3-1 原子力顯微鏡
3-1-1 原子力顯微鏡基本結構
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)的主要結構可分為探針、偏 移量偵測器、掃描器、迴饋電路及電腦控制系統五大部分(如圖3-1)，距離控制 方式為光束偏折技術，光是由二極體雷射產生出來後，聚焦在鍍有金屬薄膜的探 針尖端背面，然後光束被反射至四象限光電二極體，在經過放大電路轉成電壓訊 號後，垂直部份的兩個電壓訊號相減得到差分訊號，當電腦控制X、Y 軸驅動器 使樣品掃描時，探針會上下偏移，差分訊號也跟著改變，因此迴饋電路便控制z 軸驅動器調整探針與樣品距離，此距離微調或其他訊號送入電腦中，記錄成為 X、Y 的函數，便是 AFM 影像。
圖3-1 原子力顯微鏡的結構示意圖
3-1-2 以奈米級探針探測原子與原子間作用力
探針是由一個針尖附在一支橫桿前端所組成，探針針尖通常具有奈米等級 的大小，利用奈米級探針接近樣品表面當探針尖端與樣品表面接觸時，探針尖端 會和樣品表面局部原子團發生交互作用－凡得瓦力(圖3-2)，而一般描述凡得瓦 力的模型為Lennard-Jones 位勢
12 r6 度的位置偵測器（position sensitive detector），並以四象限光偵測器的象限差值 運算，檢測出反射光點實際偏移量，將檢測訊號轉換為電訊號，經由電流放大後，
來，經過校正轉換後，描繪出樣品表面形貌影像。而利用具有三軸位移能力的壓 電材料掃描器（Piezoelectric scanner）使樣品能在選定的區域範圍做來回掃瞄，
偵測橫桿偏移量，系統的回饋電路與壓電材料掃描器在高度軸上距離微調功能結 合，藉由調整探針與樣品距離，以維持過程中固定的原子力大小，所以當 AFM 掃描一個區域，便把垂直微調距離當成地貌高度，在二維的空間中將這些高度數 值儲存起來並利用色差的亮暗程度來表現出來，形成所謂掃描區域的原子力圖 像，這通常對應於掃描區域表面高低起伏的影像，也稱高度影像。而利用雷射光 束反射偏斜機制的測量方法具有0.1A 的解析能力，不過在一般大氣環境中，表o 現會較差。另外因為使用四象限光電二極體的關係，垂直與水平差分訊號便可以 同時得到，因此橫桿上下左右偏移量可同時被測出。
圖3-3 原子力顯微鏡（AFM）的結構示意圖
3-2 利用音叉作為感測器的高解析度原子力顯微鏡
取代傳統的四象限二極體偵測光的偏移量進而得知受力大小的方式。而利用此種 方式的原子力顯微鏡掃描速度可達1 赫茲，而雜訊上也可控制在 0.05 奈米以 下，是一種值得探討研究與發展的方式，以下為此新型設計的結構示意圖(圖 3-8):
圖3-8 以音叉作為感測的高解析度原子力顯微鏡結構示意圖[6]
3-3 原子力顯微術基本操作模式 3-3-1 接觸式(contact mode)
使用低彈性係數探針與樣品表面接觸[3]，利用探針與樣品間產生的作用力
－原子間排斥力，使得懸臂樑發生微小偏折量，經由四象限光偵測器感測此偏折 程度並轉換為表面呈像訊號輸出，稱為接觸式原子力顯微鏡(圖3-4)。由於排斥 力對距離變化相當靈敏，原子解析度較好，缺點－為呈現解析度較佳的樣品，通 常需要較大作用力，由於接觸面積為極小區域容易破壞樣品表面。因此，選取適 當作用力大小極為重要。
圖 3-4 AFM 接觸模式掃描示意圖
3-3-2 非接觸式(non-contact mode)
為了改善接觸式可能損壞樣品的缺點，因此發展出非接觸式的原子力顯微 鏡(圖 3-5)[4]。利用壓電陶瓷振盪片驅動懸臂樑，懸臂樑以自然共振頻率(約數 十至數百千赫茲)振動並帶動探針，振幅小於 5 奈米，探針與樣品間的交互作用 力為吸引力，由於吸引力對距離變化敏度不大，因此必須許用探針光反射訊號的 振幅、頻率、相位等調變技術增加雜訊比。探針振動訊號之振幅、頻率或相位皆 可做為回饋。當探針與樣品靠近時，由於吸引力作用，偵測其共振頻率或頻率變 化送至回饋電路，轉換訊號輸出便能得到樣品高度影像。由於探針與樣品沒有接 觸，故不會損壞樣品表面，適合量測生物樣品。缺點－大氣環境下，受樣品表面 水膜黏滯力影響，解析度ㄧ般僅能達50 奈米左右。
圖3-5 AFM 非接觸模式掃描示意圖
3-3-3 輕敲式(tapping mode)
利用非接觸式加以改良，其原理為拉近探針與樣品距離，增大振幅使探針 震動，當以高頻方式振盪至波谷接觸樣品，由於樣品表面高低起伏會改變振幅大 小，利用類似非接觸式的回饋控制方式[5]，使用振幅做為回饋訊號，並轉換訊 號便能同時獲得樣品高度影像，稱為輕敲式原子力顯微鏡(圖3-6)。由於探針直 接接觸樣品表面，解析度可提高為5 至 10 奈米，與接觸式比較其解析度雖然較 差，但損壞樣品表面機率大為降低，同時也較不受摩擦力影響。缺點－由於探針 高頻率敲擊影響，對表面較硬的樣品而言，探針針尖易受損。
圖3-6 AFM 輕敲式掃描示意圖