第三章 實驗方法
3.2 原子力顯微鏡（AFM）系統
NT-MDT SOLVER P47H 的原子力顯微鏡系統是用於量測氮化 銦奈米點的表面形貌。其架構簡圖如圖 3-2-1。基本原理在於利用探 針懸臂上探針的尖端（如圖 3-2-2）靠近樣品表面，並且利用打在探 針懸臂前端的雷射被反射後打在光偵測器的位置（如圖3-2-1），藉以 推測懸臂的彎曲量。當探針尖端距離樣品甚遠時，探針尚未受力，探 針懸臂不會偏折，故打在探針懸臂前端的雷射被反射後會打在光偵測 器的中心。當探針尖端接近樣品時，因探針尖端開始受力，探針懸臂 產生偏折，雷射打在光偵測器的位置開始偏移。所以我們可以從控制 雷射打在光偵測器的位置，來控制探針尖端與樣品表面間的作用力。
當我們決定雷射打在光偵測器的位置後開始掃瞄，樣品表面的起伏，
會改變探針尖端與樣品間的作用力，進而改變雷射打在光偵測器的位 置。經由回饋電路（electrical feedback loop）可以將這改變回傳給控 制探針的壓電材料（piezoelectric crystal），此時壓電材料會在 Z 方向 調整，使得雷射打在光偵測器的位置，回到我們一開始的設定值（每 個掃瞄點的量測時間小於 0.6ms）。所以我們能得到一個作用力固定 的樣品表面形貌。
一般而言有三種方式能夠掃瞄出樣品的表面形貌，分別是接觸式
（contact mode）、非接觸式（non-contact mode）與輕敲式（tapping mode）。分別介紹如下：
（I）接觸式（contact mode）
顧名思義，這種量測方法是利用探針尖端直接接觸樣品表面，以 得到較強的作用力。利用回饋電路，使得探針尖端的作用力維持固 定，經由軟體計算壓電材料的伸長量變化，而得到一個作用力固定的
樣品表面形貌。 NT-MDT SOLVER P47H對探針懸臂彎曲角度（Δθ）
的偵測可以精確到0.1秒（1o/3600），探針懸臂的彈力係數（k）約為 5.5～11.5N/m，懸臂長度（L）約為100～130μm，所以經由下式可推
（II）非接觸式（non-contact mode）
雖然接觸式的掃瞄能獲得來自樣品表面較大的作用力，但相對的 也對樣品表面有較大的傷害。所以為了避免探針對樣品的破壞，可以 利用非接觸的方式量測。首先樣品與探針保持一段距離（大約是幾百 奈米），將一個交流電壓（～0.1V）加在探針的懸臂上（如圖 3-2-2），
使其在自然頻率（ω0，150～300kHz）下震盪，藉以探測樣品與探針 尖端間的遠距離凡得瓦力（Van der Waal’s force），經由下式：
~ × Δ θ × ω
0Δ F C
C是與環境阻尼有關的常數，約為～2.9×10-10Ns，可推得探針受力的 解析度（ΔF）為2.1～4.2×10-11 N。雖然非接觸式量測對探針受力的解 析度較高，但距離樣品較遠，所受樣品作用力也相對減少（F～1/r4），
所以為了得到較佳的解析度，必須在真空的環境下量測。
（III）輕敲式（tapping mode）
輕敲式（也稱為半接觸式）是由非接觸式改良而來，經由增加懸
品表面的接觸式，與探針受力較小的非接觸式量測方法。
在這篇論文中，我們使用原子力顯微鏡量測氮化銦奈米點的表面 形貌。而所得到的奈米點形狀、奈米點密度和奈米點大小的數據將在 第四章中加以討論。
圖3-2-1 原子力顯微鏡的架構簡圖
圖3-2-2 掃瞄式電子顯微鏡（SEM）下探針的形貌 a）為探針懸臂於 探針尖端的形貌，而b）為探針尖端的放大圖