AFM 原理與結構講義
AFM 原理與結構講義
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Atomic Force Microscopy<br />
原子力學顯微鏡
概述<br />
原子力顯微鏡的操作原理<br />
原子力顯微鏡之分類<br />
接觸式<br />
非接觸式<br />
間歇接觸式<br />
原子力顯微鏡之探針<br />
原子力顯微鏡之解析度<br />
參考資料
概述<br />
自從1982年G. Binning & H. Rohrer發展出<br />
掃瞄穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling<br />
Microscope),衍生出一系列掃瞄探針顯微<br />
鏡(Scanning Probe Microscope)。
STM<br />
MFM<br />
EFM<br />
SThM<br />
SNOM<br />
LFM<br />
SPMs 偵測物理量 橫向解析度<br />
Scanning Tunneling<br />
Microscope<br />
Magnetic Force<br />
Microscope<br />
Electrostatic Force<br />
Microscope<br />
Scanning Thermal<br />
Microscope<br />
Scanning Near-Field<br />
Optical Microscope<br />
Lateral Force<br />
Microscope<br />
穿隧電流 0.2 nm<br />
磁力 0.2 nm<br />
靜電 50 nm<br />
熱 10 nm<br />
近場光波 20 nm<br />
側力 2 nm
‧由於STM侷限於試片的導電性質,使得應用<br />
範圍大大的減少,為了能有更廣泛的應用<br />
科用,故改用力場作回饋而發展出原子力<br />
顯微鏡(atomic force microscope,<br />
<strong>AFM</strong>),而因為對導體及絕緣體均有三維空<br />
間的顯影能力,所以成為運用最廣泛的掃<br />
描探針顯微鏡
比較<br />
掃描探針顯微鏡具有三個傳統顯微鏡無法<br />
達到的重大突破:<br />
掃描探針顯微鏡具有極高度的解析力<br />
掃描探針顯微鏡具有三維立體的成像能力<br />
掃描探針顯微鏡可以在多種環境下操作
應用<br />
由於原子力顯微鏡對三維空間有極為出色<br />
的顯像能力,並且可以在大氣環境中直接<br />
進行影像視察,所以在很多科學上被受重<br />
用。<br />
materials science<br />
semiconductor physics<br />
biology<br />
electrochemistry<br />
organic chemistry<br />
catalysis<br />
micromechanics
<strong>AFM</strong>的操作原理 原子力顯微鏡(<strong>AFM</strong>)屬於掃描探針<br />
顯微技術(SPM)的一支,此類顯微<br />
技術都是利用特製的微小探針,來<br />
偵測探針與樣品表面之間的某種交<br />
互作用,如穿隧電流、原子力、磁<br />
力、近場電磁波等等,然後使用一<br />
個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描<br />
器,使探針在樣品表面做左右前後<br />
掃描(或樣品做掃描),並利用此<br />
掃描器的垂直微調能力及迴饋路,<br />
讓探針與樣品問的交互作用在掃描<br />
過程中維持固定,兩者距離在數至<br />
數百A°(0.1-10nm),而只要記錄<br />
掃描面上每點的垂直微調距離,我<br />
們便能得到樣品表面的等交互作用<br />
圖像,這些資料便可用來推導出樣
photodiode<br />
piezo<br />
x<br />
z<br />
laser<br />
y<br />
cantilever<br />
cantilever tip
原子力顯微鏡的示意圖
原子力顯微鏡(<strong>AFM</strong>)的結構示意圖
原子力顯微鏡(<strong>AFM</strong>)屬於掃描探針顯微技術<br />
(SPM)的一支,此類顯微技術都是利用特製的微<br />
小探針,來偵測探針與樣品表面之間的某種交互<br />
作用,如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波<br />
等等,然後使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃<br />
描器,使探針在樣品表面做左右前後掃描(或樣<br />
品做掃描),並利用此掃描器的垂直微調能力及<br />
迴饋電路,讓探針與樣品問的交互作用在掃描過<br />
程中維持固定,此時兩者距離在數至數百A°<br />
(0.1-10nm)之間,而只要記錄掃描面上每點的<br />
垂直微調距離,我們便能得到樣品表面的等交互<br />
作用圖像,這些資料便可用來推導出樣品表面特<br />
性。
SPM tip<br />
tipholder<br />
sample<br />
piezo<br />
translator<br />
motor<br />
control<br />
photodiode<br />
mirror<br />
laser beam<br />
fluid in fluid out<br />
O-ring<br />
x,y,z piezo translator<br />
fluid cell<br />
in air and in buffer solutions<br />
sample
movement of the <strong>AFM</strong> tip along the sample<br />
Mg 2<br />
+<br />
Mg 2<br />
+<br />
<strong>AFM</strong> tip<br />
Mg 2<br />
+<br />
Mg 2<br />
+<br />
Mg 2<br />
+<br />
