原子力顯微鏡

掃描式顯微鏡(atomic force microscopy)是利用特製的微小探針，偵測探針與樣品表 面之間的交互作用力，然後使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表 面做左右前後掃描（或樣品做掃描），並利用此掃描器的垂直微調能力及迴饋電路，讓 探針與樣品問的交互作用在掃描過程中維持固定，此時兩者距離在數至數百 Å (10⁻¹⁰ 𝑚)

X 軸

Y 軸 膜面斜率校準

光源 樣品擺放位置

探測針尖 顯微鏡

之間，而只要記錄掃描面上每點的垂直微調距離，我們便能得到樣品表面的等交互作用 圖像，這些資料便可用來推導出樣品表面特性。圖 3. 12 是原子力顯微鏡的結構示意圖。

圖 3. 12：原子力顯微鏡示意圖。

原子力顯微鏡的探針是由一個針尖附在懸臂樑前端所組成，當探針尖端與樣品表面 接觸時，由於懸臂樑的彈性係數和原子間的作用力相當，因此針尖原子與樣品表面原子 的作用力便會使探針在垂直力方向移動，作用力來源包括探針和表面的凡得瓦力（Van der Waals force）與探針和表面的外層電子之間的庫倫排斥力。簡單的說就是樣品表面的 高低起伏使探針作上下偏移，而藉著調整探針與樣品距離，便可在掃描過程中維持固定 的原子力，此垂直微調距離，或簡稱為高度，便可當成二維函數儲存起來，也就是掃描 區域的等原子力圖像，這通常對應於樣品的表面地形，一般稱為高度影像。原子顯微鏡 的操作模式可大略分為以下三種：接觸式（Contact mode）、非接觸式(Non-contact Mode) 、 輕拍式(Tapping mode)。

a. 接觸式模式

在接觸式操作下，探針與樣品間的作用力是原子間的排斥力，這是最早被發展出 來的操作模式。由於排斥力對距離非常敏感，所以接觸式模式掃描較容易得到原子解 析度。在一般的接觸式量測中，探針與樣品問的作用力很小，約為 10^-6 至 10^-10 N

（Newton）。

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b. 非接觸式模式

為了解決接觸式模式可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式模式發展出來，這是利 用原子間的長距離吸引力凡得瓦力來運作。凡得瓦力對距離的變化非常小，因此必須 使用調變技術來增強訊號對雜訊比，便能得到等作用力圖像，這也就是樣品的高度影 像。一般非接觸式只有約 10^-9 m 的解析度，不過在真空環境下操作，其解析度可達原 子級的解析度，是原子力顯微鏡中解析度最佳的操作模式。

c. 輕拍式模式

輕敲式模式則是將非接觸式加以改良，其原理是將探針與樣品間距離靠近，然後 增大振幅，使探針在振盪至波谷時接觸樣品。由於樣品的表面高低起伏，使得振幅改 變，再利用類似非接觸式的回饋控制方式，便能取得高度影像。由於接觸式掃描容易 刮傷試片表面，所以後來改用驅動探針跳動來掃描試片，如此接觸試片表面時探針施 予的力量不但小了許多，且只有正向作用力，但是此時系統不再利用探針懸臂的偏折 量來作回饋，而是探針跳動時懸臂的振幅量來回饋。

圖 3. 13：原子力顯微鏡。

光學顯微鏡

紅光雷射 樣品放置處

探針放置處

防震台