原子力顯微鏡(AFM)概述
 

最早掃描式顯微技術(STM)使我們能觀察表面原子級影像，但是STM 的樣品基本上要求為導體，同時表面必須非常平整， 而使STM 使用受到很大的限制。而目前的各種掃描式探針顯微技術中，以原子力顯微鏡(AFM)應用是最為廣泛，AFM 是以針尖與樣品之間的屬于原子級力場作用力，所以又被稱為原子力顯微鏡。

AFM 可適用于各種的物品，如金屬材料、高分子聚合物、生物細胞等，并可以操作在大氣、真空、電性及液相等環(huán)境，進行不同物性分析，所以AFM 最大的特點是其在空氣中或液體環(huán)境中都可以操作， 因此，AFM 在生物材料、晶體生長、作用力的研究等方面有廣泛的應用。根據(jù)針尖與樣品材料的不同及針尖－樣品距離的不同，針尖與樣品之間的作用力可以是原子間斥力、范德瓦爾斯吸引力、彈性力、粘附力、磁力和靜電力以及針尖在掃描時產生的摩擦力。通過控制并檢測針尖與樣品之間的這些作用力，不僅可以高分辨率表征樣品表面形貌，還可分析與作用力相應的表面性質：摩擦力顯微鏡可分析研究材料的摩擦系數(shù)；磁力顯微鏡可研究樣品表面的磁疇分布，成為分析磁性材料的強有力工具；利用電力顯微鏡可分析樣品表面電勢、薄膜的介電常數(shù)和沉積電荷等。另外，AFM 還可對原子和分子進行操縱、修飾和加工，并設計和創(chuàng)造出新的結構和物質。
 

原子力顯微鏡原理概述
 

AFM 是在STM 基礎上發(fā)展起來的，是通過測量樣品表面分子(原子)與AFM 微懸臂探針之間的相互作用力，來觀測樣品表面的形貌。AFM 與STM 的主要區(qū)別是以1 個一端固定而另一端裝在彈性微懸臂上的尖銳針尖代替隧道探針，以探測微懸臂受力產生的微小形變代替探測微小的隧道電流。

其工作原理：將一個對極微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種作用力恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于原子間的作用力的等位面，在垂直于樣品表面方向上起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得對應于掃描各點的位置變化，將信號放大與轉換從而得到樣品表面原子級的三維立體形貌圖像。

AFM 主要是由執(zhí)行光柵掃描和z 定位的壓電掃描器、反饋電子線路、光學反射系統(tǒng)、探針、防震系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng)構成。壓電陶瓷管(PZT)控制樣品在x、y、z 方向的移動，當樣品相對針尖沿著xy 方向掃描時，由于表面的高低起伏使得針尖、樣品之間的距離發(fā)生改變。當激光束照射到微懸臂的背面，再反射位置靈敏的光電檢測器時，檢測器不同象限收到的激光強度差值，同微懸臂的形變量形成一定的比例關系。反饋回路根據(jù)檢測器信號與預置值的差值，不斷調整針尖、樣品之間的距離，并且保持針尖、樣品之間的作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測量模式稱為恒力模式。當已知樣品表面非常平滑時，可以采用恒高模式進行掃描，即針尖、樣品之間距離保持恒定。這時針尖、樣品之間的作用力大小直接反映了表面的形貌圖像。
 

 

圖1 作用力與距離的關系和原子力顯微鏡的工作原理

 

原子力顯微鏡的基本操作模式
 

目前現(xiàn)有三種基本操作模式，可區(qū)分為接觸式（contact）、非接觸式（non-contact）及輕敲式（tapping）三大類。接觸式及非接觸式易受外界其它因素，如水分子的吸引，而造成刮傷材料表面及分辨率差所引起之影像失真問題，使用上會有限制，尤其在生物及高分子軟性材料上。以下簡單介紹三種基本形式的基本原理：

接觸式(Contact mode)

利用探針的針尖與待測物表面之原子力交互作用(一定要接觸)，使非常軟的探針臂產生偏折，此時用特殊微小的雷射光照射探針臂背面，被探針臂反射的雷射光以二相的photo diode(雷射光相位偵檢器)來記錄雷射光被探針臂偏移的變化，探針與樣品間產生原子間的排斥力約為10-6 至10-9 牛頓。

但是，由于探針與表面有接觸，因此過大的作用力仍會損壞樣品，尤其是對軟性材質如高分子聚合物、細胞生物等。不過在較硬材料上通常會得到較佳的分辨率。

非接觸式(Non-contact mode)

為了解決接觸式AFM 可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式AFM 被發(fā)展出來，這是利用原子間的長距離吸引力─范德華力來運作。Non-contact mode 的探針必需不與待測物表面接觸，利用微弱的范德華力對探針的振幅改變來回饋。探針與樣品的距離及探針振幅必需嚴格遵守范德華力原理，因此造成探針與樣品的距離不能太遠，探針振幅不能太大(約2 至5nm)，掃描速度不能太快等限制。

