蘇 峻,胡建橋

(1.南京林業(yè)大學 理學院，江蘇 南京 210037；2.南京本征儀器有限公司，江蘇 南京 210037)

原子力顯微鏡(Atomic force microscope， AFM)是以nm級分辨率獲得樣品表面三維形貌和物理、化學性質的檢測和分析儀器[1-2]. AFM現已成為科學研究的一種重要的測試手段，廣泛地應用于物理學、化學、材料學、微電子學、生物學、醫(yī)學等研究領域[2-3]. 國內很多高校和研究機構有AFM設備，很多高校面向高年級本科生和研究生開設了介紹AFM原理和操作的理論和實驗課程[4-5]. 由于AFM屬于精密測量設備，其探針、微懸臂等部件很微小(微懸臂長度一般在幾十到幾百μm，探針針尖的曲率半徑一般在幾nm到幾十nm)，肉眼很難看到；光路系統(tǒng)一般隱藏在儀器內部，不能觀察其結構；壓電掃描管的掃描范圍很小(一般在幾十μm以內)，掃描過程也很難觀察. 由于無法對照實物進行直觀地講解，在AFM的理論和實驗教學中，學生在AFM工作原理的理解上存在一定的困難.

本文設計了AFM工作原理演示儀，通過光學、機械結構及利用單片機控制電路從宏觀上模擬AFM的內部光路、光學放大及微懸臂共振，模擬樣品壓電掃描系統(tǒng)的掃描過程，模擬AFM接觸和輕敲工作模式，使剛接觸AFM的學生和實驗人員能夠直觀地了解AFM的工作原理，同時有助于實驗教師和培訓人員的指導和培訓工作.

1 AFM的結構和原理

原子力顯微鏡工作原理演示儀參考國產SPM(Micro Nano D-5A，上海卓倫微納米設備有限公司生產)的內部結構，主要對其光電檢測系統(tǒng)和壓電掃描系統(tǒng)的結構以及接觸和輕敲2種工作模式進行了宏觀模擬.

AFM主要由力檢測和反饋系統(tǒng)、壓電掃描系統(tǒng)、數據處理與顯示系統(tǒng)、隔震系統(tǒng)等組成[1]. 其中，常規(guī)AFM力檢測系統(tǒng)又由探針和微懸臂組成的極敏感的力傳感器和檢測微懸臂彎曲變形或振蕩變化信號的光電檢測系統(tǒng)構成. 此外，常規(guī)AFM利用壓電掃描系統(tǒng)控制樣品臺和樣品在X-Y平面上掃描，并通過Z方向上的反饋控制實現樣品表面形貌的三維成像.

1.1 光電檢測系統(tǒng)

光電檢測系統(tǒng)是AFM的重要組成部分，先利用光杠桿原理將微懸臂的彎曲形變或振動變化進行光學放大，然后利用光檢測器將其轉換為電信號. 光電檢測系統(tǒng)主要包括半導體激光器、反射鏡、微懸臂及探針、四象限光檢測器等.

光學放大原理如圖1所示，半導體激光器發(fā)出的激光經過平面鏡A反射至微懸臂上，再通過平面鏡B將微懸臂反射的激光反射至四象限檢測器，并由四象限檢測器將光點位置變化(接觸模式)或振動幅度和相位(輕敲模式)的信號轉換為電信號. 以接觸和恒高模式為例，在對樣品進行掃描時，探針的微懸臂由于樣品表面的起伏變化而彎曲變形，微懸臂表面反光層與其初始位置角度θ隨著物體表面高度變化而發(fā)生相應變化. 根據反射定律，由微懸臂反射的激光束與原位置的夾角為2θ. 再經過平面鏡B反射后，在四象限檢測器上，光點位置發(fā)生變化，其位移Δy與θ成正比，也與激光從微懸臂反射后至四象限檢測器的總光程成正比. 這樣就實現了樣品表面起伏形貌變化的光學放大.

1.激光器 2.平面鏡A 3.平面鏡B 4.四象限光檢測器 5.微懸臂 6.探針 7.壓電振蕩器 8.樣品臺及樣品 9.壓電掃描管圖1 光電檢測系統(tǒng)的原理

1.2 AFM工作模式

AFM主要有2種常用工作模式，即接觸模式和輕敲模式.

