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各式扫描探针显微镜


掃描式探針顯微術(SPM)

組員:鄭燕宗 陳凱正 王韋蘋

目錄
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掃描探針顯微術(SPM)簡介 掃描穿遂顯微術(STM) 原子力顯微術 (AFM) 橫向力顯微術(LFM) 磁力顯微術(MFM) 總結 參考資料

掃描探針顯微術(SPM)簡介
掃描探針顯微技術(SPM)具有原子級表面形狀解 析度,並可檢測多種奈米級表面特性,如力學特 性、磁性、電性、熱性、光特性等,許多研究學 者已將掃描探針顯微技術廣為應用在奈米尺度至 微米尺度的表面量測。掃描探針顯微技術(SPM) 主要優點包括儀器體積小、樣品無須特殊處理, 可在任何環境下進行處理等優點;其主要缺點則 是掃描速度慢、資料重現率差及缺乏成份分析功 能等。

掃描穿遂顯微術(STM)

STM之簡介
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STM全名為Scanning Tunneling Microscopy,是 在金屬探針及導電樣品間加上小電壓,並將兩者 距離維持在數埃至數十埃間,使探針尖端原子團 與樣品表面的量子穿隧電流保持定值,而測得表 面結構形狀,具有原子解析度。 在SPM技術中具有最佳解析度,但由於無法在非 導體上操作,故目前主要應用於基礎性學術研究。

STM之工作原理
掃描穿隧顯微儀之主要原理是利用金屬針尖在樣品 之表面上進行掃描,根據量子穿隧效應產生穿隧電 流,由於產生之穿隧電流主要發生於針尖上最突出 的一顆原子上,因此STM具有原子級的橫向解析力, 利用穿隧電流作為測量訊號,即可獲得樣品表面之 圖像,因此探針與樣品必須能導電,同時樣品表面 必須平整,如此STM的應用範圍因而受到限制。

STM之基礎架構

穿遂效應
電子穿隧現象乃量子物理的重要內函之一,在古典力學中, 一個處於位能較低的粒子,根本不可能躍過能量障礙到達另 一邊,如下圖所示。除非粒子的動能超過Vo,才有可能。但 以量子物理的觀點來看,卻有此可能性。所謂的「穿隧效 應」,就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙。穿隧的 機率和距離有關,距離愈近,穿隧的機率愈大。當兩個電極, 相距在幾個原子大小的範圍時,電子能從一極穿隧到另一極, 穿隧的機率和兩極的間距成指數反比的關係。

E k ? V0
d

V0

STM之工作模式
定電流模式
掃描方向

定高模式
掃描方向

I 探針

I 探針

樣品 Z

樣品 I

一、定電流取像法:以設定的穿 隧電流(約1 nA)為回饋訊號。由於 探針與樣品表面的間距,和穿隧 電流有十分靈敏的關係,設定穿 隧電流值,即鎖定探針和樣品表 面之間距。當探針在樣品表面掃 描時,探針必須隨表面之起伏調 整其高度(即z值);因此,以探針 的高度變化來呈像,就反映出樣 品表面的形貌。 二、定高度取像法:直接以穿隧 電流值來呈像。當探針以固定的 高度掃描樣品表面時,由於表面 的高低變化,導致探針和樣品表 面的間距變化,穿隧電流值也隨 之改變。

X

X

STM之掃描模式優缺點比較
模式 原理 優缺點
描速度較慢,易受低頻雜訊干擾。

定電流 探針保持固定的電流值,而 優點:可掃描較大的高低變化。 隨著樣品表面之起伏調整其 模式 高度;因此,以探針的高度 缺點:以回饋信號作為調制,掃
變化來作為樣品表面的呈像 方式。

