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如何看待探针尺寸和形状对原子力显微镜(AFM)测量结果的影响?

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谢邀,原子力相关问题,并不是特别通俗易懂,我也不敢说自己的认识都是对的,欢迎大家多批评指正。关于原子力的原理问题,有兴趣的朋友可以去

为何氢键可以被看到? - 汤川的回答

这里看下,我就不再重复了。

问题是,如何看待探针尺寸与形状对测量结果的影响?先说结论,探针确实会影响测量结果。

如何看待探针尺寸和形状对原子力显微镜(AFM)测量结果的影响?

上图模拟的是,曲率半径为10nm和100nm的探针,对于粗糙样品形貌的扫描情况。很明显,下图曲率半径较大的探针在样品表面扫描的轨迹,与样品形貌相差较多。

从G.Binning和H.Rohrer两位老先生在1985年发明原子力显微镜开始,(此处感谢

Xu Chen

帮忙指正)经过多年的发展至今,科学家们已经将原子力显微镜发展为了一个平台,而并非简单的显微镜。下图列举一些我知道的原子力显微镜的探针的形状,原子力显微镜的功能至多,探针形状之复杂,是很难将全部形状都探讨到的。

我在此列举一个BRUKER公司,商品号为MPP的的探针

可以看出,探针的尖端(Tip)并非严格意义上的“针尖”,针尖的曲率半径(Tip Radius)为8nm,这在一定程度上决定了普通原子力显微镜在XY方向的分辨率约为1nm(来自于BRUKER公司的宣传海报),需要注意的是,原子力显微镜在Z方向的分辨率一般要高于XY方向,约为0.1nm。

另一方面,探针针尖在不同方向上的倾斜角度不同,这会造成扫描角度(探针针尖运动方向与样品X方向水平夹角)不同时候,扫描的结果可能略有不同。

上图是几个比较常见的,由于探针自身问题导致扫描图像出现假像。左上,由于探针曲率半径增加,扫描图像展宽,这种情况一般需要考虑换个较为细的探针,或者同型号新探针。右上,由于探针尺寸较大,无法跟踪较为狭小的缝隙,另外还需要考虑缝隙内空气压力的问题,因此用contact模式可能有较好结果。左下,同理。右下,就是探针扫描角度的问题了,这个角度和刚才谈到的角度略有不同,指的是探针针尖与Z轴之间的夹角,一般为14到18度,也可能有其他的度数,不过较为少见,一般是由于夹针尖的台子(hold)在探针下针过程中,压电陶瓷向下压迫探针运动导致,在BRUKER公司ICON机器中,可以填写这个下压倾角的数值,也许起到一定的校正作用。

至于,扫描角度是否会影响成像结果,一个简便的方法是,把扫描角度增加90度,如果得到的图像基本一致,则可以认为结果没有收到倾角影响。

上图是一个例子,看出左图中样品颗粒明显变大了,遇到这种情况最简便的方法就是换一根新探针,至于由于扫描参数导致的图像错误,或者探针的保养问题,限于篇幅先不展开说明了。

题主如果对于已有的探针,觉得新探针的曲率半径和侧角仍不满意,可以购买专门用来测高的探针,

-布鲁克 BrukerBruker原子力探针

如果不买新探针有没有办法呢,还是有的。AFM扫描样品的过程中,呈现出的图像形貌,是探针和样品相互综合总用的结果,而并非简单的样品形貌。我们利用这一点,可以用标准样品测定探针的参数,从而校正针尖的形状与尺寸造成的影响。

上六幅图为同样一个样品的同样一个区域。上图第两行图像,从左到右依次为随扫描次数增加,样品的形貌。

第一行,使用较为合适的扫描参数,使得探针没有严重磨损,不同扫描次数的扫描结果基本一致。第二行,扫描参数有一些问题,我们增大了探针与样品之间的作用力,探针磨损较为严重,因此,扫描次数增加时,扫描的图像较为模糊。

利用这种方法,可以计算出探针针尖的尺寸。

样品为已知样品(一般为粗糙的金属钛),带有尖锐的棱角,棱角的平均尺寸与形状默认已知。

可以用系统自带的Tip Qualification模式计算出探针的曲率半径。将曲率半径带入到扫描模式中,就可以在一定程度上消除尺寸带来的误差了,机器可以自动计算探针的卷积效应

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