接觸模式下，針尖始終和樣品接觸，掃描過程中針尖在樣品表面滑動，通過微懸臂的彎曲變形進行測量. 對于表面較硬、較為平整且不容易移動或變形的樣品，接觸模式一般可以產生穩(wěn)定的、分辨率較高的圖像. 但是由于該模式下針尖和樣品發(fā)生直接接觸和摩擦，容易引起樣品或針尖的損傷.

輕敲模式下，微懸臂在壓電振蕩器的激勵下在其共振頻率附近做受迫振動，振動的微懸臂和探針對樣品表面進行掃描，樣品表面的起伏引起微懸臂的振幅產生相應的變化，使激光光點在光檢測器上的振幅也發(fā)生相應的變化，最后通過處理和分析得到樣品的表面形貌. 輕敲模式下，針尖對樣品進行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸，能有效克服接觸模式下因針尖的作用力，尤其是橫向力引起的樣品表面和探針的損傷.

1.3 壓電掃描系統(tǒng)

壓電陶瓷材料具有壓電效應，當在壓電陶瓷對稱的2個端面加電壓時，壓電陶瓷按特定的方向伸長或縮短. 因此可以通過改變電壓的極性來控制壓電陶瓷的微小伸縮，而伸長或縮短的大小與所加的電壓的大小成線性關系. AFM使用壓電陶瓷材料制作的掃描管精確控制樣品在X-Y平面上做規(guī)則的掃描運動，同時在Z方向上實時反饋控制探針與樣品間的距離，從而實現了樣品表面形貌的三維掃描.

2 演示儀的結構和功能

演示儀的結構如圖2所示，利用半導體激光器、2只平面鏡、金屬彈片及探針、振動電機、光屏等對AFM的力檢測和光路系統(tǒng)進行放大模擬，同時利用2個相互垂直的微型步進電機滑臺構成的移動平臺，模擬壓電掃描管的平面掃描運動.

1.有機玻璃框架 2.半導體激光器 3.平面鏡A4.平面鏡B 5.反射鏡調節(jié)旋鈕 6.彈片 7.反光膜8.探針 9.振動電機 10.樣品 11.二維電機滑臺 12.手動升降平臺 13.光屏 14.單片機控制盒15.觸摸顯示屏 16.直流穩(wěn)壓電源圖2 AFM工作原理演示儀的結構

演示儀的結構、原理和功能如下：

1)利用長條形不銹鋼彈片模擬AFM的微懸臂. 彈片自由端一側上表面貼有鋁反射膜，用于增強彈片表面對激光的反射率，并形成鏡面反射. 利用微型振動電機粘于彈片固定端一側下表面來激發(fā)彈片振動，模擬AFM輕敲工作模式下的微懸臂振動(圖3). 彈片的振動頻率和幅度可以通過調節(jié)振動電機的電壓來調節(jié).

2)利用較細的圓珠筆筆頭粘于彈片自由端一側下表面來模擬AFM探針，筆尖上的滾珠可以有效減小掃描過程中其與模擬樣品間的摩擦，并減小了磨損.

1.彈片 2.反光膜 3.激光光點 4.探針 5.振動電機 6.樣品 7.樣品臺 8.電機絲桿 9.二維電機移動平臺外殼圖3 反光彈片及二維電機移動平臺的結構

3)利用3D打印制成多球面包絡形狀的模擬樣品(圖3). 通過樣品背面嵌入的鐵片與樣品臺上嵌入的磁鐵相互吸合的方法將樣品固定于樣品臺上，這樣可以方便地更換樣品.

