AFM简介

原子力显微镜（AFM）简介2015年9月SPMHeadScannersProbeholdersProbesMaincomponents:HeadAB:verticaldeflectionCD:torsionaldeflectionAFMquadphotodetectorAFMScannersACvoltagesappliedtothescannercrystalX-Yaxesproducearaster-typescanmotionProbeholdersProbesProbescomeinavarietyofsizes,shapesandmaterialsandarechosenaccordingtothetypeofimagingbeingperformed.Pgain&Igain•Pgain：比例补偿按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。•Igain：积分补偿使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。Aflatportionofthesamplesurfaceisscannedbeneaththetipleft-to-right,maintainingthelaserbeamatthecenterofthephotodiodearray.Asthetipencountersaraisedfeature,thecantileverispushedupandthelaserbeamisdeflectedontothe“A”portionofthearray.Withthe“A”photodiodereceivinganincreasedportionofthelaserlight,itsvoltageincreaseswhileportion“B’s”decreases(AB).TheVerticalDeflection(A-B)voltagedifferentialissensedbythefeedbackelectronics,causingadroppedvoltagetotheZpiezocrystal—thepiezoretracts.AstheZpiezoretracts,thecantileverrecentersthelaserbeamontothephotodiodearray(A=B)Igain&Pgain•Igain补偿一段时间里累积的误差•Pgain补偿当前误差•Igain比Pgain更敏感。Pgain应小于Igain的1/2，一般为1/2Setpoint•Tappingmode:amplitudesetpointsetpoint数值越高，振幅越大，力越小•Contactmode:deflectionsetpointsetpoint数值越高，针偏斜越大，力越大AFM探针的材料•探针材料一般是单晶硅或者氮化硅制成，部分可能有其他涂层（金属，DLC等）探针的重要参数悬臂梁（cantilever）的参数：尺寸：宽度（w）、长度（L）、厚度（w）决定弹性系数（K）一般来说，弹性系数越大，共振频率（f0）越高。部分悬臂梁会有涂层，常见涂层为铝或者金。探针的重要参数针尖（tip）的参数：探针曲率半径、前角、后角、tipsetback、针尖高度、侧角等。Tipcheck2.01.51.00.50.0µm2.01.51.00.50.0µm150100500-50-100-150nm各种不同形状的探针针尖的几何尺寸对性能的影响•越尖的探针，分辨率越高•过尖的针尖可能破坏样品表面，并且易磨损•针尖的形状对结果的影响追求更高的分辨率针尖尺寸对样品形貌的影响针尖尺寸对样品形貌的放大作用不同的扫描模式Tappingmode相图•悬臂梁振动信号与驱动信号在相图上的区别•相图受样品的高度，软硬、粘性、模量等的综合影响力谱分析•基于contact模式力曲线ForceCurve-25-20-15-10-50deflection[nm]8070605040piezoscannerdisplacement[nm]ApproachingRetractJumpinJumpout应用接触力学理论-30-25-20-15-10-50force[nN]-150-100-50050deformation[nm]ForcecurveJKRmodulus2.15MPa-50-40-30-20-10010force[nN]-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.0deformation[nm]ExperimentalforcecurveJKRmodulus2.42GPaDMTmodulus1.88GPa•考虑针尖／样品间吸附力•Johnson-Kendall-Roberts(JKR)理论•Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)理论IR橡胶PSForcevolume543210µm543210µm-300-200-1000100nm543210µm543210µm108642MPaHeightYoung’smodulusBruke公司的PeakForce技术31谢谢！