2020-02-12小刘科研笔记之激光共聚焦原子力显微镜

形貌、成分和结构的表征是材料的生长、鉴别、加工、研究和应用等过程中很重要的一个步骤。本篇笔记将以华慧高芯网激光共聚焦原子力显微镜为例描述该设备在材料表征的功能与应用。

▲华慧高芯激光共聚焦显微镜OLYMPUS LEXT OLS4500   

一、激光共聚焦原子力显微镜特点

激光共聚焦原子力显微镜具有常规光学显微镜、激光显微镜、原子力显微镜三种功能，常规光学显微镜和激光显微镜同轴，其中激光显微镜采用405nm激光光源，平面X、Y分辨率能达到120nm，可进行小尺寸的样品测试且便于原子力测试时进行样品定位。

图2 和3分别为激光显微镜获得的光刻胶图形和聚合物划痕的三维形貌图。

▲图1. 平面和高度测量​

如图1所示，小尺寸样品进行激光成像测量。同时，激光下具有三维成像、粗糙度测量、粒子分析等功能。对于尺寸和粗糙度较大等不适用于原子力测试时，可选择采用激光测量。

图2. 聚合物划痕三维形貌

图3. 光刻胶图形三维形貌图

图2 和3分别为激光显微镜获得的光刻胶图形和聚合物划痕的三维形貌图。

激光共聚焦显微镜是在普通光学显微镜的基础上对成像原理作了改进，加装了激光扫描装置，同时利用计算机成像处理技术提高成像分辨率。

图4. 激光显微镜的光学系统及原理展示

如图4所示，激光共聚焦显微镜是使激光扫描束通过光栅孔形成点光源，在焦平面上逐点扫描，采集点的光信号通过探测针孔到达光电倍增管，经过信号处理形成图像。

由于激光光源的光栅针孔和探测针孔对物镜焦平面是共轭的，因此针孔只接受扫描聚焦点光斑处信息，能够对样品的深层次进行观察，鉴定，通过对连续层次上的共聚焦图像处理，可以实现真正的三维图像重建。

原子力显微镜具有很高的平面和深度测量精度，在纳米尺度测量范畴具有广泛的应用。不仅仅能够观察表面形貌特征，还能获取准确的数值形式的表面高低起伏状态，对表面整体形象的分析得到样品表面的粗糙度，颗粒度、孔结构和孔径分布等参数。广泛用于半导体、高分子聚合物、生物科学等行业。

                                                                                                          ▲图5. 纳米片样品的AFM测试

                                                                                                             ▲图6. 金属薄膜的三维形貌

                                                                                                           ▲图7. 聚合物三维形貌图

                                                                                                           ▲图8. 碳材料三维形貌图

如图9所示，AFM就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样微悬臂的微小变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。

 

▲图9. AFM原理图

二、AFM的三种工作模式

AFM有三种工作模式：接触模式、非接触模式、轻敲模式。

接触模式分辨率高，但易“拖刮”损伤样品表面，且还会由于探针与样品表面产生的粘滞力造成图像失真；

非接触模式可以避免上述问题，但由于探针与样品表面距离较远、作用力太小，造成分辨率降低，且可能因表面张力干涉而造成图像变形；

轻敲模式是一种较为先进的模式，它是采取探针垂直样品表面高频振动，交替的让针尖与样品表面“接触”和“抬高”。这种模式结合了上述的两种优点，既不损伤样品表面又有较高的分辨率。

▲图10. 三种工作模式的扫描图像

三、AFM优缺点

（一）AFM优点：

1.具有高分辨能力，测试对样品无损伤。

2.AFM利用原子间的范德华力来呈现样品的表面特性。因此，AFM除导电样品外，还能观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用范围更为广阔。

3.具有很宽的工作范围，可以在真空、空气、常温、低温、高温等环境下扫描成像。

4.样品制备简单，样品不需要包埋、覆盖、染色等处理，可直接观察。

（二）AFM 缺点：

1.针尖易磨损和受污染，磨损无法修复，污染难以清洗。

2.扫描范围小，容易将局部的、特殊的结果当做整体的结果分析，结果缺乏重现性。

虽以此设备为例，但设备原理均大同小异，只是精度不同，故可根据实际需求选择。

END

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

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