如何識別AFM成像過程中典型的針尖效應(yīng)

吳海華 彭明發(fā) 何小蝶

（1.蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院，江蘇 蘇州215123；2.蘇州大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215123）

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy,AFM）是一種可以獲得樣品形貌極高放大倍數(shù)的測量技術(shù)[1-4]，不同于光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡，AFM的分辨率不是依賴于光束或電子束的波長決定的，AFM圖像是利用超細的探針在樣品的表面通過機械掃描獲得的，成像質(zhì)量的高低，很大程度上由于探針的形狀決定的[5-10]。本文主要討論AFM成像過程中探針的針尖效應(yīng)對成像質(zhì)量的影響。

1 討論

AFM圖像是探針與樣品表面形貌卷積的結(jié)果，圖像質(zhì)量很大程度上是由探針的幾何形狀決定的，為了理解AFM圖像形成過程及與真實圖像的差別，需要了解掃描探針的針尖效應(yīng)。掃描探針的針尖有兩個重要的物理量，分別是曲率半徑（Radius of curvature）與側(cè)壁角（Sidewell angle）如圖1所示，針尖的曲率半徑?jīng)Q定了AFM圖像的分辨率，側(cè)壁角影響陡坡圖像的精度，下面主要從五個方面討論針尖效應(yīng)對AFM成像的影響。

1）針尖的橫向展寬效應(yīng)，如圖2的上表面的寬度比實際的寬度要寬，圖3中，不同曲率半徑的探針橫向展寬效應(yīng)不同，曲率半徑大的探針，橫向展寬效應(yīng)越明顯。

2）邊緣效應(yīng)，如圖2B，D位置，真實中棱角分明的形狀變的圓潤，棱角越分明，針尖曲率半徑越大，邊緣效應(yīng)越明顯。

3）陡坡效應(yīng)，如圖2C，F(xiàn)位置處，由于探針針尖側(cè)壁角的影響，導(dǎo)致得到的陡坡AFM像與實際物相差較大，坡度越大，陡坡效應(yīng)越明顯。另外與針尖的側(cè)壁角相關(guān)，側(cè)壁角越大，陡坡效應(yīng)越顯著。

4）溝壑效應(yīng)，當(dāng)探針的曲率半徑較大時，不足以探測到溝壑的底部，如圖2H位置及圖4。探針的曲率半徑越大，AFM得到的深度與實際相差也越大。

5）雙針尖或多針尖效應(yīng)，如圖5，由于探針的針尖損壞或者污染，使AFM圖像出現(xiàn)成對或多個有規(guī)律的出現(xiàn)，可以判斷有可能是假象。

圖1 探針針尖示意圖

圖2 樣品表面截面（上）與AFM圖像中發(fā)生的針尖效應(yīng)示意圖（下）

圖3 探針曲率半徑越大，橫向展開效應(yīng)越明顯

圖4 探針的曲率半徑大于溝壑的直徑，發(fā)生明顯的溝壑效應(yīng)

圖5 由于探針污染或者損壞導(dǎo)致AFM圖像的歪曲

2 結(jié)束語

AFM形貌表征過程中，由于探針的針尖效應(yīng)，容易出現(xiàn)假象，有時假象比較細微，較難判斷。探針的針尖效應(yīng)，在實際表征中，可以理論上指導(dǎo)我們，如何選擇合適的探針，探針的曲率半徑越小，AFM圖像的橫向分辨率越高。AFM假象的出現(xiàn)，很多時候是由于探針損壞或者由于探針針尖附著上小顆粒被污染，所以，很有必要保持AFM工作室與樣品表面的潔凈從而減少探針針尖的人為污染，從而提高成像質(zhì)量。

［1］G.Binnig,H.Rohrer,Helv.Phys.Acta.[J],1982,55,726.

［2］Binnig,G.,Quate,C.F.,Gerber,C.Phys.Rev.Lett[J].1986,56,930.

［3］白春禮.掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1992.

［4］白春禮.商廣義.現(xiàn)代科學(xué)儀器[J],1994.

［5］袁秉凱,陳鵬程,仉君,程志海.原子分辨顯微分析技術(shù)研究進展[J].物理化學(xué)學(xué)報,2013.

［6］Atomic Resolution Microscopy,Acta Phys.Chim.Sin[J],2013,29(07):1370-138.

［7］艾勇,張浩力.物理化學(xué)學(xué)報[J],2012,28,2237.

［8］Gross,L.Nat.Chem[J],2011,3,273.

［9］Gross,L.,Mohn,F.,Moll,N.,Schuler,B.,Criado,A.,Guitián,E.,Pe?a,D.,Gourdon,A.,Meyer,G.Science[J],2012,337,1326.

［10］Albrecht,T.R.,Grütter,P.,Horne,D.,Rugar,D.J.Appl.Phys[J],1991,69,668.