原子力显微镜在微纳操作中的应用

研究生课程论文(2013-2014学年第2学期)原子力显微镜在微纳操作中的应用研究生：提交日期：2014年9月27日研究生签名：学号学院华南理工大学机械与汽车工程学院课程编号S0001047课程名称基于机器人的纳米操作和自动化学位类别学术型学位硕士任课教师教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日1原子力显微镜在微纳操作中的应用摘要：原子力显微镜有着可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质，包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵的特性。而微纳操作技术是在微/纳米尺度上制造具有特定功能结构与器件的方法，该技术获得广泛的关注和研究。本文简述原子力显微镜探测物体表面形状的基本原理以及其核心构件的组成与功能，关键词：原子力显微镜微纳操作0引言纳米材料在光、电、磁等方面具有独特的性能，将其制成特定的结构和器件已成为当今研究的热点问题。纳米物体的操作方法是制造纳米器件的关键技术，影响着器件的精度和性能。它通过对微米、亚微米与纳米尺度上的物体进行物理、化学和生物等特性的测量，通过推拉、提取、搬运和放置等方法构造与改变物体形状结构，从而完成微纳机器人、传感器与机电系统的构建[1]。微纳操作技术将对人类社会产生极其重要的影响，例如人造细胞和细胞修复机器人能对不可治愈疾病所造成的坏损细胞进行替代或修复，并能延长人类的寿命[2]。而现有的纳米操作方法中，AFM由于其不受材料限制，并具有原子级分辨能力，因此被看作为一种重要的微加工工具，广泛应用于纳米技术的研究[3]。AFM全称AtomicForceMicroscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵。自从原子力显微镜(AFM)发明以来，作为一种高精度的形貌检测工具，广泛地应用2到生物、物理、化学和机械等领域。基于AFM的纳米操作技术还可用于进行纳米微粒的精确操作与装配，对纳电子和纳机电器件研究作出重大贡献，在生物医学和仿生学中也有着广范的应用[4]。例如，随着AFM技术的发展，通过AFM探针与表面的相互机械作用，人们发现可以在微纳米尺度上去除材料，如Mate等在1987年首次采用AFM获得了钨针尖和石墨表面、云母表面间的原子级摩擦力。因此，AFM也广泛地应用在纳米摩擦磨损领域，显示出其非凡的能力[5]。原子力显微镜AFM在光盘质量检测中也有着深远的应用。AFM能够在nm尺度上直接对光盘及其模板上的信息位几何结构的特征尺寸及其误差进行三维测量，从而可以建立生产工艺参数和信息位几何结构之间、信息位几何结构和盘片电气性能之间的关系，进而找出影响光盘质量的直接原因[6]。在纳电子及纳机电器件研究方面，研究人员已经研制出一些纳电子原型器件，如单电子晶体管、纳米场效应晶体管、纳米化学成分传感器等；另外，有学者还研制出了各种纳机电原型器件，如纳米旋转驱动器、纳机电震荡器、纳米镊等。上述纳米原型器件不仅在尺度上远小于常规器件，而且在一些关键性能指标方面也远超出常规器件，它们的研制成功将会进一步加快各种纳米器件或系统的研制步伐[7]。1原子力显微镜的工作原理当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升，如图1所示。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息[8]。具体来讲，AFM是用一端固定，而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖与样品相互作用就会3引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品与针尖相互作用的直接反映。通过检测微悬臂产生的弹性形变量X，就可以根据微悬臂的弹性系数k和函数式F=k×X直接求出样品与针尖间相互作用F。图1原子间作用力-距离的关系曲线在由于微悬壁的变形非常小，直接求取其变形是非常固难的，因而需要一此放大装置来方便检测形变。AFM利用接收照射在悬臂尖端的激光束的反射来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值。当样品在XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x，y])，若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖与样品相互作用与间距的关系，得到样品表面的高度变化信息Δh(x，y)，即样品表面任意点(x，y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌。AFM主要由四大件组成：扫描探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机和自动逼近控制电路。图2是AFM工作原理示意图。半导体激光器发出激光束，经透镜汇聚打到探针头部，并发射进入四象限位置检测器中，转化为电信号后，由前置4放大器放大后送给反馈电路，反馈电路发出的一部分信号进入计算机，再由计算机将数字信号转化为模拟信号，经高压放大后驱动压电陶瓷管在二维平面扫描。AFM针尖是利用一种弹性微悬臂梁作为传感器，其一端固定，另一端有针尖。常见的微悬臂形状和尺寸如图3所示。当针尖在样品上扫描时，针尖和样品间的作用力引起微悬臂的变形，从而导致了光反射激光束在检测器中的位置发生改变。检测器中不同象限间所接收到的激光强度代表臂变形量的大小。在反馈电路的作用下，微悬臂形变通过压电管在方向伸缩进行补偿，计算机采集每个坐标点对应的反馈输出后，再转化为灰度级，在显示屏上表示出样品的表面形貌。图2原子力显微镜探针部分示意图5图3典型探针和微悬臂尺寸示意图2原子力显微镜的成像模式及特点经上文介绍可知，探针和样品间的力与距离关系是AFM测量的关键点。当选择不同的初始工作距离时，探针所处的初始状态也是不同的。由此可将原子力显微镜的操作模式分为三大类型：接触模式(ContactMode)、非接触模式(Non-contactMode)和轻敲模式(TappingMode)。