定高度 探針以固定的設定高度,直 優點:可快速掃描以補捉一些表 接以穿隧電流值的變化來作 面動態。 模式 為表面形態的呈像。

缺點:若掃描範圍內的樣品表面 起伏太大,則極容易損壞探針。

電流密 結合上述兩種方法,並且引 缺點:回饋系統必須不斷地開關, 度模式 進偏壓調變作為取像之變數。 較費時(一般約需幾分鐘),記
憶體容量的需求大。

STM之應用
利用STM進行原子表面修飾和單原子操縱,具有十分廣泛的 應用前景。它已經在製作單分子、單原子和單電子器件,大 幅度提高資訊儲存量,生命科學中的物種再造,以及材料科 學中的新原子結構材料的創製等領域,都有很深刻的應用背 景。單原子操縱主要包括三個部分,即單原子的移動、提取 和放置,這些技術也是今後應用單原子操縱,在表面上進行 原子尺度的結構甚至器件加工所必須的。 原子操縱術最主要的應用是,奈米級或原子級結構的製造, 在這方面一個直接的用途是,記憶體的製造與讀取,前述 IBM科學家展示搬移氙原子的能力,就可視為原子級記憶體 的製造與讀取,每個有原子的位置相當於零。這樣的記憶體 密度是前所未有的,遠遠超過現今半導體及磁碟的記憶密度; 而且STM可輕易取得這些原子影像,相當於原子級位元資料 的讀取,此讀取密度也是其他技術所無法比擬的。

原子操縱術
1990年IBM研究人員首度在金 屬鎳表面用35個惰性氣體氙原 子組成“IBM”三個英文字母 。 後來,又搬移近百顆鐵原子形 成中文「原子」二字。此結果 成為雜誌及國際研討會的封面 圖案。

原子力顯微鏡 (AFM)

AFM之簡介
AFM全名為Atomic Force Microscopy原子 力顯微鏡,其主要以量測原子間凡得瓦力 為主,來得到表面原子排列的圖像,又可 適用於各種的樣品,不分導體或非導體, 因此消除STM對試片必須要為導體及表面必 須平整的要求限制。

AFM之工作原理
四象限 光檢測器
雷射 二極體

懸臂樑

試片

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利用探針與表面原子之作用力,造成懸臂 樑偏移,進而得到原子影像 。

AFM之基礎架構
迴授迴圈維持懸臂樑的偏移量為常數 雷射光 控制器 電路

偵測器 電路 A -B 量測 A+B 的 偏移量訊號 分隔的光電二 極管偵測器

X,Y

掃描器

Z

懸臂樑和 探針 樣本

觀測器模式

當以低功率雷射光打在懸臂末端上,利用一組感光二極體 偵測器 ,測量雷射光反射角度的變化。當探針掃描過樣品 表面時,由於反射的雷射光角度的變化,感光二極體之電 流也會隨之不同,藉由量測電流的變化,可推算出懸臂被 彎曲或歪斜的程度,經輸入電腦計算,可產生樣品表面三 維空間的影像。

AFM掃描模式比較
掃描模式 基本原理 優缺點比較 接觸式 (2-3 nm)

在圖像掃描時,針尖與樣品表面輕 輕接觸,原子間產生極微弱的排斥 力,使探針偏移,用反饋來控制力 為定值,而獲得探針對應於掃描各 點的位置變化,從而得到樣品表面 形貌的圖像。
利用原子間遠距吸引力─凡得瓦力 來進行檢測,不過此吸引力對距離 的變化率非常小,必須使用調變技 術來增加訊號對雜訊比。

接觸面積小,但過大的作用力會損 壞樣品,尤其是對軟性材質。不過, 較大的作用力,通常會得到較佳的 解析度,所以選擇較適當的作用力, 便十分重要。由於排斥力對距離非 常敏感,所以較易得到原子解析度。
由於探針和樣品間沒有接觸,樣品 沒有被損壞的顧慮,但受空氣中樣 品表面水膜的影響,其解析度一般 只有50 nm,而在超高真空中則可得 原子級解析度。

非接觸式 (低於20 nm)

輕敲式 (5 nm)

以探針振盪方式,探針在試片上跳 動,當探針振盪至波谷時,微接觸 樣品。由於樣品的表面不平,原子 間作用力使探針振幅改變,利用回 饋控制,便能取得高度影像。

解析度介於接觸式與非接觸式之間, 且破壞樣品的機率大為降低。但由 於高頻率探針敲擊,對很硬的樣品, 探針針尖可能受損,甚至留下殘餘 物在試片表面。

AFM探針與量測結果比較

接觸式掃描成像

敲拍式掃瞄成像
經敲拍式量測之後探針 尖端損耗

AFM之運用
下圖為使用AFM尖端,對病毒分子進行彎曲與旋轉動作之 實驗。圖(A)到(D)則為探針對分子進行逆時針旋轉的實驗, 黑色箭頭則為施力方向。(A)為起始狀態;(D)為旋轉動作 結束後的影像

