原子力顯微鏡工作原理及其應(yīng)用

原子力顯微鏡及其應(yīng)用
原子力顯微鏡是以掃描隧道顯微鏡基本原理發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡。原子力顯微鏡的出現(xiàn)無疑為納米科技的發(fā)展起到了推動作用。以原子力顯微鏡為代表的掃描探針顯微鏡是利用一種小探針在樣品表面上掃描，從而提供高放大倍率觀察的一系列顯微鏡的總稱。原子力顯微鏡掃描能提供各種類型樣品的表面狀態(tài)信息。與常規(guī)顯微鏡比較，原子力顯微鏡的優(yōu)點是在大氣條件下，以高倍率觀察樣品表面，可用于幾乎所有樣品（對表面光潔度有一定要求），而不需要進行其他制樣處理，就可以得到樣品表面的三維形貌圖象。并可對掃描所得的三維形貌圖象進行粗糙度計算、厚度、步寬、方框圖或顆粒度分析。
原子力顯微鏡可以檢測很多樣品，提供表面研究和生產(chǎn)控制或流程發(fā)展的數(shù)據(jù)，這些都是常規(guī)掃描型表面粗糙度儀及電子顯微鏡所不能提供的。
一、基本原理
原子力顯微鏡是利用檢測樣品表面與細微的探針尖端之間的相互作用力（原子力）測出表面的形貌。
探針尖端在小的軔性的懸臂上，當探針接觸到樣品表面時，產(chǎn)生的相互作用，以懸臂偏轉(zhuǎn)形式檢測。樣品表面與探針之間的距離小于3－4nm，以及在它們之間檢測到的作用力，小于10－8N。激光二極管的光線聚焦在懸臂的背面上。當懸臂在力的作用下彎曲時，反射光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使用位敏光電檢測器偏轉(zhuǎn)角。然后通過計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，從而得到樣品表面的三維圖象。
完整的懸臂探針，置放于在受壓電掃描器控制的樣品表面，在三個方向上以精度水平0.1nm或更小的步寬進行掃描。一般，當在樣品表面詳細掃繪（XY軸）時，懸臂的位移反饋控制的Z軸作用下保存固定不變。以對掃描反應(yīng)是反饋的Z軸值被輸入計算機處理，得出樣品表面的觀察圖象（3D圖象）。
二、原子力顯微鏡的特點
1．高分辨力能力遠遠超過掃描電子顯微鏡（SEM），以及光學(xué)粗糙度儀。樣品表面的三維數(shù)據(jù)滿足了研究、生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗越來越微觀化的要求。
2．非破壞性，探針與樣品表面相互作用力為10－8N以下，遠比以往觸針式粗糙度儀壓力小，因此不會損傷樣品，也不存在掃描電子顯微鏡的電子束損傷問題。另外掃描電子顯微鏡要求對不導(dǎo)電的樣品進行鍍膜處理，而原子力顯微鏡則不需要。
3．應(yīng)用范圍廣，可用于表面觀察、尺寸測定、表面粗糙測定、顆粒度解析、突起與凹坑的統(tǒng)計處理、成膜條件評價、保護層的尺寸臺階測定、層間絕緣膜的平整度評價、VCD涂層評價、定向薄膜的摩擦處理過程的評價、缺陷分析等。
4．軟件處理功能強，其三維圖象顯示其大小、視角、顯示色、光澤可以自由設(shè)定。并可選用網(wǎng)絡(luò)、等高線、線條顯示。圖象處理的宏管理，斷面的形狀與粗糙度解析，形貌解析等多種功能。