NanoST 版 (精华区)

发信人: hfl (凤凰·凤秘·蜂蜜), 信区: NanoST
标  题: 【范文】原子力显微镜(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年12月04日18:15:35 星期四), 站内信件

【 以下文字转载自 NewBoard 讨论区 】
【 原文由 fangzhe 所发表 】

The Atomic Force Microscope (AFM ) is being used to solve processing and ma 


terials problems in a wide range of technologies affecting the electronics,  


telecommunications, biological, chemical, automotive, aerospace, and energy  


industries. The materials being investigating include thin and thick film co 


atings, ceramics, composites, glasses, synthetic and biological membranes, m 


etals, polymers, and semiconductors. The AFM is being applied to studies of  


phenomena such as abrasion, adhesion, cleaning, corrosion, etching, friction 


, lubrication, plating, and polishing. By using AFM one can not only image t 


he surface in atomic resolution but also measure the force at nano-newton sc 


ale. The publications related to the AFM are growing speedily since its birt 


h. 

The first AFM was made by meticulously gluing a tiny shard of diamond onto o 


ne end of a tiny strip of gold foil. In the fall of 1985 Gerd Binnig and Chr 


istoph Gerber used the cantilever to examine insulating surfaces. A small ho 


ok at the end of the cantilever was pressed against the surface while the sa 


mple was scanned beneath the tip. The force between tip and sample was measu 


red by tracking the deflection of the cantilever. This was done by monitorin 


g the tunneling current tot a second tip positioned above the cantilever. Th 


ey could delineate lateral features as small as 300 ?. The force microscope  


emerged in this way. In fact, without the breakthrough in tip manufacture, t 


he AFM probably would have remained a curiosity in many research groups. It  


was Albrecht, a fresh graduate student, who fabricated the first silicon mic 


rocantilever and measured the atomic structure of boron nitride. Today the t 


ip-cantilever assembly typically is microfabricated from Si or Si3N4. The er 


a of AFM came finally when the Zurich group released the image of a silicon  


(111) 7X7 pattern. The world of surface science knew that a new tool for sur 


face microscope was at hand. After several years the microcantilevers have b 


een perfected, and the instrument has been embraced by scientists and techno 


logists. 
The force between the tip and the sample surface is very small, usually less 


 than 10-9 N. How to monitor such small forces is another story. The detecti 


on system does not measure force directly. It senses the deflection of the m 


icrocantilever. The detecting systems for monitoring the deflection fall int 


o several categories. The first device introduced by Binnig was a tunneling  


tip placed above the metallized surface of the cantilever. This is a sensiti 


ve system where a change in spacing of 1 ? between tip and cantilever change 


s the tunneling current by an order of magnitude. It is straightforward to m 


easure deflections smaller than 0.01 ?. Subsequent systems were based on the 


 optical techniques. The interferometer is the most sensitive of the optical 


 methods, but it is somewhat more complicated than the beam-bounce method wh 


ich was introduced by Meyer and Amer. The beam-bounce method is now widely u 


sed as a result of the excellent work by Alexander and colleagues. In this s 


ystem an optical beam is reflected from the mirrored surface on the back sid 


e of the cantilever onto a position-sensitive photodetector. In this arrange 


ment a small deflection of the cantilever will tilt the reflected beam and c 


hange the position of beam on the photodetector. A third optical system intr 


oduced by Sarid uses the cantilever as one of the mirrors in the cavity of a 


 diode laser. Motion of the cantilever has a strong effect on the laser outp 


ut, and this is exploited as a motion detector. An expanded view of the imag 


e at left, and a legend describing its parts is found here. 
According to the interaction of the tip and the sample surface, the AFM can  


be classified as repulsive or Contact mode and attractive or Noncontact mode 


. Now the Tappingmode shows a prosperous future to image the micro-world. 
The principles on how the AFM works are very simple. An atomically sharp ti 


