【仪器说明书】AFM-Ⅱ型原子力显微镜简要说明书.doc

AFM-Ⅱ型原子力显微镜
说明书
杭州玉泉浙江大学光电系
由浙江大学光电信息工程学系研制的AFM-Ⅱ型原子力显微镜,是在原有的AFM-Ⅰ型基础上发展完善的高性能表面探测和研究仪器。
一、概述
1982年,(Scanning tunneling microscope,简称STM)。利用STM,人类有史以来第一次在实空间观察到了原子的晶格结构图象。为此,其研制者在1986年获得诺贝尔物理学奖。在STM的基础上,后来又发展出原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM),光子扫描隧道显微镜(PSTM),扫描近场光学显微镜(SNOM),静电力显微镜(EFM),磁力显微镜(MFM),扫描离子电导显微镜(SICM)等仪器技术,形成一个扫描探针显微镜(Scanning probe microscope,SPM)冢族。STM和AFM等仪器的问世,为人类认识超微观世界的奥秘提供了有力的观察和研究工具,已经在物理学、高分子化学、材料科学、光电子学、生命科学和微电子技术等领域中得到广泛应用。
AFM是SPM家族中应用领域最为广泛的表面观察与研究工具之一。其工作原理基于原子之间的相互作用力。当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时,微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。在间距较大的起始阶段,原子力表现为引力,随着间距的进一步减小,由于价电子云的相互重叠和两个原子核的电荷间的相互作用,原子力又转而表现为排斥力。这种排斥力随着间距的缩短而急剧增大。AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系,通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的。
AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器—微探针。微悬臂一端固定,另一端置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微针尖。当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时,两者间将产生相互作用的原子力,其中切向力(摩擦力)Ft使微悬臂扭曲,法向(纵向)力Fn将推动微悬臂偏转。我们所关心的主要是纵向力Fn,它与针尖—样品间距成一定的对应关系,即与样品表面的起伏具有对应关系。微悬臂的偏转量十分微小,无法进行直接检测,需要间接的方法测量,国际上商品化的AFM多采用光学方法将偏转量放大。如图1所示,一束激光投射到微悬臂的外端后被反射,反射光束被位置敏感元件(PSD)接收,显然,PSD光敏面上的光斑的偏转位移量,与微悬臂的偏转量成正比,但前者比后者放大了一千至数千倍,放大后的位移量可以直接通过检测PSD输出光电流的大小而精确测定。当样品扫描时,作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化,检测PSD输出光电流的大小,即可推知微悬臂偏转量(即原子力)的大小,最终获得样品表面的微观形貌。
AFM工作原理与STM相似。所不同的是,AFM利用的是原子之间的相互作用力而不是STM的隧道电流,因而可以克服STM只能测量导电体表面的缺点,广泛应用于导体、半导体和绝缘体样品的表面结构形貌的检测。
二、仪器及性能指标简介
AFM一Ⅱ型原子力显微镜由AFM主体、低压与高压控制机箱、高压电源、A/D&D/A接口和计算机系统等部分组成。AFM主体包括机、光、电三部分,由基