2.1接触模式(ContactMode)样品扫描时，针尖始终同样品“接触”，如图4所示。此模式通常产生稳定、高分辨图像。针尖与样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域。当样品沿着xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖与样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定的比例关系的激光强度差值。反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖与样品距离，并且保持针尖与样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以让针尖与样品距离保持恒定，这时针尖与样品作用力大小直接反映了表面的高低，这种方法称恒高模式。由于生物分子的弹性模量较低，同基底间的吸附接触6也很弱，针尖与样品间的压缩力和摩擦力容易使样品发生变形，从而降低图像质量。图4AFM接触模式2.2非接触模式(Non-contactMode)针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面接触。针尖检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等长程力，对样品没有破坏作用。针尖与样品距离在几到几十纳米的吸引力区域，针尖与样品作用力比接触式小几个数量级，但其力梯度为正且随针尖与样品距离减小而增大。当以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受到递增的力梯度作用，使得微悬臂的有效的共振频率减小，因此在给定共振频率处，微悬臂的振幅将减小很多。振幅的变化量对应于力梯度量，因此对应于针尖与样品间距。反馈系统通过调整针尖与样品间距使得微悬臂的振幅在扫描时保持不变，就可以得到样品的表面形貌像。但由于针尖与样品距离较大，因此分辨率比接触式的低。到目前为止，非接触模式通常不适合在液体中成像，在生物样品的研究中也不常见。图5AFM非接触模式72.3轻敲模式(TappingMode)轻敲模式是上述两种模式之间的扫描方式。扫描时，在共振频率附近以更大的振幅(20nm)驱动微悬臂，使得针尖与样品间断地接触。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，振幅将减小；而当针尖反向远离时，振幅又恢复到原值。反馈系统通过检测该振幅来不断调整针尖与样品距离进而控制微悬臂的振幅，使得作用在样品上的力保持恒定。由于针尖同样品接触，分辨率几乎与接触模式一样好；又因为接触非常短暂，剪切力引起的样品破坏几乎完全消失。轻敲模式适合于分析柔软、粘性和脆性的样品，并适合在液体中成像。3.AFM图像的特点原子力显微镜是依靠测量探针和样品表面的作用力来成像的。由于原子力显微镜独特的成像方式，得到的图像数据代表的不再是灰度信息，而是样品表面的高度信息。但是由于在扫描过程中样品自身并不一定处于水平位置，这就导致利用原子力显微镜扫描之后得到的图像并不能代表真实的样品表面高度信息，如图6。所以在对AFM图像进行分割处理之前，一般都会首先对AFM图像进行一定程度上的水平校正。图6.AFM原始图像（左）和它的三维图（右）通过对AFM图像数据信息的观察，我们发现虽然样品表面的高度信息并不真实，8但是在物体的边缘处表面高度信息的变化还是很明显的。所以在这里，我们使用高斯拉普拉斯滤波器对图像进行滤波。高斯拉普拉斯滤波器由高斯低通滤波器和拉普拉斯算子组成。LoG滤波器的高斯部分会模糊图像，从而在尺寸上将结构的灰度包括噪声降低到远小于滤波器尺寸的程度。而且高斯函数在空间和频率两个域平滑图像，因而在原图像中引入不存在的人为干扰的可能性较小。另一方面，拉普拉斯有各向同性，这不仅符合人的视觉系统特征，而且对任何模板方向的灰度变化有相等的响应，从而避免了使用对个模板去计算图像中任何点出的最强响应。4.纳米加工的方法和机理4.1利用针尖诱导进行局域氧化基于AFM针尖电场诱导局域氧化制备纳米结构的工作，以易操作，结构可控，氧化物本身优良的绝缘特性、抗刻蚀性及与现有的微电子工业工艺相容性等优点受众多研究小组重视[9]。IBM实验室的PhAvouris研究小组首先提出了具有代表性的针尖诱导氧化机理。他们对氧化的条件进行了仔细的研究和观察，使针尖保留在样品的某个位置，然后施加不同幅值的电压脉冲，脉冲高度从-2到20V，脉冲的高度和宽度可以从AFM的图象得到；另外他们还给出了用于动力学研究的氧化点高度和电脉冲宽度的关系。同时观察到即使电脉冲的幅值低于-2V也可以诱导生长氧化点。为了证实氧化过程中离子成分的存在，PhAvouris测量了氧化过程中氧化电流随时间成非线性递减的变化曲线。为了更好地研究氧化的动力学，还给出了氧化速率和生成氧化层厚度之间关系，给出了氧化高度和氧9化点生成速度之间的指数关系式：式中L指依赖于所加电压的特征长度。4.2纳米刻蚀加工利用AFM针尖直接在样品表面刻划形成纳米图案和拨动颗粒至指定的地方均属于纳米刻蚀加工技术。此方法需要选用一种特殊针尖，这种针尖尖端是金刚石颗粒，悬臂梁是具有高弹性模量的材料，通常达到20N/m.具体步骤，首先用这种针尖扫描样品的表面，得到样品表面刻划前的形貌，然后调节针尖在表面施加应力（可达到10-6N），此时关掉反馈控制系统，通过控制轴、轴的偏置让针尖在表面划过，材料表面将被划开一条裂纹（约在几十纳米范围），大小与针尖曲率半径有关[10]。4.3用AFM的针尖诱导进行局域改性利用导电AFM对样品加电压，在样品表面形成局域大电流密度，从而对材料表面进行局域改性。此方法对表面形貌无影响，因而从形貌上看不出变化，但通过电流相可以看出变化。这种局域改性特点有利于进行信息写入和读出，特别是通过选择材料改进纳米点的写入或擦除，在应用领域有很广阔的前景。4.4用AFM操纵单分子和原子利用AFM针尖与样品表面原子相互作用，可以实现直接操纵单原子，从而使制造纳米结构成为可能。20世纪90年代初期，IBM科学家首次展示在低温下用STM进行原子操纵，然后又成功地制造“分子小人”和更具有实际物理意义的人工“量子栅栏”[11]。近年来，科学家更关心的是在室温