【導(dǎo)讀】鏡家族，主要在納米尺度范圍內(nèi)，探測探針和樣品之間的相互作用。SPM是一個統(tǒng)稱，根據(jù)成像原理分類，典型的包括掃描隧道顯微鏡(Scanning. 表SPM與其它顯微鏡技術(shù)的各項指標(biāo)進(jìn)行了比較。一套安捷倫SPM系統(tǒng)可以在AFM和STM兩種配置下正常運行。SPM系統(tǒng)主要由三部分組成：1)顯微鏡部分，2)電子控制部分，3)計算機部分。1對于PicoLE和PicoSPM系統(tǒng)的連接示意圖需要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在相應(yīng)手冊可以找到。SPM系統(tǒng)中各個部件的基本功能，描述如下：。用雙屏顯示，一個為控制系統(tǒng)界面，另一個為顯示掃描圖像?；騇AC模式提供驅(qū)動信號。STM），電子盒主要用于處理和交換顯微鏡和控制器之間的信號。安捷倫SPM系統(tǒng)具有很強的兼容性。當(dāng)探針與樣品表面處于足夠接近的距離。激光強度差值同懸臂的形變量形成一定的比例關(guān)系。通過測量檢測器電壓對應(yīng)樣。當(dāng)AFM的懸臂與樣品表面原子相互作用時，通常有幾種力作用于懸臂，其中最主

　　

【正文】 象 沒有出現(xiàn) 。 圖 標(biāo)準(zhǔn)光柵形貌像顯示出 tilted圖像處理的作用。 ? 對于 平面擬合，平 面擬合系數(shù)可以自動生成。 對圖像手動調(diào)節(jié)， 主要可以通過軟件或者通過選擇 ‘included’ 和 ‘excluded’ 區(qū)域。更多的細(xì)節(jié)請參閱 PicoScan manual。 對于 tilted 數(shù)據(jù) 處理， 限制是 在掃描過程中 如何 計算 出 正確的系數(shù)存在困難。因此，當(dāng)圖像已 經(jīng)完全獲得 情況下 ，該修正通常非常好。 ? 在圖像處理上， 數(shù)據(jù)修正 （ Data Rendering） 窗口具有 ‘Signal Levels’鍵， 該鍵可以調(diào)整所顯示數(shù)據(jù)的 Z向范圍以及 優(yōu)化信號水平的分布。通過 ‘Color’菜單，顏色等安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 36 級可以編輯。這些特點對提高所顯示圖像的質(zhì)量是非常有用的。 ? 在 ‘Filter toolbox’菜單中，其它 tools和 filters可以提供 FFT, 算術(shù)運算（ arithmetic operations）包括緩沖層運算和矩陣運算 。 更詳細(xì)的細(xì)節(jié)請參閱 PicoScan manual。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 37 力譜 （ Spectroscopy in AFM） ? 通過測量力曲線， AFM可以用于研究材料表面單個 （ X， Y） 點的 性能 。 ? 在接觸模式下，力與距離曲線（ forcedistance (fd) curve）是一個非常有用的工具。它反映了一組垂直的力與掃描頭 Z向位置的函數(shù)關(guān)系，該力是 AFM探針施加到材料的表面，正比于懸臂的偏差（ deflection） ? 下圖給出了在一個力 距離測量過程 中，原子力懸臂在空氣（圖 )和水中 (圖 )移動的過程。 圖 在空氣中 ， 一個力 距離測量測量中 懸 臂不同位置的 力 距離 示意 圖 。 ? 藍(lán)線和紅線分別代表 著一個完整 的 力 距離測量過程 中進(jìn)針和退針過程。 1. 在曲線的右側(cè)， 掃描頭處于 用戶定義的范圍內(nèi)之外。由于探針沒有接觸材料表面 (position 1)，懸臂沒有偏離。 2. 當(dāng)掃描頭開始伸長，懸臂 依然 保持沒有 發(fā)生 偏離 (position 1和 position 2之間 )，直至探針非常接近材料表面，開始感受到吸引力（ attractive force） 。此時，探針會突然接近材料表面 (position 2)，同時懸臂梁會 向材料的表面 發(fā)生彎曲。 3. 隨著掃描頭進(jìn)一 步伸長 ， 由于斥力作用 (position 2和 position 3之間 )，懸臂 依然遠(yuǎn)離表面，但 幾乎 發(fā)生 線形彎曲。隨著掃描頭完全伸長 ， 達(dá)到用戶定義最大深長范圍 (position 3)。 掃描頭開始收縮，向回退針， 開始 遠(yuǎn)離表面。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 38 4. 假如沒有掃描頭 滯 后 效應(yīng) ，懸臂偏轉(zhuǎn)應(yīng)該按相同的去向返回 (position 3和position 4之間 )。 5. 在空氣中，在材 料的表面通常存在一層非常薄的水層，產(chǎn)生一個很強的毛細(xì)管吸引力 ，如圖 。 隨著掃描頭從表面遠(yuǎn)離， 毛細(xì)管力 （ capillary force）會保持針尖與表 面接觸。因此，此時，懸臂會強烈的向表面發(fā)生彎曲 (position 4和 position 5之間 )。 圖 在接觸模式中，在樣品表面存在一層水膜，導(dǎo)致毛細(xì)管力的出現(xiàn)。 樣品和針尖之間的靜電力 大大增加。 6. 在探針突然跳離表面之前 (position 5)，掃描頭必須收縮超出 position 2。隨著掃描頭的繼續(xù)收縮，懸臂恢復(fù)到原始沒有彎曲狀態(tài) (position 6)。 ? 在液相中，毛細(xì)管力呈現(xiàn) 均勻 分布 （ isotropic）， 典型的 力 距離曲線形狀變成如圖 ，探針與樣品之間的 總力大大減小 。 