樣品置放于大氣環(huán)境下，濕度超過30%時，會有一層5 至10nm 厚的水分子膜覆蓋于樣品表面上，造成不易回饋或回饋錯誤。

輕敲式AFM(Tapping mode)

將非接觸式AFM 加以改良，拉近探針與試片的距離，增加探針振幅功能(10～300KHz)，其作用力約為10-12 牛頓，Tapping mode 的探針有共振振動，探針振幅可調整而與材料表面有間歇性輕微跳動接觸，探針在振蕩至波谷時接觸樣品，由于樣品的表面高低起伏，使得振幅改變，再利用回饋控制方式，便能取得高度影像。

Tapping mode AFM 的振幅可適當調整小至不受水分子膜干擾，大至不硬敲樣品表面而損傷探針，XY 面終極分辨率為2nm。Tapping mode AFM 探針下壓力量可視為一種彈性作用，不會對z 方向造成永久性破壞。在x y 方向，因探針是間歇性跳動接觸，不會像對Contact mode 在x y 方向一直拖曳而造成永久性破壞。但由于高頻率探針敲擊，對很硬的樣品，探針針尖可能受損。如圖1。
 

圖2 經敲擊式后探針的尖端損耗


圖3為兩種不同操作模式下得到的照片

原子力顯微鏡測量架構
 

AFM 的探針一般由懸臂梁及針尖所組成，主要原理是由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂梁產生微細位移，以測得表面結構形狀，其中最常用的距離控制方式為光束偏折技術。

AFM 的主要結構可分為探針、偏移量偵測器、掃描儀、回饋電路及計算機控制系統(tǒng)五大部分。AFM 探針長度只有幾微米長，探針放置于一彈性懸臂(cantilever)末端，探針一般由成份Si、SiO2、SiN4、納米碳管等所組成，當探針尖端和樣品表面非常接近時，二者之間會產生一股作用力，其作用力的大小值會隨著與樣品距離的不同而變化，進而影響到懸臂彎曲或偏斜的程度，以低功率雷射打在懸臂末端上，利用一組感光二極管偵測器(Photo detector) 測量低功率雷射光反射角度的變化，因此當探針掃描過樣品表面時，由于反射的雷射光角度的變化，感光二極管的二極管電流也會隨之不同，由測量電流的變化，可推算出這些懸臂被彎曲或歪斜的程度，由輸入計算機計算可產生樣品表面三維空間的一張影像。

納米碳管探針

由于探針針尖的尖銳程度決定影像的分辨率，愈細的針尖相對可得到更高的分辨率，因此具有納米尺寸碳管探針，是目前探針材料明日之星。納米碳管(carbon nanotube)是由許多五碳環(huán)及六碳環(huán)所構成的空心圓柱體，因為納米碳管具有優(yōu)異的電性、彈性與軔度， 很適合作為原子力顯微鏡的探針針尖，因其末端的面積很小，直徑1～20nm，長度為數(shù)十納米。碳納米管因為具有極佳彈性彎曲及韌性，可以減少在樣品上的作用力，避免樣品的成像損傷，使用壽命長，可適用于比較脆弱的有機物和生物樣品。
 

原子力顯微鏡的功能技術
 

相位式原子力顯微鏡(Phase Ima ging Force Microscope)

原子力顯微鏡在輕敲式AFM(tapping mode)操作下，量測及回饋因表面抵擋及黏滯力的作用，會引起振動探針的相位改變量，而抵擋及黏滯力的差異為不同材料性質引起，因此有機會用相位差(Phase la g)來觀察表面定性材質分布狀況。因相位改變量比起振幅改變量來得敏感，可較易觀察平面分布。

在操作控制探針與表面的交互作用力上，可使用Light Tapping 方式(較少力量)達到非破壞性分析，也可使用Hard Tapping 方式(較大力量)達到穿透性，量測及回饋次表面特性，尤其對高分子聚合物及生物分子樣品有非常好的性質觀察。因為利用探針跳動掃描時表面的高度變化會影響振幅的大小，所以利用振幅變化可以得知表面的結構，但是當表面的成分不同時也會造成探針跳動頻率變化，以及相位變化，例如當表面有些區(qū)域的性質特別軟，造成探針再此區(qū)域掃描時跳動的頻率變慢，且會產生一相位差，所以利用此一特性讓掃描探針顯微鏡能觀察到除了表面形貌之外的不同成份性質，如圖4所示。
 

圖4  相位原子力顯微鏡分析表面不同成份影像變化

掃描式磁場力顯微鏡(Magnetic Force Microscope, MFM)

掃描式磁場力顯微鏡利用具磁性的探針(Si)鍍上一層磁性Co-Cr 合金，第一次掃描時Tapping Mode AFM 的振幅用來量測表面高低，分辨率約20～50nm。在Lift 第二次掃描時，振幅受現(xiàn)有磁場變化，依Lift 提升高度而變更，可為雷射光偵測器得知，此差異訊號可用來判斷表面磁場分布，最容易同時得到AFM 及磁場分布影像，但是磁場大小卻無法得知。

