为了缩小设备的尺寸,但仍然严格控制性能,新技术往往要求越来越严格的表面规格。反过来,表征工具必须跟上时代的步伐,提供更高的分辨率、更快的吞吐量和更多的功能。原子力显微镜(AFM)是一种众所周知的高分辨率成像技术,但它的表征能力和易用性在过去的几年里显著提高。

AFM的工作原理

图1所示。AFM元件原理图。扫描电镜图像显示的是一个微加工悬臂。

与光学和电子显微镜通过透射或反射辐射“看到”表面不同,AFM使用带有小尖端的微机械悬臂“感知”表面(图1)。这种尖端的典型半径为几纳米,使AFM能够高灵敏度地感知表面力。

悬臂梁的位置由一个带有压电驱动器的扫描仪在三维空间中控制。成像是通过在XY平面上对样品(或等效的悬臂梁)进行光栅扫描来完成的。为了提高扫描精度,较新的AFMs使用闭环定位(即,受测反馈)来补偿压电滞后和蠕变。更新的AFMs还具有更好的机械稳定性设计,以减少热漂移和噪音。因此,在许多设置下,高分辨率成像可以在没有振动隔离或温度控制系统的情况下进行。

在扫描过程中,采用光学检测方案对悬臂梁进行监控。激光束聚焦在悬臂梁上并反射到位置敏感的光电二极管中。所述上下光电二极管电压捕获悬臂梁的相对垂直位置,并可通过建立的校准程序转换为绝对偏转。左、右光电二极管电压也可以获得,并表示悬臂的相对横向或扭转运动。

AFM控制器或控制系统包括主动反馈以提高灵敏度。光电二极管偏转信号被输入到控制悬臂位置的反馈回路。一个例子是接触模式,其中尖端扫描以恒定的施加力接触。在这种情况下,反馈回路用于维持恒定的悬臂偏转,从而使用Z压电致动器调节悬臂基座的高度。然后图像表示每个位置所需的高度更改。几乎所有AFM操作模式都利用反馈控制,但是获取的可变控制和数据类型根据模式而异。

从这个简短的描述中可以明显看出afm的几个关键特征。几乎任何类型的材料都可以检测,而样品通常只需要很少或不需要准备。成像可以在环境中,甚至在液体中进行。尖端尺寸小,提供的空间分辨率远远超过其他触针方法。然而,AFM的视场相对较小,通常只有几十微米。扫描速度历史上也比较慢(每张图像几分钟),但有了显著的提高1最近才制作(每秒数帧)。

纳米尺度及以上的成像地形图

图2。在硅(紫色)上的约300纳米厚的图形化钛薄膜(黄色)的叩击模式地形图像的三维渲染。扫描尺寸10 μm。

由于他们的发明在20世纪80年代,AFMS已经使用上述概念来利用纳米级分辨率映射表面高度变化。这些高度或地形,图像提供了有关许多类型的结构的有价值的信息,包括粗糙度,缺陷,无定形和结晶相和薄膜成核和生长。

地形最初是在接触模式下获取的,如上所述。然而,接触扫描引起的横向力会损坏精细样品,导致尖端过度磨损,需要更慢的扫描。为了解决这些问题,一种叫做点击模式的方法被迅速开发出来。在叩击模式下,悬臂在一个弯曲共振附近以恒定的频率振荡(通常从几十到几百千赫兹)。传统上,振动是用压电“激振器”进行的,但采用光热激发2最近也开发出了其他替代方案。

在轻拍模式下,扫描过程中针尖-样品相互作用力的变化改变了悬臂梁的时间平均振荡幅度。反馈回路通过调整悬臂梁的Z点位置来保持振幅恒定,而图像数据代表了这些调整。因为探针只在轻拍模式下间歇地接触样本,侧向力大大减少,可以更快地成像。轻拍模式还产生悬臂振荡相位的第二图像,可以提供有用的对比样品组件。

