SPM的成像模式

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Hao Sun Posted: Wed, Mar 30 2011 12:29 PM

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SPM是一类仪器的统称，最主要的SPM是STM和以AFM为代表的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope，SFM）。SPM的两个关键部件是探针（Probe）和扫描管（Scanner），当探针和样品接近到一定程度时，如果有一个足够灵敏且随探针-样品距离单调变化的物理量P=P(z)，那么该物理量可以用于反馈系统（Feedback System，FS），通过扫描管的移动来控制探针-样品间的距离，从而描绘材料的表面性质。

以形貌成像为例，为了得到表面的形貌信息，扫描管控制探针针尖在距离样品表面足够近的范围内移动，探测两者之间的相互作用。在作用范围内，探针产生信号，以此来表示探针-样品距离不同时两者相互作用的大小，这个信号称为探测信号（Detector Signal）。为了使探测信号与实际作用相联系，需要预先设定参考阈值（Setpoint），当扫描管移动使得探针进入成像区域中时，系统检测探测信号并与阈值比较，当两者相等时，开始扫描过程。

扫描管控制探针在样品表面上方精确地按照预设的轨迹运动，当探针遇到表面形貌变化时，由于探针和样品间的相互作用发生了变化，导致探测信号改变，因此与阈值产生一个差值，叫做误差信号（Error Signal）。SPM使用Z向反馈来保证探针能够精确跟踪表面形貌的起伏。Z向反馈回路连续不断地将探测信号和阈值相比较，如果两者不等，则在扫描管上施加一定的电压来增大或减小探针与样品之间的距离，使误差信号归零。同时，软件系统利用所施加的电压信号来生成SPM图像。

具体到轻敲模式AFM，我们可以把整个扫描过程表述如下：系统以悬臂振幅作为反馈信号，扫描开始时，悬臂的振幅等于阈值，当探针扫描到样品形貌变化时，振幅发生改变，探测信号偏离阈值而产生了误差信号。系统通过PID控制器消除误差信号，引起扫描管的运动，从而记录下样品形貌。

用于反馈的物理量P不同，SPM的成像模式就不同，表1-1给出了SPM的几种基本成像模式。

表1-1  不同的物理量用于SPM的反馈系统时对应的成像模式

由于很多扫描探针显微术都是从AFM衍生出来的，我们这里只简单介绍一下AFM的几种基本成像模式。

轻敲模式AFM：通过使用处于振动状态的探针针尖对样品表面进行敲击来生成形貌图像。扫描过程中，探针悬臂的振幅随样品表面形貌的起伏而变化，从而反映出形貌的起伏。其优点是消除了会对样品造成损伤并降低图像分辨率的横向力影响，并且可以不受在常见成像环境下样品表面附着的水膜的影响。缺点是扫描速度比接触模式稍微慢一些。

接触模式AFM：探针针尖始终与样品保持接触。针尖位于弹性系数很低的悬臂末端。当扫描管引导针尖在样品上方扫过（或样品在针尖下方移动）时， 接触作用力使悬臂发生弯曲，从而反映出形貌的起伏。其优点是可以达到很高的分辨率，缺点是有可能对样品表面造成损坏，横向的剪切力和表面的毛细力都会影响成像。

非接触模式AFM：成像时，探针悬臂在样品表面附近处于振动状态。针尖与样品的间距通常在几个纳米以内，在这一区域中针尖和样品原子间的相互作用力表现为范德华吸引力。其优点是对样品表面没有损伤，缺点是分辨率低，扫描速度慢，为了避免被样品表面的水膜黏住，往往只用于扫描疏水表面。

扭转共振模式AFM：悬臂以长轴为中心做扭转振动，并引发针尖处于抖动状态。当针尖在样品表面遇到横向作用力时，系统可以检测到悬臂扭转振动的变化，来探测样品表面形貌的起伏。其优点是振幅小因此对样品的损伤小，分辨率高，缺点是会受到表面毛细力的影响。

PeakForce Tapping AFM：这是Bruker最近发布的一种新的基本成像模式，采用2 kHz的频率在整个表面做力曲线，利用峰值力做反馈，通过扫描管的移动来保持探针和样品之间的峰值力恒定，从而反映出表面形貌。其优点是直接用峰值力做为反馈可以保持探针和样品间只有非常小的相互作用，这样就能够对很黏很软的样品成像，如双面胶、液晶分子，也可以克服空气阻尼的作用对很深很窄的沟槽进行成像，同时可以直接定量得到表面的力学信息。

从以上几种基本的成像模式中，又衍生出许多细分的成像模式，可以检测更多物理量。现把常见的细分成像模式总结在表1-2中。

表1-2  几种常见的SPM细分成像模式