用作設定值。例如,在靜態(tài)模式(接觸模式)下,反饋參數為懸臂偏轉,而在最常見(jiàn)的輕敲模式下,懸臂振蕩幅度為反饋參數。儀器試圖通過(guò)調整Z壓電體來(lái)上下移動(dòng)懸臂探頭,以使該反饋參數保持恒定在其設定值。由此產(chǎn)生的z壓電運動(dòng)提供了創(chuàng )建表面形貌的高度數據。

反饋環(huán)路的控制通過(guò)比例積分微分控制(通常稱(chēng)為PID增益)來(lái)完成。這些不同的增益是指反饋回路如何調整與設定值的偏差,即誤差信號。對于A(yíng)FM操作,積分增益是最重要的,對圖像質(zhì)量的影響最為顯著(zhù)。優(yōu)化積分增益后,比例增益可能會(huì )也提供一點(diǎn)改善。微分增益主要用于邊緣較高的樣品。如果增益設置得太低,則PID回路將無(wú)法準確保持設定值。如果選擇的增益太高,則結果將是來(lái)自反饋環(huán)路的電噪聲干擾出現在圖像中。偏離設定值的補償大于誤差本身,或者噪聲放大得太大。

反饋中其他重要的參數是掃描速率和設定值。如果掃描速率太快,則PID回路將沒(méi)有足夠的時(shí)間將反饋參數調整為其設定值,并且從z壓電運動(dòng)計算出的高度將偏離斜坡和邊緣附近的真實(shí)的形貌。對于PID回路而言,太慢的掃描速率通常不是問(wèn)題,但會(huì )導致采集時(shí)間長(cháng),這可能帶來(lái)諸如熱漂移之類(lèi)的挑戰。為了優(yōu)化反饋回路,必須優(yōu)化PID增益和掃描速率。設定值會(huì )影響探頭和樣品之間的相互作用力或脈沖。離接觸反饋的參數值越近的設定值對樣品的影響越小,但反饋的速度越慢。

下圖是在相同的掃描速率下,通過(guò)不同的PID增益設置收集的圖像。在紅色區域全是電噪聲,因為增益設置得太高。用橙色框起來(lái)的區域也有一些電噪聲條紋,說(shuō)明了同樣的問(wèn)題。在底部的藍色區域,由于增益太低,跟蹤效果很差。如果選擇過(guò)高的掃描速率將會(huì )有相似的呈現。最佳圖像和參數設置位于綠色區域。

Different gain settings affect the feedback and AFM image

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掃描

Nanosurf AFM的電磁掃描頭在低工作電壓下提供X,Y和Z方向的高準度和精度納米級運動(dòng)。與其他類(lèi)型的掃描儀(例如壓電掃描儀)相比,這種掃描頭具有高度線(xiàn)性運動(dòng)和無(wú)蠕變的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。Nanosurf 基于FlexAFM 的產(chǎn)品系列 將用于Z運動(dòng)的壓電掃描與在X和Y中基于撓曲的電磁掃描結合在一起;這種配置在Z軸上提供了快速運動(dòng),在X軸和Y軸上具有最大的平度,取得了系統高級功能上的優(yōu)化。

原子力顯微鏡的配置既可以?huà)呙铇悠飞系募舛?/span>(在這種情況下樣品是固定的),也可以?huà)呙杓舛讼碌臉悠?在這種情況下探針是固定的)。所有的Nanosurf顯微鏡都采用尖端掃描配置(前者)。這種配置在靈活性和樣本大小方面具有明顯的優(yōu)勢。尖端掃描的儀器可容納大而非常規的樣本;樣品的限制是可以將其放置在儀器中!由于尖端移動(dòng)而樣品保持靜止,所以被掃描的樣品將不受大小或重量限制。下面展示了一個(gè)使用NaniteAFM system系統和定制的平移/旋轉工作臺對大型凹凸樣品進(jìn)行粗糙度測量的示例。

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