芯片厂必备检测仪器-原子力显微镜 (AFM)

原子力显微镜 (AFM) 是一种高分辨率形式的扫描探针显微镜，也称为扫描力显微镜 (SFM)。该仪器使用末端带有尖锐尖端的悬臂扫描样品表面. 当探针扫描样品表面时，针尖和样品之间的吸引力或排斥力通常以范德华力的形式存在，但也可以是其他一些形式，例如静电和疏水性/亲水性，导致悬臂偏转， 偏转由激光测量从悬臂反射到光电二极管中。随着其中一个光电二极管收集更多的光，它会产生一个经过处理的输出信号，并提供有关悬臂垂直弯曲的信息。然后将此数据发送到扫描仪，该扫描仪控制探头在表面上移动时的高度。然后可以使用扫描仪应用的高度变化来生成样品的三维地形图。

原子力显微镜 (AFM) 装置的简单示意图

接触模式

接触模式方法通过保持恒定的尖端偏转来利用恒定力进行尖端-样品相互作用. 尖端通过反馈回路传达探针在表面具有的相互作用的性质，并且扫描仪移动整个探针以保持悬臂的原始偏转。恒力是通过使用胡克定律计算和维持的，该等式涉及力 (F)、弹簧常数 (k) 和悬臂偏转 (x)。力常数通常在 0.01 到 1.0 N/m 之间。接触模式通常具有最快的扫描时间，但会使样品表面变形。它也是唯一可以达到“原子分辨率”的模式。

                                F = −kX

                    接触模式下探针与表面相互作用的示意图。

敲击模式

在轻敲模式下，悬臂以其基本共振频率进行外部振荡。 当探头扫描整个表面时，悬臂顶部的压电体用于调整振荡幅度。测量由于探头和表面之间的相互作用而导致的振荡频率或振幅的偏差，并提供有关样品中存在的表面或材料类型的信息。这种方法比接触 AFM 更温和，因为尖端不会在表面上拖动，但它确实需要更长的扫描时间。它还倾向于提供比接触 AFM 更高的横向分辨率。

                   敲击模式下的探头和表面相互作用图。

非接触模式

对于非接触模式，悬臂梁在其共振频率之上振荡，并且随着尖端接近表面并经历与材料相关的力，该频率会降低. 当振荡频率或振幅保持恒定时，测量尖端到样品的平均距离，然后可用于对表面成像。这种方法对样品施加的力很小，从而延长了尖端的使用寿命。但是，除非置于强真空下，否则通常无法提供很好的分辨率。

                非接触模式下的探针和表面相互作用图。

缺陷

AFM 图像中常见的问题是存在伪影，这些伪影是实际形貌的扭曲，通常是由于探头、扫描仪或图像处理的问题。AFM 扫描缓慢，这使得它更容易受到外部温度波动的影响，从而导致热漂移。

如果AFM针尖不是非常锋利，可能无法提供最佳纵横比，从而导致真实形貌的卷积。这会导致特征显得太大或太小，因为探针的宽度不能精确地围绕表面上的颗粒和孔移动。正是出于这个原因，具有较小曲率半径的针尖可提供更好的成像分辨率。如果针尖变钝或破损，也会产生错误的图像和对比度差的图像。

由于悬臂的移动，表面上的粒子移动会产生噪声，从而在图像中形成条纹或条带。与被扫描表面相比，针尖比例不合适也可能造成伪影。正是出于这个原因，针对特定应用使用理想的探头非常重要。

样本量和准备

样本大小因仪器而异，但典型大小为 8 毫米 x 8 毫米，典型高度为 1 毫米。固体样品给 AFM 带来了问题，因为针尖在扫描表面时会移动材料。溶液或分散体最适合应用尽可能均匀的材料层，以获得最准确的颗粒高度值。这通常是通过将溶液旋涂到新切割的云母上来完成的，这样一旦云母干燥，颗粒就会粘附在表面上。

原子力显微镜的应用

AFM 在其应用中特别通用，因为它可以在环境温度和许多不同的环境中使用。它可用于许多不同领域，以分析不同种类的样品，例如半导体、聚合物、纳米颗粒、生物技术和细胞等。AFM 最常见的应用是形态学研究，以了解样品的形貌。由于材料通常处于溶液中，AFM 还可以让用户了解材料的分散能力以及该分散体中颗粒的均匀性。它还可以提供有关所研究粒子的大量信息，例如粒子大小、表面积、电气特性和化学成分。某些技巧能够确定主要机械，材料的磁、电特性。例如，在磁力显微镜 (MFM) 中，探针具有磁性涂层，可感应与表面的磁性、静电和原子相互作用。这种类型的扫描可以在静态或动态模式下执行，并描绘表面的磁性结构。

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