p is scanned over a surface with feedback mechanisms that enable the piezo-e 


lectric scanners to maintain the tip at a constant force (to obtain height i 


nformation), or height (to obtain force information) above the sample surfac 


e. Tips are typically made from Si3N4 or Si, and extended down from the end  


of a cantilever. The nanoscope AFM head employs an optical detection system  


in which the tip is attached to the underside of a reflective cantilever. A  


diode laser is focused onto the back of a reflective cantilever. As the tip  


scans the surface of the sample, moving up and down with the contour of the  


surface, the laser beam is deflected off the attached cantilever into a dual 


 element photodiode. The photodetector measures the difference in light inte 


nsities between the upper and lower photodetectors, and then converts to vol 


tage. Feedback from the photodiode difference signal, through software contr 


ol from the computer, enables the tip to maintain either a constant force or 


 constant height above the sample. In the constant force mode the piezo-elec 


tric transducer monitors real time height deviation. In the constant height  


mode the deflection force on the sample is recorded. The latter mode of oper 


ation requires calibration parameters of the scanning tip to be inserted in  


the sensitivity of the AFM head during force calibration of the microscope. 


Some AFM's can accept full 200 mm wafers. The primary purpose of these instr 


uments is to quantitatively measure surface roughness with a nominal 5 nm la 


teral and 0.01nm vertical resolution on all types of samples. Depending on t 


he AFM design, scanners are used to translate either the sample under the ca 


ntilever or the cantilever over the sample. By scanning in either way, the l 


ocal height of the sample is measured. Three dimensional topographical maps  


of the surface are then constructed by plotting the local sample height vers 


us horizontal probe tip position. 

The concept of resolution in AFM is different from radiation based microsco 


pies because AFM imaging is a three dimensional imaging technique. The abili 


ty to distinguish two separate points on an image is the standard by which l 


ateral resolution is usually defined. There is clearly an important distinct 


ion between images resolved by wave optics and scanning probe techniques. Th 


e former is limited by diffraction, and later primarily by apical probe geom 


etry and sample geometry. Usually the width of a DNA molecule is loosely use 


d as a measure of resolution, because it has a known diameter of 2.0 nm in t 


he B form. Some of the best values for AFM imaging are 3.0 nm quoted form DN 


A in propanol. Unfortunately, this definition of resolution can be misleadin 


g because the sample height clearly effects this value. 
Indeed, many authors have seen that it is the radius of curvature that signi 


ficantly influences the resolving ability of the AFM. Images of DNA made by  


the sharper tip have shown dramatic improvements in resolution widths (see t 


he two pictures below). Even greater improvements in resolution have been at 


tained with Tappingmode but contact imaging still is capable of high resolut 


ion imaging. For brief discussion on resolution see the article by Keller in 


 Physics Today (October, 1995). 

In order to obtain good AFM results, the vibration isolation platform is ne 


eded. The vibration isolation consists of a large mass attached to bungy cor 


ds firmly anchored to the building. (Notice that the resonance frequency onl 


y depends on the stretch of the bungy cord). Damping of the oscillation is b 


elieved to result from rubbing of the rubber fibres inside of the bungy cord 


 against the outside lining material. Between the low resonance frequency of 


 the bungy cord system and the high resonance frequency of the microscope ha 


rdware itself (> 10 kHz ), the AFM effectively comprises a band pass filter. 


 This allows the microscopists to safely image their samples in the intermed 


iate range of about 1 - 100 Hz and obtain atomic resolution. 

Comparison of AFM and other imaging techniques 
---------------------------------------------------------------------------- 


---- 
1. AFM versus STM: 
It's interesting to compare AFM and its precursor -- Scanning Tunneling Micr 


oscope. In some cases, the resolution of STM is better than AFM because of t 


he exponential dependence of the tunneling current on distance. The force-di 


stance dependence in AFM is much more complex when characteristics such as t 


ip shape and contact force are considered. STM is generally applicable only  


to conducting samples while AFM is applied to both conductors and insulators 


. In terms of versatility, needless to say, the AFM wins. Furthermore, the A 


FM offers the advantage that the writing voltage and tip-to-substrate spacin 


g can be controlled independently, whereas with STM the two parameters are i 


ntegrally linked. 
2. AFM versus SEM: 
Compared with Scanning Electron Microscope, AFM provides extraordinary topog 


raphic contrast direct height measurements and unobscured views of surface f 


eatures (no coating is necessary). 
3. AFM versus TEM: 
Compared with Transmission Electron Microscopes, three dimensional AFM image 


s are obtained without expensive sample preparation and yield far more compl 


ete information than the two dimensional profiles available from cross-secti 


oned samples. 
4. AFM versus Optical Microscope: 
Compared with Optical Interferometric Microscope (optical profiles), the AFM 


 provides unambiguous measurement of step heights, independent of reflectivi 


ty differences between materials. 


