如何看探针尺寸和形状对原子力显微镜测量结果的影响？

2019.12.16

maxiaotu

致力于为分析测试行业奉献终身

问题是，如何看待探针尺寸与形状对测量结果的影响？先说结论，探针确实会影响测量结果。

上图模拟的是，曲率半径为10nm和100nm的探针，对于粗糙样品形貌的扫描情况。很明显，下图曲率半径较大的探针在样品表面扫描的轨迹，与样品形貌相差较多。

从G.Binning和H.Rohrer两位老先生在1985年发明原子力显微镜开始，经过多年的发展至今，科学家们已经将原子力显微镜发展为了一个平台，而并非简单的显微镜。下图列举一些我知道的原子力显微镜的探针的形状，原子力显微镜的功能至多，探针形状之复杂，是很难将全部形状都探讨到的。

我在此列举一个BRUKER公司，商品号为MPP的的探针

可以看出，探针的尖端（Tip）并非严格意义上的“针尖”，针尖的曲率半径（Tip Radius）为8nm，这在一定程度上决定了普通原子力显微镜在XY方向的分辨率约为1nm（来自于BRUKER公司的宣传海报），需要注意的是，原子力显微镜在Z方向的分辨率一般要高于XY方向，约为0.1nm。

另一方面，探针针尖在不同方向上的倾斜角度不同，这会造成扫描角度（探针针尖运动方向与样品X方向水平夹角）不同时候，扫描的结果可能略有不同。

上图是几个比较常见的，由于探针自身问题导致扫描图像出现假像。左上，由于探针曲率半径增加，扫描图像展宽，这种情况一般需要考虑换个较为细的探针，或者同型号新探针。右上，由于探针尺寸较大，无法跟踪较为狭小的缝隙，另外还需要考虑缝隙内空气压力的问题，因此用contact模式可能有较好结果。左下，同理。右下，就是探针扫描角度的问题了，这个角度和刚才谈到的角度略有不同，指的是探针针尖与Z轴之间的夹角，一般为14到18度，也可能有其他的度数，不过较为少见，一般是由于夹针尖的台子（hold）在探针下针过程中，压电陶瓷向下压迫探针运动导致，在BRUKER公司ICON机器中，可以填写这个下压倾角的数值，也许起到一定的校正作用。