扫描探针显微镜的最新技术进展及应用

扫描探针显微镜(SPM s )是用来探测表面性质的仪器家族,是由B inn ig 和Roh rer 等人最早于1982年发明[1]。虽然SPM 在目前可以测量许多表面的其它性质,但是揭示表面形貌一直是它的主要应用目的。SPM 是我们这个时代中最为有力的表面测量工具,其测量表面特征的尺寸可以从原子间距到100微米之间变化。随着1986年原子力显微镜(A FM )的出现[2],相继出现了许多同STM 和A FM 技术相似的新型扫描探针显微镜。主要有扫描隧道电位仪(ST P )、弹道电子发射显微镜(B EE M )、扫描离子电导显微镜(S I C M )、扫描热显微镜(ST h M )、光子扫描隧道显微镜(PSTM )和扫描近场光学显微镜(SNOM )等[3],这些SPM 镜群的出现,极大地拓展了它们的应用空间。以A FM 为代表的SFM (扫描力显微镜)是通过控制并检测针尖2样品间的相互作用力,例如原子间斥力、摩擦力、弹力、范德华力、磁力和静电力等来分析研究表面性质的,相应的扫描力显微镜有原子力显微镜(A FM )、摩擦力显微镜(L FM )、磁力显微镜(M FM )和静电力显微镜(EFM )等。近年来,SFM 正在向检测材料不同组分的方向努力,并出现了力调制(Fo rce M odu lati on )技术及相位成像技术(Phase I m aging ),这对于人们在极高的分辨率上研究物质的组成提供了一种强有力的手段。这些SPM 特殊功能的发展无不得益于新技术在此领域的应用。本文就几种有突出作用的技术及应用情况作一介绍。

SPM 用于材料分析方面的特殊功能

11力调制显微镜(Force M odula tion M icroscope )

FMM 是用来检测被测表面的机械性质诸如表面硬度及弹性强度。同L FM (横向力显微镜)和M FM (磁力显微镜)一样,FMM 也可以同时得到表面形貌信息及材料性质数据。对于FMM 来说,微悬臂上的针尖同样品表面进行接触式扫描,至于恒力接触式A FM ,Z 路反馈回路利用微悬臂位移信号来保持针尖与样品间的力恒定,这样可以得到形貌图像。一个致动器振荡样品或者针尖,被调制的微悬臂的振动幅值取决于这种振荡随样品表面弹性模量的变化情况,如图1所示。

系统会产生一个反映样品硬度分布的FMM 图像,硬度的分布情况是被调制的微悬臂振幅的反映。加载的振荡信号频率在几十到几百kH z 之间,快于反馈回路的跟踪速度,所以,形貌信息可以同样品的局部硬度信息分离出来,因此两种图像便可以同时得到。振荡信号可以加到样品或者针尖上(分别称为样品调制和针尖调制)。