圖 在液相中， 力與距離示意圖顯示沒有出現(xiàn)強的吸附力 。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 39 ? 開環(huán)掃描頭 滯 后 效應(yīng) 使 力與距離曲線 發(fā)生改變 ，即掃描頭的逼近和遠(yuǎn)離部分不能重合，如圖 。 圖 力與距離曲線顯示出正常運行范圍（ ‘Normal operating range’） 。 ? 力與距離曲線可以用于： 1) 檢查針尖是否 真正逼近材料表面 ； 2)如果針尖已經(jīng)逼近樣品表面，有助于選擇一個合適的 setpoint值 ； 3)測量針尖和樣品之間的作用力 ? 圖 力與距離曲線暗示針尖沒有偏轉(zhuǎn) （ deflect） ，即使 Z向的壓電陶瓷 一直 伸長 到用戶定義的 最大范圍。 如果針尖還沒有到達(dá)表面，即使系統(tǒng)認(rèn)為 setpoint已經(jīng)到達(dá)， 力與距離曲線 可能看起來會像圖 ，這是一個錯誤產(chǎn)生的事例。 在這種情況下，力與距離曲線的平直線（非接觸部分）位于 y軸 0以上（該點也是setpoint)。通常在這種情況下， Zpiezo voltage橫桿會位于 200V ，在軟件的顯微鏡 microscope和 oscilloscope窗口是正的。 圖 力與距離曲線顯示懸臂沒有偏轉(zhuǎn) 。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 40 圖 力與距離曲線給出了一個假逼近（ false engage）的事例 。 ? 在 AC模式的 AFM曲線中，振幅與距離 amplitudedistance (ad)的曲線替代 力與距離fd曲線 。圖 ad曲線。 在 setpoint (zero)線上面的振幅差不多是一個常數(shù)，并且可以被看作是一條平直的線。一旦針尖與表面發(fā)生相互作用，振幅就會下降，形成一個明顯的突出部分（ shoulder），如 圖 。 圖 振幅與距離曲線給出了正常運行范圍（ ‘Normal operating range’）。 ? 圖 與表面 發(fā)生相互作用的例子 ，即使壓電陶瓷伸長至用戶定義的最大范圍。在圖 中， ad曲線僅僅有一個傾斜的直線，暗示振幅降低的shoulder沒有出現(xiàn)。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 41 圖 ad曲線給出的是 在整個完整的掃描過程中，振幅沒有下降的例子。 ? Ad 曲線也可以用于檢查 false engage，同時可以獲得一個不錯的運行 setpoint。 圖 false engage 的例子。在這個例子中， ad 曲線的傾斜線部分和 shoulder位于 Y軸（此處也是 setpoint )0點之下。通常在這種情況下， Zpiezo voltage橫桿會位于 200V ，在軟件的顯微鏡 microscope和 oscilloscope窗口是正的 。 圖 Ad 曲線給出了一個 假逼近（ false engage）的事例。 ? 對于 fd 和 ad曲線，沿 Y軸方向可以上下移動調(diào)整 Setpoint。 Setpoint應(yīng)該如下調(diào)整： （ a） 對于 fd曲線，懸臂開始偏轉(zhuǎn)的點應(yīng)該在 Y軸上 0以下（該點也就是 Setpoint點），位于 ‘Normal operating range’ (見圖 )。 該點越低于 setpoint線，懸臂發(fā)生彎曲程度越大，因此接觸表面越厲害 。（ b) 對于 ad 曲線， Shoulder 應(yīng)該在 Y軸 0以上（該點也就是 Setpoint點）， 在 shoulder和 setpoint線之間 的振幅應(yīng)該盡量降低，如圖 ‘Normal operating range’。 shoulder 越高于 Setpoint 線，振幅安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 42 降低越多，因此懸臂接觸表面越劇烈。 ? 當(dāng)運行 fd或者 ad 曲線時，限制表面和懸臂的相互作用始終是一個不錯的主意。在 PicoScan軟件中的 SPS窗口中，可以通過 ‘Limit’ 選項實現(xiàn) (例如對 fd曲線 2 V，對 ad曲線 –2 V) 。在掃描（ sweep）過程中，采用這種方式，針尖和樣品受到破壞的程度最小。 如圖 fd和 ad 曲線。 圖 ‘limit’選項運行時 fd（上 ）和 ad（下 ）曲線掃描的事例。 安捷倫科技有限公司 納米 測量 部 北京： 01064397361 上海： 02123057420 安捷倫科技有限公司 SPM系統(tǒng)培訓(xùn)文件 43 （ book and reference） 1 彭昌盛等 編著 ，掃描探針顯微術(shù)技術(shù)理論與應(yīng)用 ， 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020。 2 朱傳鳳 等 著 ，掃描探針顯微術(shù)應(yīng)用進(jìn)展 ， 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020。 3 白春禮等 著 ，掃描力顯微術(shù) ， 北京： 科學(xué)出版社 ， 2020。 4 白春禮，掃描 隧道顯 微術(shù)及其應(yīng)用，上?？萍汲霭嫔?， 1992。 5 [美 ]陳成鈞著，掃描隧道顯微術(shù)引論，華中一等譯，北京：中國輕工出版社， 2020。 6 萬立駿著，電化學(xué)掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用，北京： 科學(xué)出版社 ， 2020。