3D动画带您了解扫描探针显微镜系列之（二）｜测试原理（上）

岛津中国

2021.6.03

作者岛津

TA的动态

上一期，小编通过3D动画的方式向大家介绍了扫描探针显微镜（SPM）核心部件之一的头部机构，希望各位有所收获。（详情请戳下方图片）

图1. SPM的头部机构示意图

这一期，小编将为大家深入介绍SPM / AFM（原子力显微镜）中相对难懂的测试原理部分，不用担心，我们有相应的动画，帮助您真正理解测试过程中输入或调节的每个数字背后的物理意义。

SPM/AFM具有丰富的测试模块，不同模块所涉及的原理稍有差异，如接触模式、动态模式、表面电势模式等，小编今天先向大家介绍接触模式的测试原理。

动画1.接触模式测试过程的慢速动画

SPM/AFM接触模式的测试过程示意图如动画1所示，在整个扫描测试过程中，探针不动样品动，测试样品固定在压电陶瓷管上，压电陶瓷管在不同电压下会发生弯曲或伸缩（动画2），从而带动样品运动。

动画2. 压电陶瓷管的弯曲和伸缩

测试过程中探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，因而针尖与样品之间的作用力为排斥力，且排斥力的大小符合分子力变化曲线。

动画3. 探针针尖与样品间的作用力曲线

当探针针尖与样品间的力发生变化时，探针微悬臂的弯曲量会发生变化，进而导致激光在检测器上的位置发生变化（动画3），而激光在检测器上的位置与测试样品表面的起伏密切相关（如图2）。

图2. 激光位置与样品表面起伏的逻辑关系图

整个测试过程可以分为样品靠近探针阶段（进针过程）和测试阶段。

进针阶段

在进针前需要给仪器设定一个目标值——工作点（Operation Point，OP），其决定了进针停止的位置及测试时探针施加给样品力的大小。如前所述及动画1所示，步进电机推动压电陶瓷管和样品逐渐靠近探针，探针因受到样品的作用力使得微悬臂发生弯曲，从而使激光在检测器上的位置发生相应的偏移。当激光偏移到检测器的OP位置时，进针过程完成（图3）。

从动画1我们可以看到，探针与样品之间的斥力越大，微悬臂的弯曲量就越大，激光在检测器上偏离的位置就越大，即OP值越大。因此，为增加测试过程中探针与样品间的力，就需将OP值设大。这就是接触模式中常说的“OP值越大，力越大”。

图3. 激光偏移到达目标位置示意图

测试阶段

在此先介绍一下AFM的反馈系统，其可以实时监测仪器中某一信号，根据信号的变化向控制器发出相应的动作指令。

例如，在进针阶段，反馈系统接收设定的OP值并实时检测激光在检测器上的位置，在激光未到达设定的OP值时，反馈系统持续向控制器发出进针的指令，而当激光达到检测器OP位置时，反馈系统向控制器发出停止进针的指令，并记录此时压电陶瓷管的伸缩量，将此时探针接触样品表面的位置设为0水平面。在随后的测试过程中，反馈系统继续实时监测激光在检测器上的位置并确保其始终位于OP处。

当探针针尖扫描下一个位置时，如果该位置的高度与0水平面的高度相同，那么激光在检测器上的位置不变，压电陶瓷管的伸缩量也维持不变；如果扫描位置的高度大于（小于）0水平面时，即扫描到样品表面凸起（凹陷）位置时，探针与样品表面的距离变小（变大），微悬臂因受到的排斥力变大（变小）而弯曲量变大（变小），导致激光在检测器上的位置偏离设定的OP位置，反馈系统则根据检测到的激光偏移量，向控制器发出指令，给压电陶瓷管施加一定的偏压使其回缩（伸长），直至激光重新回到检测器的OP位置，同时记录下这一过程中压电陶瓷管的伸缩改变量，该变化量就是当前测试点相对于0水平面的高度差值。