1.半導體激光器 2.平面鏡A 3.平面鏡B 4.彈片5.反光膜及表面的激光光點 6.彈片上光點位置Y方向調節(jié)旋鈕 7.彈片上光點位置X方向調節(jié)旋鈕 8.光屏上光點水平(Y)方向調節(jié)旋鈕 9.光屏上光點豎直方向調節(jié)旋鈕 10.圓珠支撐結構 11.拉緊彈簧結構 12.有機玻璃板框架圖4 光路結構(俯視圖)

4)半導體激光器(650 nm)做光源，利用2面方向角度可調的表面鍍膜平面反射鏡模擬AFM的光路調節(jié)結構(圖4)，利用光屏模擬光檢測器. 其中，通過調整2個調節(jié)旋鈕(圖4中結構6和7)調節(jié)平面鏡A的角度來調節(jié)激光光點打在彈片反光膜上的位置，以模擬AFM實驗過程中調節(jié)激光打在微懸臂上位置的過程；通過調整另外2個調節(jié)旋鈕(圖4中結構8和9)調節(jié)平面鏡B的角度來調節(jié)激光光點打在光屏上的位置，以模擬AFM實驗過程中調節(jié)激光光點最終打到光檢測器中心的過程.

5)利用2個相互垂直的微型步進電機絲桿滑臺(CD光驅中激光頭的驅動滑臺)構成的二維移動平臺模擬AFM實驗過程中壓電掃描管控制樣品臺在X-Y平面上作“Z”字形掃描運動.

6)利用單片機(STC15W4K32S4)控制電路實現振動電機和步進電機的驅動控制，以及觸摸液晶屏的顯示和操作. 單片機控制系統(tǒng)的結構如圖5所示.

7)利用手動升降平臺調整樣品與探針的距離.

8)演示儀安裝在透明有機玻璃板框架上，可充分展示其內部構造.

圖5 單片機控制系統(tǒng)的結構框圖

3 演示儀的使用方法

1)打開演示儀電源開關，調節(jié)平面鏡A，使得激光光點打在彈片上反光膜的中心位置. 再調節(jié)平面鏡B，使激光光點打在光屏的中心位置.

2)在觸摸顯示屏上選擇工作模式，設置掃描范圍和掃描速度等參量.

3)工作模式若選接觸模式，調節(jié)升降平臺使探針輕微壓在模擬樣品上一定距離，點擊按鈕開始掃描.

4)工作模式若選輕敲模式，則進一步設置彈片振動幅度. 調節(jié)升降平臺抬高樣品，使樣品與振動的探針輕微接觸，并使光屏上的光點振幅適當減小，點擊按鈕開始掃描.

5)掃描過程中，適當調節(jié)升降平臺，使得光點的位置(接觸模式)或光點的振幅(輕敲模式)隨樣品掃描過程呈連續(xù)變化.

6)觀察樣品掃描過程中光點的位置或光點的振幅隨樣品表面起伏的變化.

4 演示結果

實驗中分別在接觸模式和輕敲模式下對樣品進行了掃描. 掃描過程中可以觀察到探針相對樣品在水平面上做周期性“Z”字形掃描運動.

在接觸模式下，可以觀察到光屏上光點的位置隨探針在樣品表面的掃描而不斷變化，光點在光屏上的位置變化反映了樣品表面高度起伏的變化(圖6).

在輕敲模式下，可以觀察到光屏上光點振幅的大小隨探針在樣品表面的掃描而不斷變化，光屏上光點的振幅的變化反映了樣品表面高度起伏的變化(圖7).

(a) (b) (c) (d)圖6 接觸模式實驗結果

(a) (b) (c) (d)圖7 輕敲模式實驗結果

對光屏上光點的位置或振幅的變化與樣品表面起伏高度進行比較，可知該光路系統(tǒng)的放大倍數約為10. 實驗演示了AFM光路放大和掃描成像的原理，具有很好的演示效果.

5 結束語

該演示儀實現了AFM相關結構和原理的模擬，具有很好的實驗演示和科普展示效果，可使剛接觸AFM的學生能夠直觀地理解AFM的工作原理，并有助于AFM操作. 不過該裝置暫時只能模擬AFM恒高模式下的掃描過程，若加裝簡易光電檢測裝置，并增加電動升降臺結構對樣品臺實施反饋升降控制，可實現AFM恒力模式掃描成像過程的演示. 此外，可通過單片機系統(tǒng)對光電檢測裝置的信號和升降臺反饋控制信號進行處理和分析后，在液晶屏上顯示樣品表面的大致形貌. 這些改進有望可以更加全面地演示AFM的工作原理.