美国加利福尼亚州当地时间2011年5月2日,布鲁克(Bruker)发布了一款具有创新性和独特外形的原子力显微镜新品——Dimension FastScanTM,该产品在不牺牲纳米级分辨率的前提下提高显微镜成像速度方面取得了重大突破。Dimension FastScanTM比其他AFM扫描速度提高了数百倍,能够在数秒或数分钟内,而不是数小时或数天内得出结果,是世界上扫描速度最快的高分辨原子力显微镜。
鉴于在纳米尺度上观察与了解材料的需求在不断增加,沧州欧谱作为世界上使用最广泛的原子力显微平台的最新成员,Dimension FastScan采用了数项创新技术,使快速扫描速度、图像的高分辨率与精度达成完美平衡。基于成功设计的原子力显微镜架构,Dimension FastScan是一个尖端扫描系统(tip-scanning),能够提供空气或液体中的大、小样品的测量。
“Dimension FastScan实现了布鲁克在原子力显微镜技术上的目标之一,该仪器将使我们的用户能更有效率地工作,同时又不会丢失图像的分辨率与精度。在这样短的时间内完成高质量的图像,这是一项突破。”布鲁克纳米表面部总裁Mark R. Munch博士说到,“采用38项专利技术,Dimension FastScan具备了以往研究级原子力显微镜不能达到的更高的扫描速度,这是它的独特之处。”
“通过提供更有效获得纳米级信息的途径,Dimension FastScan 表示了布鲁克对科学界的承诺。”布鲁克原子力显微镜业务副总裁与总经理David V. Rossi补充到,“我们全新的Dimension FastScan,其与ScanAsyst、PeakForce QNM等其他的布鲁克旗下的原子力显微镜产品结合起来,显著提高工作效率,同时也提供纳米级的新的定量信息。这将使布鲁克的原子力显微镜系列产品更易于被学术界和工业界使用。”
其实原子力显微镜用处很多,分辨率也在纳米级,比一般的扫描电子显微镜等显微镜的分辨率还高。但是通常成像比较慢,似乎不像SEM用得广泛。如果能够像文中所说,“能够在数秒或数分钟内”成像,那应该会使AFM效率更高,使用率更加高!
一、原子力显微镜原理
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的,其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜(SPM)进行观测。
原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)最大的差别在于并非利用电子隧道效应,而是利用原子之间的范德华力(Van Der Waals Force)作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中,一个是在悬臂(cantilever)的探针尖端,另一个是在样本的表面,它们之间的作用力会随距离的改变而变化,其作用力与距离的关系如“图1”所示,当原子与原子很接近时,彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用,所以整个合力表现为斥力的作用,反之若两原子分开有一定距离时,其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用,故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看,这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。
从公式中知道,当r降低到某一程度时其能量为+E,也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值,若假设r增加到某一程度时,其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看,原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来,让微观的世界不再神秘。
在原子力显微镜的系统中,是利用微小探针与待测物之间交互作用力,来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式:
(1)利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜(contact AFM),探针与试片的距离约数个Å。
(2)利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜(non-contact AFM),探针与试片的距离约数十到数百Å。
二、原子力显微镜的硬件架构:
在原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)的系统中,可分成三个部分:力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
图2、原子力显微镜(AFM)系统结构
2.1 力检测部分:
在原子力显微镜(AFM)的系统中,所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂(cantilever)来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格,例如:长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状,而这些规格的选择是依照样品的特性,以及操作模式的不同,而选择不同类型的探针。
2.2 位置检测部分:
在原子力显微镜(AFM)的系统中,当针尖与样品之间有了交互作用之后,会使得悬臂cantilever摆动,所以当激光照射在cantilever的末端时,其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变,这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号,以供SPM控制器作信号处理。
2.3 反馈系统:
在原子力显微镜(AFM)的系统中,将信号经由激光检测器取入之后,在反馈系统中会将此信号当作反馈信号,作为内部的调整信号,并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动,以保持样品与针尖保持合适的作用力。
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