Tapping Mode 和Lift Mode 的操作應用，掃描前必須探針磁化，然后先以Tapping Mode 取得高度變化的影像，然后再利用Lift Mode 量測存在表面上方的磁場分布，因為探針已經經過磁化所以在表面上方掃描時只會感應有磁場的區(qū)域，如圖5。由于樣品磁場大小有不一樣的特性，不能使用具強磁性的探針去掃描軟磁性的樣品，否則樣品磁場會被強磁性的探針所干擾，造成一堆雜亂訊號。
 

圖5  掃描式磁場力顯微鏡磁場分布影像

側向力顯微鏡(Lateral force Microscope, LFM)

LFM 的作用方式主要是使探針與樣品表面相接觸并在表面上平移，利用探針移動時所承受樣品表面摩擦力以及樣品表面高低起伏造成懸臂的偏斜量來探知樣品的材質與表面特性。圖6 的樣品是在硅表面放置的單層Langmuir-Blod gett (LB)影片。它通過在每條掃描線(快速的掃描方向)從左到右掃描獲得。在從快速的掃描方向相反掃描(從右到左)導致原象。
 

圖6  硅表面放置的單層Langmuir-Blodgett (LB)影片

掃描式熱梯度探針顯微鏡(Scanning Therma l microscope, SThM)

利用探針懸臂上加鍍的電路，工件表面的熱梯度會驅動電路產生電流，此電流可被量測得知。在Contact mode 或Tapping mode AFM 操作下，均可在變溫控制下操作，觀察材質與溫度的關系�？商峁�50 ℃到250 ℃于空氣的操作。系統(tǒng)設計上有(1)隔熱保護裝置，確保掃描儀不受熱而尺寸失序。(2)探針溫度補償，使表面溫度與輸入溫度一致。(3)可程序化溫控，迅速變。如圖7所示得到PP 高分子熱度結晶變化之影像。
 

圖7  掃描式熱梯度探針顯微鏡觀察PP 結晶熱行為變化影像

掃描式電場力顯微鏡(Electrical Force Microscope, EFM)

掃描式電場力顯微鏡利用Lift Mode operation (提升操作)功能，首先將可導電之探針在第一次掃描時，以Tapping Mode AFM 的振幅用來量測表面高低，在Lift 第二次掃描時，振幅受到現(xiàn)有表面電場變化，依Lift 提升高度而變更，此變化可為雷射光偵測器得知，此差異訊號可用來判斷表面導電分布，掃描時同時得到表面高低及導電性分布影像的二張圖像，如圖8所示。但是此方式無法得知電壓大小，欲知電壓大小，須用Surface Potential Meter 方式量測.
 

圖8 掃描式電場力顯微鏡DVD-RW 電場影像

液相原子力顯微鏡(liquid cell Force Microscope )

對生物分子研究而言，對DNA 基本結構及功能的了解一直是科學家追求目標，早在1953 年DNA 雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)后，使人了解遺傳訊息如何在這當中傳送，并且也將生物研究推展到分子生物的領域，為了解個別分子的功能，許多解析分子結構的工具被發(fā)展出來；最先是X-ray 繞射方法（DNA 結構即由此方法解出），而后有核磁共振(NMR)，再加上近年來的電子顯微(SEM、TEM)，樣品必須進行固化、切片、脫水、鍍金等步驟，而無法得到生理含水環(huán)境下真實生物活性樣品的型態(tài)，相對于以上的量測方法，原子力顯微鏡則提供了一個較好的方式。

以原子力顯微鏡而言，有極佳的橫向分辨率，同時它可以提供在液相中進行生物活性樣品進行掃描分析，如圖9 所示。因此原子力顯微鏡液相測量生物分子活性微結構，同時又可減少對生物樣品的破壞。近年來在生理條件下生物樣本的量測幾乎都以AFM 為主要工具，此一機制在進入液體中量測并不會改變生物基本特性，所以對于生物樣本而言是一個最直接且適應性高的方法。
 

圖9  AFM 在液相中進行DNA 掃描

微影操控術(Nanolithography and Nanoma nipulation)Lithography

(微影) 及ma nipulation (操控術)是目前相當熱門的研究題目。多年以來Lithography 應用力量及電流方式，已可在材料表面刻出或長出不同尺寸納米圖案。目前研究上是針對(1)如何劃出100nm 級圖案，10nm 級線寬(2)圖案穩(wěn)定性及操控性等工程議題。此兩議題在設備上，目前可以使用封閉式回路控制掃瞄器(Close loopscanner)解決。

Lithography 的要求均必需達到及時性，表示AFM 掃瞄時，欲將某物從a移動至b 時，可在移動后馬上掃瞄，期間探針無需重新下探針動作，及時性就非常重要。目前挑戰(zhàn)的題目如納米級定位修補，表面重組，生化上強制接種加速實驗。1990年，IBM 公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成果，他們在金屬鎳表面用35 個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母如圖1-10。科學家在試驗中發(fā)現(xiàn)STM 的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將原子在一個位置吸住，再搬運到另一個地方放下。這可真是個了不起的發(fā)現(xiàn)，因為這意味著人類從此可以對原子進行操縱。
 

圖10 最小的IBM 廣告


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