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原子力显微镜

姓名：董佳婧学号：141120021院系：物理学院

摘要：本文阐述了原子力显微镜的结构、原理及应用，观察了样品的

表面形貌，最后对本实验进行了讨论。

关键词：原子力显微镜，导电ITO，表面粗糙度

1.引言

在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，

是一个重要的研究方向。扫描隧道显微镜(STM)使人们首次能够真正实时地观

察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。

STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结

构。为了克服STM的不足之处，推出了原子力显微镜(AFM)。AFM是通过探针与

被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此，

AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆

盖,其应用领域将更为广阔。

2.原子力显微镜结构及工作原理

在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、

反馈系统，如图1所示。

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图1

（1）力检测部分

在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用

微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～

500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐

针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。

图2

（2）位置检测部分

在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，

所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改

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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。聚焦到微悬臂上面的激

光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得

到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。

（3）反馈系统

在原子力显微镜系统中，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制作的扫

描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。

原子力显微镜便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原

子力显微镜系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力

会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射

光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信

号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方

式给呈现出来。

3.原子力显微镜的工作模式

根据探针与样品之间距离的不同，原子力显微镜有可分为三种工作方式。即：

接触式，非接触式和轻敲式。

本实验采用接触模式：样品扫描时，针尖始终同样品“接触”，即针尖-样品

距离在小于零点几个纳米的斥力区域。此模式通常产生稳定、高分辨图像。当沿

着样品扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之

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间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面，再

反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定

的比例关系的激光强度差值。反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断

调整针尖一样品距离，并且保持针尖一样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。

这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以让针尖一样品距

离保持恒定，这时针尖一样品作用力大小直接反映了表面的高低，这种方法称恒

高模式。本实验采用恒力模式。

4.原子力显微镜的操作步骤

（1）依次开启：电脑-控制机箱-高压电源-激光器。

（2）用粗调旋钮将样品逼近微探针至两者间距<1mm。

（3）再用细调旋钮使样品逼近微探针：顺时针旋细调旋钮，直至光斑突然向

PSD移动。

（4）缓慢地逆时针调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数：Z反馈信号约稳定

在－150至－250之间（不单调增减即可），就可以开始扫描样品。

（5）读数基本稳定后，打开扫描软件，开始扫描。

（6）扫描完毕后，逆时针转动细调旋钮退样品，细调要退到底。再逆时针转

动粗调旋钮退样品，直至下方平台伸出1厘米左右。

（7）实验完毕，依次关闭：激光器-高压电源-控制机箱

（8）处理图像，得到粗糙度

5.实验数据

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1）导电ITO样品的表面形貌

粗糙度Ra:6.0nm;Ry:122