利用AFM做力量之量測
下圖為以AFM之尖端,進行DNA切斷的力量量測實驗之影像 圖。圖(a)中的箭頭方向表示探針的移動方向(由右向左 切劃),而圖(b)則表示切劃過後,所留下的一個15 nm的 空隙 (DNA分子長度為372 nm)。

15 nm

(LFM)側向原子力顯微鏡

LFM之簡介
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LFM全名為Lateral Force Microscopy側向原 子力顯微鏡,是掃描探針顯微儀的一種,它 的作用方式主要是使探針與樣品表面接觸並 在表面上平移,利用探針移動時所承受樣品 表面摩擦力以及樣品表面高低起伏造成懸臂 的偏斜量來探知樣品的材質與表面特性。

LFM之工作原理
z y x

FN

FL ? ? FN ? F
FL : 側向力

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int er N

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FN : 施加的正向力
探針 樣本表面 旋轉軸

h
FL

int er : 探針-樣本之間的吸引力照成 FN

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: 視為動摩擦係數

樣本

不同物質

樣本

橫向力之剖面圖

橫向力之剖面圖

探針受力狀況

探針受不同 表面時所發 生情況

LFM量測結果

The sample is the monolayer Langmuir-Blodgett (LB) film deposited on silicon surface. It was obtained by scanning from left to right in each scan line (the fast scanning direction). The opposite fast scanning direction (from right to left) leads to inverse image.

(MFM)磁力顯微鏡

MFM之簡介
MFM全名Magnetic Force Microscopy磁力顯 微鏡,它是指利用磁性探針與樣品間的磁交 互作用,去取得表面磁化結構的表面檢測技 術。

MFM之工作原理
偏移偵測器 雷射光

磁力探針

第二段掃描的 磁力影像 第一段掃描的 外形輪廓影像

磁性探針 磁場 樣品

磁性樣品

主要的裝置與原子力顯微鏡相同,不同的地方在於所使用磁性探針及掃 出影像的作用力為磁力梯度變化。基本原理是利用磁性探針和磁性樣品 表面間的磁作用力來感應磁力梯度之變化,樣品表面產生的游離磁場會 作用在磁性探針上;且利用偏移感測器偵測探針偏移,因此能測出作用 力或作用力強度梯度的變化。採取兩段式掃描,利用原子力顯微鏡得到 樣品外形輪廓,然後再把探針拉高,使探針沿著原路徑的軌跡作第二次 掃描,然後記錄探針振動頻率、相位或振幅變化,以此方式同時量取表 面變化及磁力影像。

MFM測量模式
直流模式的掃描方式,類似於非接觸式原子力顯微鏡,差異點 僅在於探針與樣本之間作用力的不同。所應用的理論,是由 Zeeman能量法獲得,亦即磁力是磁矩(m)乘以磁場的空間梯度 (?H),磁力的大小可由懸桿的偏移量乘以懸桿的彈性係數而得 知。 Fz ? (m ? ?) H ? m ? H z 交流模式的掃描方式,利用輕敲式原子力顯微術的成像原理,並 利用掃頻機制,對探針震盪器輸入最佳的電壓訊號,使探針可以 達到最大振幅,以獲得較高解析度。藉由測量懸臂振幅或及頻率 的改變量,可得知樣品表面磁力梯度(Fz)大小,藉以得到樣品表 面磁場(H)分布。

MFM與一般電子顯微鏡比較

MFM/AFM圖形比較

此樣本為在Ni薄膜上放置Cu

總結
以上所介紹各式顯微鏡,近年來用以物理 工程,化學、化工及生物科技等,都有相 當大的幫助,因為它們都有一個共通的特 性就是都能測量或者移動、固定尺寸達到 奈米或者更低的尺寸,而這也是未來科技 的趨勢。

參考資料
1. J. Colchero, H. Bielefeldt, A. Ruf, M. Hipp, O. Marti, and J. Mlynek, Scanning Force and Friction Microscopy, Phys. Stat. Sol. (a), 131, 1992, 73-75. 2. S.N. Magonov, M.-H. Whangbo, Surface analysis with STM and AFM, VCH, Weinheim, 1996, 323p. 3. R.M. Overney, E. Meyer, J. Frommer, D. Brodbeck, R. Lьthi, L. Howald, H.-J. Gьntherodt, M. Fujihira, H. Takano, Y. Gotoh, Friction measurements on phase-separated thin films with a modified atomic force microscope, Nature, 359, 1992, 133-134.


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