图2中的地形示例图像强调AFM图像是具有定量数据的3D表面轮廓,而不是需要解释的2D投影。因此,它们可以用于广泛的分析和显示选项,其中许多都是在更新的afm上的软件中预先编程的。例如,可以快速轻松地确定与性能或处理变量相关的图像指标。

图3。ß-DBDCS单晶在水中拍水时的形貌。高度(颜色)范围从0 pm(深蓝色)到700 pm(浅绿色)。扫描尺寸10 nm。样本由首尔国立大学的S. Y. Park、J. Gierschner、IMDEA Nanociencia和耶拿大学的E. Gnecco提供。

图3中的地形图像只有10纳米的图像宽度,展示了当今AFMs可能的超高分辨率。硬件上的改进使得空间分辨率足够用于晶格尺度的成像——分辨率与目前的限制相似,甚至更好3.~50 PM的高分辨率透射电子显微镜。由于尖端样品的相互作用体积决定了AFM的分辨率,它的极限远小于光学和电子衍射所设定的极限。

除了更高的空间分辨率和其他技术改进之外,今天的AFM也比早期的型号更容易使用。新的自动化例程 - 例如,在攻丝模式下对准激光或优化成像参数 - 大大减少设置时间。通过用于图像显示和分析的广泛内置工具,进一步简化了操作。

局部材料特性成像

图4。蓝光激光诱导掺杂ZnO薄膜的光电流。CAFM电流叠加在三维形貌上。扫描尺寸5 μm。

然而,AFM的能力超越了地形成像。同样的力传感概念可以用于量化纳米尺度上的近表面物理特性。对于许多应用来说,这种测量提供了形态学成像无法提供的有价值的信息。

例如,功能性质,例如电气,磁性和机电响应的影响,其从光伏从光伏到非易失性存储器和数据存储器等等。询问纳米级上的功能行为,许多AFM模式4已发展的基础上静电,电容,磁性和相关的针尖样品相互作用。

探测电学性质的AFM模式包括导电AFM (CAFM)、静电力显微镜(EFM)和开尔文探针力显微镜(KFPM)。图4中的例子显示了对光活性膜的CAFM评价。这些技术提供的纳米级信息通常与探测站方法获得的信息是互补的,探测站方法测试整个设备。AFM电气技术也可以用来评估均匀性,识别缺陷,以及其他保证质量的方法。

压电响应力显微镜(PFM)和磁力显微镜(MFM)提供了功能表征的其他功能。PFM表征压电、铁电和多铁材料的静态和动态机电响应。相比之下,MFM使用磁化尖端来评估铁磁和多铁磁材料的磁性行为。

图5。弹性模量在三维形貌上覆盖聚乙烯对苯二甲酸酯(PET,绿色)、聚乙烯(PE,蓝色)、乙烯乙烯醇(EVOH,黄色)和粘合剂(黄绿色)的多层聚合物薄膜。获取AM-FM模式。扫描尺寸9 μm。

在其他应用中,机械和摩擦学性质如模量,粘附和摩擦对于性能和可靠性至关重要。AFM对低力的敏感性使得能够具有比其他更高的垂直和横向分辨率的机械测量。如图5所示,今天的AFMS提供了其他纳米力学技术5除了经典力曲线方法。这些较新的成像技术还可以测量粘弹性响应,特别重要的聚合物和生物材料。

本文简要介绍了当今AFMS的纳米级表面特征的能力。最近的仪器推进如较高的空间分辨率,更快的成像率和增强物理性质的测量,使AFMS比以往任何时候都更有价值。将来更加延长这些能力的未来改进将帮助AFMS与技术的持续需求保持在更好的设备控制上的较小长度尺度。

本文由自由AFM顾问Donna Hurley和Oxford Instruments Asylum Research (Abingdon, Oxfordshire, UK)市场总监Ben Ohler撰写。欲了解更多信息,请联系Ohler博士此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。或访问在这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首次发表于2017年11月号光子与成像技术杂志。

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