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原子力显微镜(AFM)属于扫描探针显微技术的一支,此类显微技术都是利用特制的微小探针,来侦测探针与样品表面之间的某种交互作用,如穿隧电流、原子力、磁力、近场电磁波等等。
接触式原子力显微镜:
在接触式原子力显微镜操作下,探针与样品问的作用力是原子间的排斥力,这是Z早被发展出来的操作模式,由于排斥力对距离非常敏感,所以接触式原子力显微镜较容易得到原子解析度。在一般的接触式量测中,探针与样品问的作用力很小,约为10^-6至10^-10N,但由于接触面积极小,因此过大的作用力仍会损坏样品表面,但较大的的作用力通常可得到较佳的解析度。因此选择适当的的作用力,接触式原子力显微镜的操作模式是十分重要的。
接触式的原子力显微镜利用探针和样品原子间的排斥力,原子力间的排斥力对距离的变化是非常敏感。是利用具有悬臂的探针接触且轻压表面,由于反作用力使得探针的悬臂产生偏折,而偏折量的大小代表反作用力的大小,所以扫描表面时利用维持相同的偏折量就可以描绘出3D的表面结构。
就原子力显微镜的操作模式比较起来,接触式原子力显微镜较能够得到原子尺度的解析度,一般的接触量测中,探针和试片间作用力约为10^-6~10^-9牛顿(N),但接触 面积极小,相对形成过大的作用力可能损害样品,尤其是软性材质。因此设定适当的作用力是非常重要的。
非接触式原子力显微镜:
为了解决接触式原子力显微镜可能损坏样品的缺点,便有非接触式原子力显微镜发展出来,这是利用原子间的长距离吸引力来运作。凡德瓦尔力对距离的变化非常小,因此必须使用调变技术来增强讯号对杂讯比,便能得到等作用力图像,这也就是样品的高度影像。一般非接触式原子力显微镜只有约50nm(10^-9m)的解析度,不过在真空环境下操作,其解析度可达原子级的解析度,是原子力显微镜中解析度Z佳的操作模式。
此为轻敲式原子力显微镜的衍生,一样利用探针跳动来扫描,但是探针始终都不接触表面,而是利用表面上所存在的凡得瓦尔力吸引会改变振幅的大小做回馈,因此若是原子力显微镜在大气中操作时,试片表面常会吸附一层水,所以在讨论探针和试片交互作用时,必须考虑探针与试片表面水膜间的毛细孔现象。非接触式由于不是直接接触表面,所以所呈现的影像解析度较差,大约只能达50nm。
轻敲式原子力显微镜:
轻敲式原子力显微镜则是将非接触式加以改良,其原理系将探针与样品距离加近,然后增大振幅,使探针在振盪至波谷时接触样品,由于样品的表面高低起伏,使得振幅改变,再利用类似非接触式的迴馈控制方式,便能取得高度影像。由于接触式原子力显微镜扫描容易刮伤试片表面,所以后来改用驱动探针跳动来扫描试片,如此接触试片表面时探针施予的力量不但小了许多,且只有正向作用力,但是此时系统不再利用探针悬臂的偏折量来作回馈,而是探针跳动时悬臂的振幅量来回馈。
原子力显微镜,激光共聚焦显微镜,扫描电镜无论是在产品功能上还是在产品性能上都相差很多,其中包括:
1、扫描驱动方式不同:
①激光共聚焦:激光转镜控制激光扫描范围和扫描速度。
②原子力显微镜:压电位移传感器驱动样品台X、Y 方向扫描。
③扫描电镜:电磁线圈控制电子束扫描范围和扫描速度。
2、工作环境差别:
①激光共聚焦和原子力显微镜可以在大气环境中进行测试样品。
②一般扫描电镜必须在高真空环境下进行测试样品。
3、应用范围差别:
①激光共聚焦:几倍-几千倍,样品制备简单。
②原子力显微镜:几万倍~几千万倍,要求样品非常平坦,样品制备很难。
③扫描电镜 :几倍~几十万倍,样品制备稍微复杂一些,但总体也很简单。
4、立体成像的差别:
①激光共聚焦:通过纳米精度步进电机驱动样品在Z轴方向逐层成像,软件将设定的各层图像合成清晰立体图像。
②原子力显微镜:成像的本质就是测量表面每个像素点的高低,描绘出立体形貌。
③扫描电镜:单帧图像具有很大景深,但属于二维图像,通过立体对技术可实现三维成像。
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