Contact Mode 
The contact mode where the tip scans the sample in close contact with the su 


rface is the common mode used in the force microscope. The force on the tip  


is repulsive with a mean value of 10 -9 N. This force is set by pushing the  


cantilever against the sample surface with a piezoelectric positioning eleme 


nt. In contact mode AFM the deflection of the cantilever is sensed and compa 


red in a DC feedback amplifier to some desired value of deflection. If the m 


easured deflection is different from the desired value the feedback amplifie 


r applies a voltage to the piezo to raise or lower the sample relative to th 


e cantilever to restore the desired value of deflection. The voltage that th 


e feedback amplifier applies to the piezo is a measure of the height of feat 


ures on the sample surface. It is displayed as a function of the lateral pos 


ition of the sample. A few instruments operate in UHV but the majority opera 


te in ambient atmosphere, or in liquids. Problems with contact mode are caus 


ed by excessive tracking forces applied by the probe to the sample. The effe 


cts can be reduced by minimizing tracking force of the probe on the sample,  


but there are practical limits to the magnitude of the force that can be con 


trolled by the user during operation in ambient environments. Under ambient  


conditions, sample surfaces are covered by a layer of adsorbed gases consist 


ing primarily of water vapor and nitrogen which is 10-30 monolayers thick .  


When the probe touches this contaminant layer, a meniscus forms and the cant 


ilever is pulled by surface tension toward the sample surface. The magnitude 


 of the force depends on the details of the probe geometry, but is typically 


 on the order of 100 nanoNewtons. This meniscus force and other attractive f 


orces may be neutralized by operating with the probe and part or all of the  


sample totally immersed in liquid. There are many advantages to operate AFM  


with the sample and cantilever immersed in a fluid. These advantages include 


 the elimination of capillary forces, the reduction of Van der Waals' forces 


 and the ability to study technologically or biologically important processe 


s at liquid solid interfaces. However there are also some disadvantages invo 


lved in working in liquids. These range from nuisances such as leaks to more 


 fundamental problems such as sample damage on hydrated and vulnerable biolo 


gical samples. 
In addition, a large class of samples, including semiconductors and insulato 


rs, can trap electrostatic charge(partially dissipated and screened in liqui 


d). This charge can contribute to additional substantial attractive forces b 


etween the probe and sample. All of these forces combine to define a minimum 


 normal force that can be controllably applied by the probe to the sample. T 


his normal force creates a substantial frictional force as the probe scans o 


ver the sample. In practice, it appears that these frictional forces are far 


 more destructive than the normal force and can damage the sample, dull the  


cantilever probe and distort the resulting data. Also many samples such as s 


emiconductor wafers can not practically be immersed in liquid. An attempt to 


 avoid these problem is the Non-contact Mode. 
---------------------------------------------------------------------------- 


---- 
Non-contact Mode 
A new era in imaging was opened when microscopists introduced a system for i 


mplementing the non-contact mode which is used in situations where tip conta 


ct might alter the sample in subtle ways. In this mode the tip hovers 50 - 1 


50 Angstrom above the sample surface. Attractive Van der Waals forces acting 


 between the tip and the sample are detected, and topographic images are con 


structed by scanning the tip above the surface. Unfortunately the attractive 


 forces from the sample are substantially weaker than the forces used by con 


tact mode. Therefore the tip must be given a small oscillation so that AC de 


tection methods can be used to detect the small forces between the tip and t 


he sample by measuring the change in amplitude, phase, or frequency of the o 


scillating cantilever in response to force gradients from the sample. For hi 


ghest resolution, it is necessary to measure force gradients from Van der Wa 


als forces which may extend only a nanometer from the sample surface. In gen 


eral, the fluid contaminant layer is substantially thicker than the range of 


 the Van der Waals force gradient and therefore, attempts to image the true  


surface with non-contact AFM fail as the oscillating probe becomes trapped i 


n the fluid layer or hovers beyond the effective range of the forces it atte 


mpts to measure. 
---------------------------------------------------------------------------- 


