原子力顯微鏡(AFM)探針技術(shù)簡(jiǎn)介和市場(chǎng)展望

 

      原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)是一種具有原子分辨率的表面形貌、電磁性能分析的重要儀器。1981年，STM（scanning tunneling microscopy, 掃描隧道顯微鏡）由IBM-Zurich 的Binnig and Rohrer 發(fā)明。1982年，Binnig首次觀察到原子分辨圖Si(7x7)。1985年，Binnig, Gerber和Quate開(kāi)發(fā)成功了首臺(tái)AFM（atomic force microscope, 原子力顯微鏡）。在表面科學(xué)、納米技術(shù)領(lǐng)域、生物電子等領(lǐng)域， SPM（scanning probe microscopy）逐漸發(fā)展成為重要的、多功能材的材料表征工具。

STM 要求樣品表面導(dǎo)電，而AFM可以測(cè)試絕緣體的表面形貌和性能。因?yàn)镾TM的基本原理是通過(guò)測(cè)量探針與樣品表面的隧道電流大小來(lái)探測(cè)表面形貌，而AFM是測(cè)量探針與樣品表面的相互作用力。AFM由四個(gè)部分組成：機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分、懸臂偏轉(zhuǎn)信號(hào)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、控制信號(hào)反饋系統(tǒng)， 成像和信息處理軟件系統(tǒng)。探針與樣品之間的相互作用力使微懸臂向上或向下偏轉(zhuǎn)，利用激光將光照射在懸臂的末端，反射光的位置改變就用來(lái)測(cè)器此懸臂的偏移量，這種檢測(cè)方法最先由Meyer 和Amer提出。機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)（探針上、下以及橫向掃描運(yùn)動(dòng)）是有精密的壓電陶瓷控制。激光反射探測(cè)采用PSD。反饋和成像系統(tǒng)控制探針和樣品表面間距以及最后處理實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

      原子力顯微鏡AFM操作模式

      隨著AFM技術(shù)的發(fā)展，各種新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。具體包括如下技術(shù):

(1) 接觸模式  (contact mode) 最早的模式，探針和樣品直接接觸，探針容易磨損，因此要求探針較軟，即懸臂的彈性系數(shù)小，一般小于1N/m。

(2) 輕敲模式 （tapping mode） 也叫Dynamic Force或者Intermittant-contact。探針在外力驅(qū)動(dòng)下共振，探針部分振動(dòng)位置進(jìn)入力曲線的排斥區(qū)，因此探針間隙性的接觸樣品表面。探針要求很高的懸臂彈性系數(shù)來(lái)避免與樣品表面的微層水膜咬死。Tapping mode對(duì)樣品作用力小，對(duì)軟樣品特別有利于提高分辨率。同時(shí)探針的壽命也較contact mode的稍長(zhǎng)。

以上是最常用的AFM模式，別的模式還有很多：如

Lateral Force Microscopy（橫向力顯微鏡，檢測(cè)樣品表面微區(qū)對(duì)探針橫向的摩擦力，可以獲得材料的力學(xué)性能），

Noncontact mode Force（非接觸模式顯微鏡，與tapping mode基本相同，區(qū)別是非接觸模式探針工作在力曲線的吸引區(qū)），

Force Modulation （力調(diào)制顯微鏡，探針對(duì)檢測(cè)樣品表面微區(qū)有很大的力，可以獲得材料微區(qū)的彈性系數(shù)等力學(xué)性能），

CFM  chemical force microscopy

EFM  electric force microscopy

KFM  Kelvin force microscopy

MFM  magnetic force microscopy

SThM Scanning thermal microscopy

SCM  Scanning capacitance microscope

SCPM  Scanning chemical potential microscope

SEcM   Scanning electrochemical microscope

SICM   Scanning ion conductance microscope

SKPM  Scanning Kelvin probe microscope

SThM   Scanning thermal microscope

STOS   Scanning tunneling optical spectrometer

各種模式和應(yīng)用要求性能各異的探針，而探針的性能指標(biāo)是決定顯微鏡分辨率的最關(guān)鍵的因素。

 

