原子力顯微鏡的主要構(gòu)件和性能

原子力顯微鏡的主要構(gòu)件和性能

AFM主要由為反饋光路提供光源的激光系統(tǒng)(Laser)、進(jìn)行力一距離反饋的微懸臂系統(tǒng)(Cantilever)、執(zhí)行光柵掃描和z軸定位的壓電掃描器x，Y，z Piezo-scanner)、接收光反饋信號(hào)的光電探測(cè)器(Detector)、反饋電子線路(Current Circle)、粗略定位系統(tǒng)、防震防噪聲系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理軟件、樣品探測(cè)環(huán)境控制系統(tǒng)(濕控、溫控、氣環(huán)境控制等)、監(jiān)控激光一懸臂一樣品相對(duì)位置的顯微及CCD攝像系統(tǒng)等構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。其中,前四大系統(tǒng)是該儀器的核心部件(見(jiàn)圖2)。

圖1 原子力顯微鏡的外貌圖(WET-SPM-9500J3)

圖2 原子力顯微鏡的核心組成部件示意圖

1、激光器單元

        激光器是光反饋通路的信號(hào)源。由于懸臂尖端的空間有限性，就對(duì)照射器上的光束寬度提出了一定要求：足夠細(xì)、單色性好、發(fā)散程度弱；同時(shí)也要求光源的穩(wěn)定性高，可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間久，工作壽命長(zhǎng)。而激光正是能夠很好地滿足上述條件的光源。

2、 微懸臂單元

        微懸臂是探測(cè)樣品的直接工具，它的屬性直接關(guān)系到儀器的精度和使用范圍。微懸臂必須有足夠高的力反應(yīng)能力，這就要求懸臂必須容易彎曲，也易于復(fù)位，具有合適的彈性系數(shù)，使得零點(diǎn)幾個(gè)納牛(nN)甚至更小的力的變化都可以被探測(cè)到；同時(shí)也要求懸臂有足夠高的時(shí)間分辨能力，因而要求懸臂的共振頻率應(yīng)該足夠高，可以追隨表面高低起伏的變化。根據(jù)上述兩個(gè)要求，微懸臂的尺寸必須在微米的范圍，而位于微懸臂末端的探針則在10nm左右，而其上針尖的曲率半徑約為30nm，懸臂的固有頻率則必須高于10kHz。通常使用的微懸臂材料是Si₃N₄ 。其彈性系數(shù)k=3EI/L³：9．57mf²，其中E，1分別為楊模量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，L，m，f分別是微懸臂的長(zhǎng)度、質(zhì)量和共振頻率。微懸臂的勁度常數(shù)一般為4 X 10^-3-2.0N/m。

3、壓電掃描單元

       要探測(cè)樣品表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，除了高性能的微懸臂以外，壓電掃描器(壓電換能器)的精確掃描和靈敏反應(yīng)也是同樣重要的。壓電換能器是能將機(jī)械作用和電訊號(hào)互相轉(zhuǎn)換的物理器件。它不僅能夠使樣品在XY掃描平面內(nèi)精確地移動(dòng)，也能靈敏地感受樣品與探針間的作用，同時(shí)亦能將反饋光路的電訊號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，進(jìn)而靈敏地控制樣品和探針間的距離(力)，并記錄因掃描位置的改變而引起的z向伸縮量△h(x，y)。這樣，壓電掃描器就對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)了表面掃描。常見(jiàn)掃描器的最小分辨率為0．1nmX 0．1nm X 0．01nm。

4、光電檢測(cè)與反饋單元

       目前AFM探測(cè)懸臂微形變的主要方法是光束偏轉(zhuǎn)法：用一束激光照在微懸臂的尖端，而用位置靈敏光檢測(cè)器(PSPD)來(lái)接收懸臂尖端的反射激光束，并輸出反映反射光位置的信號(hào)。由于懸臂的形變會(huì)引起反射光束的偏移，導(dǎo)致反射光在PSPD上位置的變化，進(jìn)而產(chǎn)生反應(yīng)懸臂的形變的電訊號(hào)，以供調(diào)節(jié)壓電掃描器的伸縮控制。
       作為AFM的核心部件，它們是不可或缺的，要得到滿意的試驗(yàn)圖像，總是要求各個(gè)部件的工作狀態(tài)都達(dá)到最佳。因此，AFM中最關(guān)鍵的技術(shù)就是高性能激光器的設(shè)計(jì)、對(duì)微弱力作用極其敏感的微懸臂的設(shè)計(jì)、為獲得高分辨率的非常尖細(xì)針尖的制備、精確掃描定位的壓電換能器和光電檢測(cè)技術(shù)的研究。