superhelical DNA plasmid<br />
Mg 2<br />
+<br />
path of <strong>AFM</strong> tip<br />
negatively charged mica surface<br />
DNA double helix
原子力顯微鏡的分類<br />
‧接觸式 (Contact <strong>AFM</strong>)<br />
‧非接觸式 (Non-Contact <strong>AFM</strong>)<br />
‧間歇接觸式 (Intermittent-Contact <strong>AFM</strong>)
接觸式<strong>AFM</strong> 圖<br />
在接觸式操作下,探針與樣<br />
品問的作用力是原子間的排<br />
斥力,這是最早被發展出來<br />
的操作模式,由於排斥力對<br />
距離非常敏感,所以接觸式<br />
<strong>AFM</strong>較容易得到原子解析<br />
度。在一般的接觸式量測<br />
中,探針與樣品問的作用力<br />
很小,約為10-6至10-10N<br />
(Newton),但由於接觸面<br />
積極小,因此過大的作用力<br />
仍會損壞樣品表面,但較大<br />
的的作用力通常可得到較佳<br />
的解析度。
‧在接觸式操作下,探針與樣品問的作用力是原子間<br />
的排斥力,這是最早被發展出來的操作模式,由於<br />
排斥力對距離非常敏感,所以接觸式<strong>AFM</strong>較容易得<br />
到原子解析度。在一般的接觸式量測中,探針與樣<br />
品問的作用力很小,約為10-6至10-10N<br />
(Newton),但由於接觸面積極小,因此過大的作<br />
用力仍會損壞樣品表面,但較大的的作用力通常可<br />
得到較佳的解析度。<br />
‧選擇適當的的作用力,接觸式的操作模式是十分重<br />
要的。接觸式的<strong>AFM</strong>利用探針和樣品原子間的排斥<br />
力(repulsive force),原子力間的排斥力對距<br />
離的變化是非常敏感。是利用具有懸臂的探針接觸<br />
且輕壓表面,由於反作用力使得探針的懸臂產生偏<br />
折,而偏折量的大小代表反作用力的大小,所以掃<br />
描表面時利用維持相同的偏折量就可以描繪出3D的<br />
表面結構 。
原子間作用力<br />
有幾種典型的力量會造成原子力顯微鏡懸<br />
臂的歪斜,最普遍的是凡得瓦力(van der<br />
Waals force),其它還有如electrostatic,<br />
magnetic force, thermal gradients, and<br />
optical intensity, ….
原子間凡得瓦力和距離關係
恆定-高度或恆定-力量
接觸式原子力顯微鏡<br />
‧接觸式<strong>AFM</strong>是一個排斥性的模式,探針尖<br />
端和樣品之間做柔軟性的「實際接觸」,<br />
當探針尖端輕輕的掃過樣品表面時,接觸<br />
的力量引起懸臂彎曲,進而得到樣品的表<br />
面圖形。<br />
‧由於是接觸式掃瞄,在掃瞄樣品時可能會<br />
使樣品表面變形。<br />
‧經過多次掃描後,探針或者樣品有鈍化的<br />
現象。
非接觸式原子力顯微鏡<br />
‧需要使用較堅硬的懸臂(以防與樣品接觸)<br />
‧所得到的信號很小,需要更靈敏的裝置<br />
‧由於為非接觸狀態,<br />
‧對於研究柔軟或有彈性樣品較佳<br />
‧探針不會有鈍化的效應<br />
‧誤判的現象
間歇接觸式原子力顯微鏡<br />
‧類似非接觸式<strong>AFM</strong><br />
‧比非接觸式更靠近樣品表面<br />
‧探針有時會擊中,或輕打樣品表面<br />
‧損害樣品的可能性比接觸式少(不用側面力, 摩<br />
擦或拖曳)<br />
‧樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式更有效
原子力顯微鏡之探針
原子力顯微鏡的解析度
PS/PMMA(30/70)<br />
25μm on the gold<br />
substrate
20--40 nm, 相分離<br />
1-3 μm<br />
PS/PMMA(50/50) 100 nm<br />
on the gold substrate
20 μm<br />
PS/PMMA (30/70) 100 nm<br />
on the gold substrate
PS/PMMA (30/70) 100 nm<br />
on the gold substrate<br />
surface etching with<br />
cyclohexane
PS 37dyne/cm
H 15-20 nm<br />
W 1-2μm<br />
PS/PMMA (30/70) 100nm<br />
coated on the hydrophilic<br />
silicon substrate
PS/PMMA (30/70) 120nm<br />
coated on the hydrophobic<br />
silicon substrate<br />
PS segments with lower<br />
surface free energy<br />
Minimize the polymersubstrate<br />
interfacial free<br />
energy
參考資料<br />
1. Dawn Bonnell; Scanning Probe Microscopy<br />
and Spectroscopy Theory, techniques, and<br />
Applications (Second Edition)<br />
2. T. Kajiyama, Film thickness dependence<br />
of the surface structure of immiscible<br />
polystyrene/poly(methly methacrylate)<br />
blends,Marcromolecules,29,9,3232<br />
(1996)
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