---- 
Tapping Mode 
Tapping mode is a key advance in AFM. This potent technique allows high reso 


lution topographic imaging of sample surfaces that are easily damaged, loose 


ly hold to their substrate, or difficult to image by other AFM techniques. T 


apping mode overcomes problems associated with friction, adhesion, electrost 


atic forces, and other difficulties that an plague conventional AFM scanning 


 methods by alternately placing the tip in contact with the surface to provi 


de high resolution and then lifting the tip off the surface to avoid draggin 


g the tip across the surface. Tapping mode imaging is implemented in ambient 


 air by oscillating the cantilever assembly at or near the cantilever's reso 


nant frequency using a piezoelectric crystal. The piezo motion causes the ca 


ntilever to oscillate with a high amplitude( typically greater than 20nm) wh 


en the tip is not in contact with the surface. The oscillating tip is then m 


oved toward the surface until it begins to lightly touch, or tap the surface 


. During scanning, the vertically oscillating tip alternately contacts the s 


urface and lifts off, generally at a frequency of 50,000 to 500,000 cycles p 


er second. As the oscillating cantilever begins to intermittently contact th 


e surface, the cantilever oscillation is necessarily reduced due to energy l 


oss caused by the tip contacting the surface. The reduction in oscillation a 


mplitude is used to identify and measure surface features. 
During tapping mode operation, the cantilever oscillation amplitude is maint 


ained constant by a feedback loop. Selection of the optimal oscillation freq 


uency is software-assisted and the force on the sample is automatically set  


and maintained at the lowest possible level. When the tip passes over a bump 


 in the surface, the cantilever has less room to oscillate and the amplitude 


 of oscillation decreases. Conversely, when the tip passes over a depression 


, the cantilever has more room to oscillate and the amplitude increases (app 


roaching the maximum free air amplitude). The oscillation amplitude of the t 


ip is measured by the detector and input to the NanoScope III controller ele 


ctronics. The digital feedback loop then adjusts the tip-sample separation t 


o maintain a constant amplitude and force on the sample. 
When the tip contacts the surface, the high frequency (50k - 500k Hz) makes  


the surfaces stiff (viscoelastic), and the tip-sample adhesion forces is gre 


atly reduced. TappingMode inherently prevents the tip from sticking to the s 


urface and causing damage during scanning. Unlike contact and non-contact mo 


des, when the tip contacts the surface, it has sufficient oscillation amplit 


ude to overcome the tip-sample adhesion forces. Also, the surface material i 


s not pulled sideways by shear forces since the applied force is always vert 


ical. Another advantage of the TappingMode technique is its large, linear op 


erating range. This makes the vertical feedback system highly stable, allowi 


ng routine reproducible sample measurements. 
Tapping mode operation in fluid has the same advantages as in the air or vac 


uum. However imaging in a fluid medium tends to damp the cantilever's normal 


 resonant frequency. In this case, the entire fluid cell can be oscillated t 


o drive the cantilever into oscillation. This is different from the tapping  


or non-contact operation in air or vacuum where the cantilever itself is osc 


illating. When an appropriate frequency is selected (usually in the range of 


 5,000 to 40,000 cycles per second), the amplitude of the cantilever will de 


crease when the tip begins to tap the sample, similar to TappingMode operati 


on in air. Alternatively, the very soft cantilevers can be used to get the g 


ood results in fluid. The spring constant is typically 0.1 N/m compared to t 


he tapping mode in air where the cantilever may be in the range of 1-100 N/m 



Summary 
In contact AFM electrostatic and/or surface tension forces from the adsorbed 


 gas layer pull the scanning tip toward the surface. It can damage samples a 


nd distort image data. Therefore, contact mode imaging is heavily influenced 


 by frictional and adhesive forces compared to non-contact or tapping mode. 


Non-contact imaging generally provides low resolution and can also be hamper 


ed by the contaminant layer which can interfere with oscillation. 
TappingMode AFM was developed as a method to achieve high resolution without 


 inducing destructive frictional forces both in air and fluid. With the Tapp 


ingMode technique, the very soft and fragile samples can be imaged successfu 


lly. Also, incorporated with Phase Imaging, the tapping mode AFM can be used 


 to analyze the components of the membrane. 

--

※ 来源:.哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 219.217.226.234]
--
※ 转载:.哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn.[FROM: 202.118.229.215]
[百宝箱] [返回首页] [上级目录] [根目录] [返回顶部] [刷新] [返回]
Powered by KBS BBS 2.0 (http://dev.kcn.cn)
页面执行时间:207.916毫秒