原子力顯微鏡的主要構件和性能

原子力顯微鏡的主要構件和性能

AFM主要由為反饋光路提供光源的激光系統(tǒng)(Laser)、進行力一距離反饋的微懸臂系統(tǒng)(Cantilever)、執(zhí)行光柵掃描和z軸定位的壓電掃描器x，Y，z Piezo-scanner)、接收光反饋信號的光電探測器(Detector)、反饋電子線路(Current Circle)、粗略定位系統(tǒng)、防震防噪聲系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理軟件、樣品探測環(huán)境控制系統(tǒng)(濕控、溫控、氣環(huán)境控制等)、監(jiān)控激光一懸臂一樣品相對位置的顯微及CCD攝像系統(tǒng)等構成(見圖1)。其中,前四大系統(tǒng)是該儀器的核心部件(見圖2)。

圖1 原子力顯微鏡的外貌圖(WET-SPM-9500J3)

圖2 原子力顯微鏡的核心組成部件示意圖

1、激光器單元

        激光器是光反饋通路的信號源。由于懸臂尖端的空間有限性，就對照射器上的光束寬度提出了一定要求：足夠細、單色性好、發(fā)散程度弱；同時也要求光源的穩(wěn)定性高，可持續(xù)運行時間久，工作壽命長。而激光正是能夠很好地滿足上述條件的光源。

2、 微懸臂單元

        微懸臂是探測樣品的直接工具，它的屬性直接關系到儀器的精度和使用范圍。微懸臂必須有足夠高的力反應能力，這就要求懸臂必須容易彎曲，也易于復位，具有合適的彈性系數(shù)，使得零點幾個納牛(nN)甚至更小的力的變化都可以被探測到；同時也要求懸臂有足夠高的時間分辨能力，因而要求懸臂的共振頻率應該足夠高，可以追隨表面高低起伏的變化。根據(jù)上述兩個要求，微懸臂的尺寸必須在微米的范圍，而位于微懸臂末端的探針則在10nm左右，而其上針尖的曲率半徑約為30nm，懸臂的固有頻率則必須高于10kHz。通常使用的微懸臂材料是Si₃N₄ 。其彈性系數(shù)k=3EI/L³：9．57mf²，其中E，1分別為楊模量、轉動慣量，L，m，f分別是微懸臂的長度、質量和共振頻率。微懸臂的勁度常數(shù)一般為4 X 10^-3-2.0N/m。

3、壓電掃描單元

       要探測樣品表面的精細結構，除了高性能的微懸臂以外，壓電掃描器(壓電換能器)的精確掃描和靈敏反應也是同樣重要的。壓電換能器是能將機械作用和電訊號互相轉換的物理器件。它不僅能夠使樣品在XY掃描平面內精確地移動，也能靈敏地感受樣品與探針間的作用，同時亦能將反饋光路的電訊號轉換成機械位移，進而靈敏地控制樣品和探針間的距離(力)，并記錄因掃描位置的改變而引起的z向伸縮量△h(x，y)。這樣，壓電掃描器就對樣品實現(xiàn)了表面掃描。常見掃描器的最小分辨率為0．1nmX 0．1nm X 0．01nm。

4、光電檢測與反饋單元

       目前AFM探測懸臂微形變的主要方法是光束偏轉法：用一束激光照在微懸臂的尖端，而用位置靈敏光檢測器(PSPD)來接收懸臂尖端的反射激光束，并輸出反映反射光位置的信號。由于懸臂的形變會引起反射光束的偏移，導致反射光在PSPD上位置的變化，進而產生反應懸臂的形變的電訊號，以供調節(jié)壓電掃描器的伸縮控制。
       作為AFM的核心部件，它們是不可或缺的，要得到滿意的試驗圖像，總是要求各個部件的工作狀態(tài)都達到最佳。因此，AFM中最關鍵的技術就是高性能激光器的設計、對微弱力作用極其敏感的微懸臂的設計、為獲得高分辨率的非常尖細針尖的制備、精確掃描定位的壓電換能器和光電檢測技術的研究。