原子力式顯微鏡 Atomic Force Microscopy (AFM)

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1 原子力式顯微鏡 Atomic Force Microscopy (AFM)
1982年發明STM 利用探針與樣品間的交互作用進行量測 缺點:必須是要導電的sampo才能量測 1986年發明AFM(表面形貌、摩擦力) 不限定要在導電的材料才能量測 可以量測的範圍廣 EX.生物細胞 , 塑膠等不導電材料 林士雄

2 設備 呈像原理 量測方式分類 NT-MDT公司 凱柏公司代理的AFM (P47H)

3 設 備 A : 回饋裝置(作分析 傳遞信號) B : 測量頭 避震裝置 C : 控制電腦
設 備 A : 回饋裝置(作分析 傳遞信號) B : 測量頭 避震裝置 C : 控制電腦 量測頭AFM{可在大氣下量測 真空 液體量測 氣體量測} 可換成 STM量測頭,剪力量測頭量測影像輪廓 量測模組:裡面有步進馬達可以移動樣品、上面稱為壓電掃描器裡面有樣品固定器、插銷式的加熱平台、還有電性量測要用的通電插銷 利用專利的粗棉線 作為震動的吸收器 且上下可調整 (A) (B) (C)

4 呈 像 原 理 atom Expulsive force atom Attractive force
兩個原子很接近時受到原子核的質子都是正電的影響會相斥 分開一小段距離時會有電子與質子相吸 Attractive force atom

5 Position sensing part Feedback system Force sensing part
探針是附著在懸臂樑的前端 利用探針與樣品表面接觸時 探針便會有垂直高低起伏 那固定探針與樣品間的原子力 (固定高度) 便可掃描出高低起伏圖(表面形貌)

6 Laser=a+b+c+d VER=(a+b)-(c+d) LAT=(a+c)-(b+d)
雷射光由發光二極體發射到玻璃反射到探針懸臂的背面，再反射到四象限光電二極體 ，在回饋裝置控制XY軸驅動器時探針會有上下震盪的情形，經過放大器放大後把得到的垂直訊號相減(A+B)-(C+D)便可得到我們要的高度差 此時就可以利用Z軸驅動器選擇需要的高度 而摩擦力的量測就是利用水平訊號差(A+C)-(B+D) 所以 AFM可以同時量測高度差與摩擦力

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8 Mover Mover Z Z X Y X Y 水平信號的變化 垂直信號的變化 即樣本的材質變化 即樣本的表面變化
Cantilever 擺動的方向 水平信號的變化 即樣本的材質變化 X Y Z Mover 垂直信號的變化 即樣本的表面變化 Cantilever 擺動的方向

9 接觸式〈contact mode〉 利用探針與樣品間的排斥力 可以得到比較好的影像 但是有可能會損壞樣品

10 非接觸式〈non contact mode〉
避免損壞樣品 利用凡得瓦爾力 利用探針跟陶瓷震盪片接觸 給他一個振幅 當探針與樣品接觸時 凡得瓦爾力會使振幅會變小 因為空氣中有水氣 所以量測的範圍 儘量不要超過50nm(10-9m)

11 半接觸式〈tapping mode〉 由非接觸氏改良而成 將探針與樣品距離拉進到接觸 並加大其振幅 與接觸式比較 不易傷害樣品
由非接觸氏改良而成 將探針與樣品距離拉進到接觸 並加大其振幅 與接觸式比較 不易傷害樣品 遇到較硬的 會傷害探針 較軟的 傷害樣品 但是不容易受摩擦力的影響

12 數 據 種 類 區 分 等力模式(constant force mode) 等高模式(constant high mode)
數 據 種 類 區 分 等力模式(constant force mode) 等高模式(constant high mode) 誤差訊號模式(error signal mode) 等力 : 利用凡得瓦爾力 時間長 等高 : 回饋電路不作用 速度快 誤差訊號 : 取得的影像也是偏移量 或是振幅 但是影像是高度ㄉ一次微分

13 結 論 原子力顯微鏡具有原子等級的解析度，可以用來檢測薄膜粗造度、觀察表面結構，甚至可以製作奈米等級的結構。目前本實驗室除了自己的計畫之外，也有對本校的師生提供樣品量測的服務。

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15 探針安裝

16 探針安裝

17 探針與雷射調整 (一)打開雷射 (二)打開photodiode signal indicator (一) (二)
垂直訊號 (a+b)(c+d) 水平訊號 (a+c)(b+d) a b 雷射總量 (a+b+c+d) c d

18 探針與雷射調整