      AFM探針基本都是由MEMS技術(shù)加工 Si 或者 Si₃N₄來(lái)制備. 探針針尖半徑一般為10到幾十 nm。微懸臂通常由一個(gè)一般100~500μm長(zhǎng)和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。典型的硅微懸臂大約100μm長(zhǎng)、10μm寬、數(shù)微米厚。

      利用探針與樣品之間各種不同的相互作用的力而開(kāi)發(fā)了各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的顯微鏡，如AFM（范德法力），靜電力顯微鏡EFM（靜電力）磁力顯微鏡MFM（靜磁力）側(cè)向力顯微鏡LFM（探針側(cè)向偏轉(zhuǎn)力）等， 因此有對(duì)應(yīng)不同種類顯微鏡的相應(yīng)探針。

原子力顯微鏡的探針主要有以下幾種：

（1）、 非接觸/輕敲模式針尖以及接觸模式探針：最常用的產(chǎn)品，分辨率高，使用壽命一般。使用過(guò)程中探針不斷磨損，分辨率很容易下降。主要應(yīng)用與表面形貌觀察。

 

（2）、 導(dǎo)電探針：通過(guò)對(duì)普通探針鍍10-50納米厚的Pt（以及別的提高鍍層結(jié)合力的金屬，如Cr，Ti，Pt和Ir等）得到。導(dǎo)電探針應(yīng)用于EFM，KFM，SCM等。導(dǎo)電探針?lè)直媛时萾apping和contact模式的探針差，使用時(shí)導(dǎo)電鍍層容易脫落，導(dǎo)電性難以長(zhǎng)期保持。導(dǎo)電針尖的新產(chǎn)品有碳納米管針尖，金剛石鍍層針尖，全金剛石針尖，全金屬絲針尖，這些新技術(shù)克服了普通導(dǎo)電針尖的短壽命和分辨率不高的缺點(diǎn)。

 

（3）、磁性探針：應(yīng)用于MFM，通過(guò)在普通tapping和contact模式的探針上鍍Co、Fe等鐵磁性層制備，分辨率比普通探針差，使用時(shí)導(dǎo)電鍍層容易脫落。

 

（4）、大長(zhǎng)徑比探針：大長(zhǎng)徑比針尖是專為測(cè)量深的溝槽以及近似鉛垂的側(cè)面而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。特點(diǎn)：不太常用的產(chǎn)品，分辨率很高，使用壽命一般。技術(shù)參數(shù)：針尖高度> 9μm；長(zhǎng)徑比5:1；針尖半徑< 10 nm。

　　

（5）、類金剛石碳AFM探針/全金剛石探針：一種是在硅探針的針尖部分上加一層類金剛石碳膜，另外一種是全金剛石材料制備（價(jià)格很高）。這兩種金剛石碳探針具有很大的耐久性，減少了針尖的磨損從而增加了使用壽命。

還有生物探針（分子功能化），力調(diào)制探針，壓痕儀探針

 

      AFM探針由于應(yīng)用范圍僅限于原子力顯微鏡，屬于高科技儀器的耗材，應(yīng)用領(lǐng)域不廣，全世界的使用量也不多。生產(chǎn)上，世界范圍有近十幾家工廠開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各種AFM探針，市場(chǎng)基本飽和了。主要的生產(chǎn)廠家分布在德國(guó)，瑞士，保加利亞，美國(guó)，俄羅斯，日本，以色列、意大利和韓國(guó)等。不過(guò)由于目前的探針壽命短，分辨率不高也不穩(wěn)定且一致性差，各國(guó)都在開(kāi)發(fā)新型探針。新型探針包括cnt修飾探針，納米材料修飾探針等。國(guó)內(nèi)開(kāi)展原子力顯微鏡探針的研究、生產(chǎn)和銷售的單位有：研究型（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，東南大學(xué)），生產(chǎn)銷售型（北京五澤坤科技公司）。

 

      新型探針的開(kāi)發(fā)方向包括：超細(xì)超尖和超長(zhǎng)壽命探針。提高目前電、磁性能探針的分辨率和使用壽命。探針的納米化，特別是cnt修飾和功能納米材料的修飾將會(huì)極大提高探針的各項(xiàng)性能也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)SPM更廣泛深入的應(yīng)用。