干货分享丨原子力显微镜AFM：揭秘纳米级别探测的奥秘！

微谱科技集团

2024.1.05

作者 1有限公司

TA的动态

AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是在扫描隧道显微镜之后发明的一种高分辨的新型显微仪器，具有原子级别的识别能力，可以在多种环境下（空气或者具有溶液的环境下）对各种材料和样品进行纳米级别的观察与探测，包括对表面形貌进行探测以及测量表面纳米级的粗糙度。

目前，AFM（原子力显微镜）已广泛应用于各个领域，包括半导体、纳米功能材料、生物、化工、医药等研究领域中，成为科学研究中不可或缺的工具之一。

原子力显微镜的基本原理

将一个对微弱力具有极其敏感性的微小悬臂的一端固定，另一端上含有一个微小的针尖，进行测试时针尖通过与待测样品的表面进行轻轻的碰触，由于针尖尖端的原子与待测样品表面的原子之间存在极其微弱的相互作用力，在扫描时通过维持这种相互作用力的恒定，带有针尖的微悬臂与待测样品表面在垂直于样品的表面方向上进行起伏运动。

最后通过光学检测或者隧道电流检测的方法，可观测到扫描各点位置的变化，从而可以准确获得样品的表面形貌等信息。

原子力显微镜的应用场景

表面形貌和表面粗糙度

通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM（原子力显微镜）基本的功能。也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。下图表征的是样品的二维几何形貌图和三维高度形貌图。AFM（原子力显微镜）的高度像可用于样品表面微区高分辨的粗糙度测量，应用合适的数据分析软件能得到测定区域内粗糙度各表征参数的统计结果。

表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq是常用的表征粗糙度的参数，其含义分别是：Ra是指在所考察区域内相对中央平面测的高度偏差绝对值的算术平均值，Rq是指在取样长度内，轮廓偏离平均线的均方根值，它是对应于Ra的均方根参数。计算机根据高度数据能自动计算出轮廓算术平均偏差Ra和均方根粗糙度Rq。

样品的2D主形貌和3D主形貌和样品的粗糙度值Ra和Rq

台阶高度和纳米片厚度的测量

在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和台阶，以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM下只有将样品沿截面切开才能测量，AFM（原子力显微镜）可以对其进行无损的测量，同时，AFM（原子力显微镜）在垂直方向的分辨率约为0.01nm，因此可以很好的用于表征纳米片厚度。

台阶高度（左）和纳米片厚度（右）测量

相图

相位图是表面力学信息的综合反映，表面的弹性、粘性、电磁学性质、摩擦力等各种性质都会引起相位图的变化。单独分析相位模式得到的图像是没有意义的，必须和形貌图相结合，比较分析两个图像才能得到需要的信息。

简单来说，如果两种材料从AFM（原子力显微镜）形貌上来说，对比度比较小，但又非常想说明这是在什么膜上长的另外一种，这个时候可以利用二维形貌图+相图来说明（前提是两种材料的物理特性较为不同，相图有明显对比信号才行）。

样品的主形貌和相图

力曲线

在基底斜坡(Ramp)上，设置参数得到力曲线，曲线横坐标是探针和样本之间的相对距离变化，纵坐标是探针与样品之间的作用力，蓝线是探针压入样品曲线，红线是离开样品的曲线。纵坐标线显示的就是两个原子之间（探针与样品之间）的作用力随着距离变化的一个情况，它有两个分量，一个是正值的分量，一个是负值的分量，正值代表斥力，负值代表吸引力。

通过力曲线分析可以获得：

峰值力（探针样品最大作用力）

吸附力（探针样品最小作用力）

杨氏模量

探针样品形变量

能量耗散

弹性模量：在曲线上当探针接触样品产生斥力时，探针下降的距离与力的关系成线性，利用这个规律可以模拟计算出样品表面的弹性模量；

黏附力：在探针离开样品过程中，发生黏附力的牵扯，利用曲线最低点可以得到样品表面黏附力的大小；

粘附功：曲线重叠区域的积分，即为粘附力做的功。